FR2871197A1 - Injecteur pompe - Google Patents

Abstract

Injecteur pompe (1) destiné à comprimer du carburant, puis à l'injecter à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre de moteur thermique lors d'une phase d'injection principale, ledit injecteur pompe (1) comportant une aiguille (7) dont le déplacement est piloté par une première électrovanne (6) de façon à permettre l'injection du carburant contenu dans le volume interne (3) de l'injecteur pompe (1).Il se caractérisé en ce qu'il comporte :• une capacité (11), destinée à stocker un volume de carburant sous pression ;• une seconde électrovanne (2) apte à mettre en communication ladite capacité (11) avec le volume interne (3) de l'injecteur (1) pour permettre une phase d'injection secondaire, ladite seconde électrovanne (2) étant activée concomitamment avec la première électrovanne (6) lors des dites phases d'injections principale et secondaire.

Description

1 INJECTEUR POMPE.

Domaine Technique L'invention se rapporte à un système d'injection de carburant pour moteur à explosion. Avec ce type de système, le carburant est directement pulvérisé à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur du type essence ou gazole notamment. C'est donc à l'intérieur de cette chambre de combustion que s'opère le mélange entre le carburant et l'air, qui joue le rôle de comburant.

Elle vise plus particulièrement un injecteur, couramment appelé "injecteur pompe", présentant ainsi un piston pour comprimer le carburant à l'intérieur de son volume interne. Ce piston est déplacé au moyen d'un arbre à came entraîné par l'intermédiaire du vilebrequin du moteur soit directement, soit indirectement.

Ainsi, il faut bien différencier ce type d'injecteur des dispositifs à rampe commune dans lesquels le carburant est comprimé en amont de plusieurs injecteurs proprement dit, qui ne sont alors plus actionnés par un arbre à came.

Art antérieur De façon générale, les injecteurs pompes permettent d'injecter du carburant uniquement pendant une phase principale d'injection, correspondant à l'injection précédant l'explosion dans la chambre de combustion. Cette injection est obtenue grâce à un profil de came qui permet de déplacer un piston à l'intérieur de l'injecteur de façon à comprimer le carburant juste avant l'injection principale. Le carburant comprimé est alors injecté dans la chambre de combustion.

Ainsi, compte-tenu du profil de la came utilisée, ce type de système d'injection ne permet pas d'injecter du carburant en dehors de d'une zone active de la came. Pourtant, pour certaines applications, il peut être avantageux d'injecter du carburant à un instant proche de l'injection principale par réduire les émissions et notamment les suies ou lors d'une ou plusieurs phases secondaires relativement éloignées de la phase d'injection principale. On peut notamment faire référence aux injections post-combustion permettantla régénération des systèmes de post-traîtement des gaz d'échappement. En effet, avec ce type d'injections secondaires, on peut faire parvenir du carburant non brûlé jusqu'au niveau d'un filtre à particules se trouvant dans la ligne d'échappement, ce qui a pour effet de le nettoyer et de le régénérer.

Cependant, ce type d'injecteurs autorisant une seconde phase d'injection nécessite actuellement des systèmes complexes d'injection à rampe commune et munis d'une capacité interne destinée à permettre de réaliser des pilotes injections, tels que notamment décrit dans le document US-4 913 113. Dans ce type d'injecteur, la compression du carburant n'est pas réalisée, et leur fonction se limite à l'injection du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion. Ainsi, un système à rampe commune permet une grande flexibilité en injection multiple. Toutefois, il ne permet pas de réaliser les formes de débit d'injection instantané, et d'atteindre le niveau des pressions d'injection qu'il est possible d'obtenir avec un système à injecteur pompe classique.

De plus, il est nécessaire de relier chaque injecteur à une rampe haute pression qui 15 comporte ainsi un grand nombre de connexions qui sont autant de zones de fuite potentielles.

Pour pallier ces problèmes, il a été conçu des systèmes d'injection à injecteurs pompes pilotés par des cames dont la zone active comporte une succession de creux et de bosses. Il est alors possible d'injecter à différents instants du carburant pour des besoins de post-traitement ou des nouveaux concepts de combustion, tel que le HCCI signifiant "Homogeneous Charge Compression Ignition". Cependant, les besoins liés à la tenue mécanique et les contraintes de fabrication de la came limitent les caractéristiques de la zone active principale de la came. Ils affectent également le remplissage de l'injecteur à cause d'une augmentation de la vitesse de recul du plongeur de l'injecteur. De plus, la position de l'injection secondaire est tributaire du dessin de la came, ce qui limite la flexibilité et permet pas de faire varier les phases d'injection indépendamment.

Pour améliorer cette flexibilité, on a également conçu des systèmes hybrides qui combinent à la fois injecteurs pompes et rampe commune. Un tel dispositif est décrit dans le document US-6 439 202 dans lequel une rampe commune véhiculant du carburant sous pression est reliée à l'alimentation des injecteurs pompes. Cependant, ce type de système est très complexe et coûteux, et il requiert une qualification importante pour effectuer sa réparation lorsqu'une panne est détectée au niveau du système d'injection. Ainsi, il ne fournit pas une solution satisfaisante pour réaliser à moindre coût et avec une grande fiabilité des phases d'injection secondaires. En effet, une telle installation est soumise aux mêmes inconvénients de fiabilité que le système à rampe commune standard à cause du nombre important de connexions présentes sur le circuit haute pression.

Ainsi, le but de l'invention est de réaliser un système adaptatif aux systèmes d'injection actuels et qui soit par ailleurs fiable et flexible. Un tel système doit en outre permette d'injecter du carburant sous pression à l'intérieur d'un moteur, quelle que soit la position du piston sans limitation au niveau de la quantité injectée, et avec des pressions de carburant très élevées.

Exposé de l'Invention L'invention concerne donc un injecteur pompe destiné à comprimer du carburant, puis à l'injecter à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre de moteur thermique. Ce type d'injecteur peut injecter du carburant lors d'une phase d'injection principale au moyen d'une aiguille dont le déplacement est piloté par une première électrovanne. De cette manière, le carburant contenu à l'intérieur du volume interne de l'injecteur s'échappe par au moins un orifice dans la chambre de combustion du cylindre sur laquelle il est monté.

L'injecteur se caractérise en ce qu'il comporte: É une capacité, destinée à stocker un volume de carburant sous pression; É une seconde électrovanne apte à mettre en communication ladite capacité avec le volume interne de l'injecteur pour permettre une phase d'injection secondaire. Cette seconde électrovanne est activée concomitamment avec la première électrovanne lors des deux phases d'injection principale et secondaire.

Autrement dit, chaque injecteur comporte une zone où du carburant sous pression peut être emmagasiné, puis évacué pour permettre une phase d'injection secondaire qui peut survenir de manière anticipée, ou bien en retard par rapport à la phase d'injection principale à n'importe quel instant du cycle. Cette capacité est mise en communication avec le volume interne de l'injecteur au moyen d'une seconde électrovanne, qui, lorsqu'elle est simultanément activée avec la première électrovanne, permet de réaliser plusieurs injections et notamment une phase d'injection principale et une phase secondaire.

En pratique, l'injecteur pompe comporte, au niveau d'une canalisation de remplissage destinée à permettre le remplissage de la capacité en carburant sous pression, un moyen anti-retour de remplissage apte à permettre l'écoulement du carburant dans un seul sens, du volume interne vers la capacité.

En d'autres termes, la capacité est reliée au volume interne de l'injecteur au moyen d'une canalisation de remplissage dans laquelle le carburant sous pression ne circule que dans un seul sens. En effet, un moyen anti-retour, tel un clapet, est rapporté à l'intérieur de cette canalisation pour n'autoriser la circulation du carburant que dans le sens du volume interne vers la capacité. La circulation de carburant à l'intérieur de cette canalisation ne s'effectue qu'une fois la phase d'injection principale terminée. Ceci est obtenu en désactivant la première électrovanne tout en maintenant active la seconde.

En pratique, le moyen anti-retour de remplissage peut comporter un organe pour permettre l'écoulement du carburant lorsque la différence de pression entre le volume interne et la capacité dépasse une valeur de seuil prédéterminée.

Autrement dit, il n'est possible de remplir la capacité que lorsque la différence de pression entre les deux orifices du moyen anti-retour est supérieure à une valeur de seuil prédéterminée. Ceci peut notamment être réalisé au moyen d'un organe qui comporte un moyen élastique tel qu'un ressort dont le tarage est adapté en fonction du seuil prédéterminé.

Plus précisément, ce moyen élastique peut être taré à une pression qui est supérieure à celle présente dans l'injecteur lors de la phase d'injection principale. Dans ce cas, le volume mort interne à l'injecteur n'est pas augmenté par rapport à un injecteur standard et le rendement est identique.

Dans un mode de réalisation particulier et notamment lors d'une post injection à un instant très proche de l'injection principale, le moyen élastique agit comme un limiteur de pression. Cette situation se rencontre principalement lorsque la durée est longue, le régime du moteur élevé et que l'on réalise une post injection à un instant très proche de la fin de l'injection principale, et ce sans avoir à actionner la seconde électrovanne.

En pratique, l'injecteur comporte, au niveau d'une canalisation d'injection destinée à faire communiquer la capacité avec le volume interne, un moyen anti-retour d'injection apte à permettre l'écoulement du carburant dans un seul sens, de la capacité vers le volume interne.

Ainsi, le carburant sous pression est évacué de la capacité lorsqu'une injection doit être réalisée, au niveau d'une canalisation d'injection spécifique, qui n'autorise le carburant à ne circuler que dans un seul sens, et plus précisément dans le sens de la capacité vers le volume interne de l'injecteur. Cette circulation est réalisée une fois la capacité remplie et la seconde électrovanne activée puisqu'elle permet alors de mettre en communication la capacité avec le volume interne de l'injecteur.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, 15 ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées dans lesquelles: É la figure 1 est un schéma de principe de l'injecteur pompe, conforme à l'invention; É les figures 2a à 2f sont des schémas de principe représentant les différentes étapes du fonctionnement de l'injecteur pompe, conformément à l'invention; É la figure 3 est une coupe longitudinale de l'injecteur, conforme à l'invention; É la figure 4 est un chronogramme permettant de montrer les différents états des électrovannes et les variables relatives à l'injection de carburant dans le moteur.

Manière de décrire l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un injecteur pompe destiné à comprimer puis à injecter du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion d'un moteur.

Tel que représenté schématiquement à la figure 1, l'injecteur pompe (1) permet de comprimer du carburant qui se trouve initialement à une basse pression dans un circuit d'alimentation (16). Cette compression est obtenue au moyen d'une came (4) entraînée en rotation par le mouvement du vilebrequin moteur directement ou indirectement. Cette came (4) déplace alors un piston (5) apte à comprimer le carburant. Une électrovanne (2) permet alors de fermer ou d'ouvrir le volume interne (3) de l'injecteur (1), de façon à permettre l'augmentation de la pression à l'intérieur de son volume interne (3), ou l'admission de carburant à comprimer.

Une deuxième électrovanne (6) permet de verrouiller le déplacement d'une aiguille (7) 15 dont le déplacement permet de libérer un orifice (9) permettant l'injection.

Le verrouillage de la position de l'aiguille (7) est obtenu en réalisant ou non une différence de pression entre les deux extrémités de l'aiguille (7). Lorsque la pression est égale à ces deux extrémités, un moyen de rappel (8) permet alors de faire revenir l'aiguille (7) dans sa position fermée.

Selon une caractéristique principale de l'invention, une capacité (11) permet de stocker du carburant sous pression en vue de permettre une injection dans une ou plusieurs phases secondaires. De cette manière, il est alors possible d'injecter à des instants très éloignés de l'injection principale que ce soit par anticipation ou avec du retard.

Telles que représentées les deux électrovannes (2, 6) sont de type monostable car comportent un moyen de rappel élastique pour permettre leur retour à l'état désactivé une fois l'alimentation coupée. Ces électrovannes (2, 6) peuvent notamment comporter deux états et trois voies. De cette façon, il est possible de mettre, au moyen de l'électrovanne (2) le volume interne (3) de l'injecteur (1) soit à la pression du circuit d'alimentation (16) soit à la pression P du carburant comprimé contenu dans la capacité (11). Au moyen de l'électrovanne (6), soit les deux extrémités de l'aiguille (7) sont à la pression contenue dans le volume interne (3) de l'injecteur(l), soit une extrémité à la pression contenue dans le volume interne (3) et l'autre à la pression contenue dans le circuit d'alimentation (16).

Une canalisation de remplissage (15) comporte un moyen anti-retour (10), de façon à 5 n'autoriser la circulation dans cette canalisation de remplissage (15) que dans un seul sens, à savoir dans le sens du volume interne (3) jusqu'à la capacité (11).

Un second moyen anti-retour (12) est rapporté sur une canalisation d'injection (14) de façon à ne permettre également la circulation du carburant sous pression que dans un seul 10 sens, à savoir le sens de la capacité (11) vers le volume interne (3) de l'injecteur (1).

Tel que représenté, le moyen anti-retour (10) comporte un organe (13) qui se présente sous la forme d'un organe élastique de type ressort. De cette manière, la circulation du carburant à l'intérieur de cette canalisation de remplissage (15), n'est possible que lorsque la différence de pression entre les deux orifices du clapet anti-retour (10) dépasse une valeur de seuil prédéterminée.

Le fonctionnement de l'injecteur pompe se déroule tels les phases décrites aux figures 2a à 2f. Ainsi, tel que représenté à la figure 2a, l'électrovanne (2) étant désactivée, la remontée du piston (5) entraîne l'aspiration du carburant contenu dans le circuit d'alimentation (16). La chambre (17) laissée libre par le piston (5) se remplit ainsi lorsque le profil de la came (4) autorise la remontée du piston (5).

Tel que représenté à la figure 2b, correspondant à la phase débutant à l'instant tl de la figure 4, lorsque la came (4) présente une bosse, cela entraîne la descente du piston (5) et par conséquent, afin que le carburant ne soit pas chassé dans le circuit d'alimentation (16), l'électrovanne (2) est activée pour faire monter la pression du carburant d'une part à l'intérieur de la chambre (17) et d'autre part, à l'intérieur du volume interne (3) de l'injecteur pompe (1).

Tel que représenté à la figure 2c, correspondant à la phase débutant à l'instant t2 de la figure 4, il est alors possible de réaliser l'injection du carburant sous pression à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur. Pour ce faire, il faut alors activer l'électrovanne (6) concomitamment avec l'électrovanne (2). En effet, cette électrovanne (6) permet de mettre un des côtés de l'aiguille (7) à la pression du carburant contenu dans le circuit d'alimentation (16), et par conséquent, lorsque la pression P du carburant contenu dans le volume interne (3) est supérieure à la pression exercée par le ressort de rappel (8), l'aiguille (7) se déplace et laisse des orifices (9) injecter le carburant dans la chambre de combustion du cylindre correspondant.

Tel que représenté à la figure 2d, correspondant à la phase débutant à l'instant t3 de la figure 4, une fois l'injection principale terminée, il est possible de stocker du carburant sous pression à l'intérieur d'une capacité (11). Pour ce faire, on désactive l'électrovanne (6), ce qui permet de mettre à la même pression P les deux côtés de l'aiguille (7) et par conséquent, cela entraîne sa descente sous l'effet du ressort de rappel (8). Le carburant contenu dans le volume interne (3) est alors apte à s'écouler à l'intérieur d'une canalisation de remplissage (15) de la capacité (11).

Cependant, cette canalisation (15) présente un moyen anti-retour (10) pour ne laisser circuler le carburant que dans un seul sens. En effet, l'unique sens de circulation à l'intérieur de cette canalisation (15) est alors celui allant du volume interne (3) de l'injecteur (1) vers la capacité (11). Tel que représenté schématiquement, ce moyen antiretour (10) peut comporter un organe élastique (13) pour ne permettre la circulation du carburant dans cette canalisation (15) que lorsque la pression P du carburant dépasse une valeur de seuil prédéterminée.

Tel que représenté à la figure 2e, correspondant à la phase débutant à l'instant t4 de la figure 4, quel que soit le sens de déplacement du piston (5), il est alors possible de décharger à la fois le volume interne (3) de l'injecteur (1) et la chambre (17), et donc de libérer mécaniquement la came, tout en gardant stocké le carburant sous haute pression dans la capacité (1l).

Lorsqu'on active alors l'électrovanne (2), correspondant à la phase débutant à l'instant t5 de la figure 4, le carburant sous pression contenu dans la capacité (11) remplit alors le volume interne (3) de l'injecteur (1) au travers d'une canalisation d'injection (14) qui présente un moyen anti-retour (12). Par conséquent, à l'intérieur de cette canalisation (14), le carburant ne peut s'écouler que dans un seul sens, celui de la capacité (11) vers le volume interne (3).

Tel que représenté à la figure 2f, correspondant aux phases débutants aux instants t6 et t8 de la figure 4 si l'on souhaite réaliser une injection lors d'une phase secondaire, il faut alors activer concomitamment l'électrovanne (2) avec l'électrovanne (6), ce qui permet de libérer l'aiguille (7) en mettant l'une des ses extrémités à la pression du carburant contenu dans le circuit d'alimentation (16), tandis que l'autre extrémité est à la pression P du carburant initialement comprimé et stocké dans la capacité (11), aux pertes de charges près.

Cette technique permet donc d'injecter du carburant à des instants très éloignés de la 10 phase d'injection principale, correspondant sensiblement au point mort haut du piston à l'intérieur du cylindre considéré.

Pour stopper la phase d'injection secondaire, et tel que représenté à la figure 4 aux phases débutants aux instants t7 et t9, il est nécessaire de désactiver simultanément les 15 deux électrovannes (2, 6).

Tel que représenté à la figure 3, l'injecteur pompe peut être assemblé à partir d'un certain nombre de tronçons (20, 21, 22, 23, 24, 25), afin de faciliter sa conception et la réalisation des différentes canalisations présentes à l'intérieur de son volume interne (3).

Ainsi, la capacité (11) peut par exemple être à cheval entre plusieurs tronçons (24, 25) et être réalisée par un évidement débouchant dans plusieurs tronçons. Les moyens antiretours (10, 12) sont obtenus au moyens de billes, aptes à se déplacer à l'intérieur d'un logement. Le déplacement de ces billes permet d'obstruer ou non un orifice et interdit alors la circulation du carburant à l'intérieur de cette canalisation.

Tel que représenté à la figure 4, le déplacement du plongeur (5), entraîné par la came (4), est représenté par la courbe D5. Le pilotage des deux électrovannes (2, 6), représenté au courbes E2 et E6, permet ainsi d'injecter du carburant sous pression, et ce pendant un cycle de remontée du piston (5).

L'injection du carburant est représenté par la courbe D9, correspondant au débit de carburant circulant au niveau des orifices (9).

Les courbes P3 et P11 correspondent respectivement à la pression du carburant à 35 l'intérieur du volume interne (3) de l'injecteur (1) et à l'intérieur de la capacité (11).

Bien évidemment lors de la phase d'injection secondaire et notamment aux instants t6 et t8, les pressions P3 et P6 diminuent lorsque le débit D9 apparaît.

Il ressort de ce qui précède qu'un injecteur pompe conforme à l'invention présente de multiples avantages, notamment: É il permet d'injecter du carburant en dehors de la phase d'injection principale à n'importe quel moment du cycle; É il permet d'injecter du carburant à très haute pression, et ce au moyen d'une 10 solution à haute fiabilité ; É il ne nécessite pas de modification d'architecture du moteur et peut directement remplacer les dispositifs existants, ce qui est non négligeable en terme de coût.

Claims (5)

Revendications

1. Injecteur pompe (1) destiné à comprimer du carburant, puis à l'injecter à l'intérieur de la chambre de combustion (18) d'un cylindre de moteur thermique lors d'une phase d'injection principale, ledit injecteur pompe (1) comportant une aiguille (7) dont le déplacement est piloté par une première électrovanne (6) de façon à permettre l'injection du carburant contenu dans le volume interne (3) de l'injecteur pompe (1), caractérisé en ce qu'il comporte: É une capacité (11), destinée à stocker un volume de carburant sous pression; É une seconde électrovanne (2) apte à mettre en communication ladite capacité (11) avec le volume interne (3) de l'injecteur (1) pour permettre une phase d'injection secondaire, ladite seconde électrovanne (2) étant activée concomitamment avec la première électrovanne (6) lors des dites phases d'injections principale et secondaire.

2. Injecteur pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau d'une canalisation de remplissage (15) destinée à permettre le remplissage de la capacité (11) en carburant sous pression, un moyen anti-retour (10) de remplissage apte à permettre l'écoulement du carburant dans un seul sens, du volume interne (3) vers la capacité (11).

3. Injecteur pompe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen anti-retour (10) de remplissage comporte un organe (13) pour permettre l'écoulement du carburant lorsque la différence de pression entre le volume interne (3) et la capacité (11) dépasse une valeur de seuil prédéterminée.

4. Injecteur pompe selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur de seuil prédéterminée est supérieure à la pression à l'intérieur de l'injecteur, lors de la phase d'injection principale.

5. Injecteur pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau d'une canalisation d'injection (14) destinée à faire communiquer la capacité (11) avec le volume interne (3), un moyen antiretour (12) d'injection apte à permettre l'écoulement du carburant dans un seul sens, de la capacité (11) vers le volume interne (3).