Injecteur de carburant et moteur comprenant un tel injecteur

Abstract

 Injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans une chambre de combustion comprenant une tête pulvérisatrice (6) s'étendant selon un axe central (X) depuis une base (6a) jusqu'à une extrémité libre (6b), la tête (6) comprenant une chambre interne d'injection (7), une face extérieure libre (6c,6d) et au moins deux groupes (10,20,30) d'orifices d'injection, chacun des groupes (10;20;30) d'orifices d'injection comportant un premier orifice (11;21;31) et au moins un deuxième orifice (12;22;32) adapté pour pulvériser chacun un jet de carburant selon une première (D11;D21;D31) et une deuxième (D12;D22;D32) direction respectivement, lesdites première et deuxième directions formant entre elles un angle aigu (a).
L'ensemble des débouchés internes des orifices de chacun des groupes d'orifices, est globalement situé dans un même plan (P) sensiblement transversal à l'axe central (X) de la tête (6) de l'injecteur. Cet injecteur est particulièrement destiné à un moteur diesel à injection directe.

Description

[0001] La présente invention se rapporte à un injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Plus particulièrement, elle se rapporte à un injecteur de carburant comprenant un corps destiné à être fixé au moteur et une tête pulvérisatrice s'étendant selon un axe central depuis une base reliée au corps jusqu'à une extrémité libre, ladite tête pulvérisatrice comprenant une chambre interne d'injection, une face extérieure libre s'étendant entre la base et l'extrémité libre, et incluant une pluralité d'orifices d'injection constituée par au moins deux groupes d'orifices d'injection s'étendant depuis un débouché interne situé dans la chambre d'injection jusqu'à un débouché externe situé sur la face extérieure, chacun desdits groupes d'orifices d'injection comportant un premier orifice et au moins un deuxième orifice adapté pour pulvériser chacun un jet de carburant selon une -première et une deuxième direction respectivement, lesdites première et deuxième directions formant entre elles un angle aigu, de manière à ce que les jets d'un groupe d'orifices s'interceptent dans une zone dite d'éclatement située à distance de la face extérieure.

[0002] Ce type d'injecteur, connu par exemple du document US-A-20020000483, permet d'obtenir une atomisation particulièrement importante du carburant du fait de l'éclatement de chaque jet produit à partir de l'interception de ce jet avec le ou les autres jets du groupe d'orifices d'injection. De plus, l'énergie cinétique du carburant d'un jet est réduite à partir de la zone d'éclatement, ce qui limite la pénétration du jet dans la chambre de combustion et évite une projection de carburant sur les parois du cylindre qui pourrait entraîner l'émission de carburant non brûlé. Cette limitation de la pénétration du jet est aussi renforcée du fait de la composante radiale, à partir de la zone d'éclatement, de la vitesse du carburant par rapport à la direction d'injection.

[0003] Il est particulièrement avantageux d'utiliser ce type d'injecteur qui permet d'homogénéiser la pulvérisation dans la chambre de combustion, pour les moteurs diesel à injection directe haute pression à raison d'un injecteur par cylindre.

[0004] Toutefois, on a constaté avec ce type d'injecteur de l'art antérieur que l'éclatement des jets de carburant d'un groupe d'orifices ne se produisait pas toujours de façon optimale. Il apparaît que dans certaines conditions, d'une part, les jets produits par un premier et un deuxième orifices d'un groupe ne sont pas parfaitement simultanés, ce qui peut entraîner pendant un bref instant une absence d'éclatement de l'un des jets, et d'autre part que les caractéristiques des premier et deuxième jets, comme par exemple leur débit, ne varient pas de manière proportionnelle, ce qui entraîne une déviation plus ou moins sensible du jet formé par un groupe d'orifices après la zone d'éclatement. Ces phénomènes ont un effet néfaste sur l'atomisation du carburant et l'homogénéisation du mélange air/carburant dans la chambre de combustion et par conséquent sur les émissions de polluants. Ces phénomènes sont d'autant plus dommageables que leur importance a tendance à augmenter lorsqu'on augmente la pression d'injection vers des valeurs élevées, de l'ordre de 2000 bars de nos jours, et lorsque l'on cherche à réduire le temps d'injection pour augmenter le nombre de celles-ci au cours d'un cycle, alors que l'augmentation de la pression d'injection et du nombre d'injections par cycle sont généralement considérés comme des facteurs pouvant améliorer la combustion.

[0005] La présente invention a pour but d'éviter l'apparition de ces phénomènes ayant un effet défavorable sur l'optimisation de la combustion et la réduction des émissions de polluants, en proposant un injecteur du type précité dont l'éclatement des jets de carburant se produisent de manière attendue pour au moins la plupart des conditions de fonctionnement du moteur.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un injecteur de carburant du type précité, caractérisé en ce que l'ensemble des débouchés internes de ladite pluralité d'orifices, est situé dans un même plan sensiblement transversal à l'axe central de la tête pulvérisatrice.

[0007] Grâce à cette disposition, on constate que la simultanéité de tous les jets de carburant produits par l'ensemble des orifices de la tête de pulvérisation est respectée, même lorsque l'on modifie les conditions de fonctionnement de l'injecteur de manière sensible. D'autre part, le jet résultant de l'éclatement des jets produits par un groupe d'orifices, présente une conformation globalement constante au cours d'une injection ou lorsque la pression d'alimentation de la chambre d'injection varie.

[0008] Ce résultat s'expliquerait par le fait que les débouchés internes de tous les orifices de l'injecteur réalisé selon l'invention sont situés au niveau d'une même position longitudinale de la chambre d'injection, position longitudinale pour laquelle la pression de carburant doit être sensiblement identique sur toute la périphérie de la chambre d'injection. En effet, étant donné les pressions de carburant de plus en plus importantes, les ouvertures et fermetures de la chambre d'injection rapprochées et les diamètres de plus en plus réduits des orifices, il se produit dans la chambre d'injection et les orifices des phénomènes fluidiques qui perturbent la formation des jets de carburant, comme par exemple des turbulences, des pertes de charge le long de l'axe central de cette chambre, et l'apparition d'ondes de pression qui peuvent se réfléchir contre les parois de la chambre et se superposer, voire créer localement des phénomènes de cavitation, qui par obstruction partielle peuvent changer fondamentalement l'alimentation des orifices.

[0009] Par ailleurs, on notera que cette disposition des orifices dans la tête d'injection présente des avantages pour la fabrication de l'injecteur. En effet, pour réaliser un injecteur tel que celui décrit dans le document US-A-20020000483, il est nécessaire pour réaliser les différents orifices d'un groupe d'orifices d'injection, soit de modifier l'inclinaison de l'outil par rapport à l'axe central, soit d'utiliser deux outils distincts pour réaliser respectivement les premiers et les deuxièmes orifices. Tandis que pour l'injecteur réalisé selon l'invention, dans lequel l'ensemble des orifices présente une même inclinaison par rapport à l'axe central, il est seulement nécessaire d'effectuer un pivotement de l'outil autour d'un axe parallèle à l'axe central, ce qui permet une plus grande précision et une plus grande rapidité de réalisation.

[0010] Dans des formes de réalisation préférées de l'invention, on a recours, en outre, à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

• les directions de pulvérisation de l'ensemble des orifices sont comprises dans le même plan transversal à l'axe central ;
• les premier et deuxième orifices d'un groupe forment entre eux un angle α compris entre 15° et 50°, qui présente une bissectrice orientée radialement par rapport à l'axe central ;
• les groupes d'orifices d'injection sont répartis angulairement sur la périphérie de la face extérieure de manière régulière ;
• le profil, par exemple cylindrique ou conique, des premiers orifices est identique au profil des deuxièmes orifices ;
• la face extérieure présente une portion cylindrique et coaxiale à l'axe central, dans laquelle sont situés des débouchés externes des orifices d'injection ;
• la chambre d'injection présente une portion de paroi cylindrique et coaxiale à l'axe central, dans laquelle sont situés des débouchés internes des orifices d'injection ;
• les longueurs de l'ensemble des orifices d'injection sont sensiblement identiques, de sorte que les pertes de charge à travers ceux-ci sont approximativement égales entre elles quelle que soit la pression du carburant ;
• trois groupes d'orifices d'injection sont prévus, chacun des trois groupes comprenant deux orifices.

[0011] L'injecteur de carburant défini ci-dessus est particulièrement adapté pour réaliser une injection directe dans un moteur diesel en fixant le corps de l'injecteur à la culasse du moteur et en agençant la tête de l'injecteur dans la chambre de combustion.

[0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une chambre de combustion à injection directe comprenant un injecteur selon l'invention ;
• la figure 2 est une vue en coupe longitudinale agrandie de la tête pulvérisatrice de l'injecteur représenté à la figure 1, selon la ligne II-II de la figure 3 ;
• la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 2.

[0013] Sur les différentes figures, on a conservé les mêmes références pour désigner les éléments identiques ou similaires.

[0014] A la figure 1, est partiellement représentée de manière schématique une chambre de combustion d'un moteur diesel en coupe transversale. La chambre comprend une culasse 1 et un piston mobile 2 qui présente un évidement central de manière bien connue pour les moteurs diesel à injection directe.

[0015] La culasse 1 est munie d'un injecteur globalement désigné par la référence 4, qui comprend un corps 5 fixé à la culasse et une tête pulvérisatrice 6 s'étendant selon un axe central X depuis une base 6a solidaire du corps 5 jusqu'à une extrémité libre 6b agencée dans -la-- chambre de combustion. Dans le mode de réalisation représenté, l'axe central X de l'injecteur 4 coïncide avec l'axe du cylindre, mais il est parfaitement possible que l'axe central de l'injecteur soit décalé et/ou incliné par rapport à l'axe du cylindre.

[0016] La tête pulvérisatrice 6 de l'injecteur présente une surface extérieure qui, dans le mode de réalisation représenté, comprend depuis la base 6a de la tête, une portion tronconique 6c, suivie d'une portion cylindrique 6d coaxiale à l'axe central X, et terminée par l'extrémité libre 6b. La tête pulvérisatrice comporte une chambre interne 7, dite chambre d'injection.

[0017] Comme cela est mieux visible à la figure 3, la tête de l'injecteur comprend trois groupes (10,20,30) d'orifices d'injection. Chaque groupe d'orifices d'injection comprend un premier orifice (11;21;31) associé à un deuxième orifice (12;22;32).

[0018] Chacun de ces orifices (11,12,21,22,31,32) s'étend depuis un débouché interne situé dans la chambre d'injection 7 jusqu'à un débouché externe situé dans la portion cylindrique 6d de la face extérieure.

[0019] La chambre d'injection 7 est sélectivement mise en communication avec une chambre d'alimentation 8 qui contient du carburant sous haute pression, et de préférence sous une pression supérieure à mille bars. Ce carburant peut être fourni à la chambre d'alimentation 8 par tout dispositif connu et notamment par une rampe d'injection commune.

[0020] La chambre d'injection 7 est mise en communication avec la chambre d'alimentation 8 en déplaçant une aiguille 9 selon l'axe central X entre une position fermée, représentée à la figure 2, dans laquelle une portion conique 9a de l'aiguille est en appui contre un siège complémentaire séparant les chambres d'injection et d'alimentation (7,8). Les déplacements de l'aiguille 9 sont commandés par tout dispositif connu, et notamment par un dispositif électromagnétique ou piézoélectrique, commandé de préférence par un module de gestion électronique du moteur en fonction des paramètres de fonctionnement de ce dernier, qui agit soit directement sur l'aiguille 9, soit par l'intermédiaire d'un système hydraulique d'amplification.

[0021] En position ouverte, l'aiguille 9 est écartée du siège pour assurer une communication directe entre la chambre d'alimentation 8 et la chambre d'injection 7, de manière à minimiser les pertes de charge entre ces chambres. La levée de l'aiguille 9 entre la position fermée et la position ouverte, est aussi courte que possible afin de réduire le temps de vol et le temps balistique de l'aiguille.

[0022] En référence au premier groupe 10 d'orifices, le premier orifice 11 est un trou cylindrique s'étendant selon une première direction D11, qui est adapté pour pulvériser un jet de carburant selon cette direction D11. De même, le deuxième orifice 12 est adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une deuxième direction D12. Toutefois, les orifices pourraient présenter un profil conique, par exemple évasé vers le débouché externe.

[0023] Les premier et deuxième orifices 11, 12 sont agencés l'un par rapport à l'autre de manière à ce que les première et deuxième directions (D11,D12) forment un angle aigu α entre elles et s'interceptent en un point I situé à distance de la portion cylindrique 6d de la face extérieure de la tête de pulvérisation 6. Ainsi, les jets de carburant sortant par les premier et deuxième orifices (11,12) entrent en collision en créant une perte importante d'énergie cinétique du carburant liquide, et une composante de vitesse radiale par rapport à leur direction respective (D11, D12) . Ceci augmente l'atomisation du carburant en fines gouttelettes et limite la profondeur de pénétration des jets de carburant dans la chambre de combustion. On obtient ainsi une atomisation accrue favorisant un mélange plus homogénéisé, ce qui favorise une oxydation mieux contrôlée du carburant. Ceci a pour conséquence de limiter les émissions de polluants et notamment la quantité de particules.

[0024] Les deuxième et troisième groupes (20,30) d'orifices comprennent chacun un premier (21;31) et un deuxième (22;32) orifices agencés l'un par rapport à l'autre de manière analogue à ceux du premier groupe 10 d'orifices.

[0025] Comme on le voit mieux à la figure 2, l'ensemble des orifices (11,12,21,22,31,32) de chacun des groupes d'orifices (10,20,30) est situé dans un même plan, de trace P, qui est perpendiculaire à l'axe central X, les directions de pulvérisation (D11,D12,D21,D22,D31,D32) étant exactement comprises dans ce plan. Grâce à cette disposition, l'usinage des orifices peut être effectué avec des outils effectuant uniquement un mouvement de translation dans le plan P, par exemple un outil mobile selon la direction D11 et l'autre mobile selon la direction D22 de manière à réaliser simultanément les orifices 11 et 22, les autres orifices étant réalisés après une rotation de la tête 6 de l'injecteur autour de l'axe central X. Les orifices peuvent également être réalisés à l'aide d'un seul outil monté sur un support qui autorise un pivotement dans le plan P autour du point de rotation I.

[0026] Par ailleurs, on notera que cette disposition des orifices (11,12,21,22,31,32) fait que leur débouché interne dans la chambre d'injection 7 est situé au niveau d'une même position longitudinale de cette chambre, et que par conséquent l'ensemble des orifices est--alimenté sous une même pression de carburant. Ainsi, les jets produits par les premiers et deuxièmes orifices sont parfaitement simultanés et créés par une même pression de carburant. L'éclatement des jets de chacun des groupes d'orifices est donc assuré pendant toute la durée d'une injection, contrairement à certains injecteurs de l'art antérieur dans lesquels les débouchés des orifices dans la chambre d'injection sont situés à des positions longitudinales différentes, positions où la pression de carburant peut être momentanément sensiblement différente du fait de pertes de charge, de turbulences ou d'ondes de pression produites par la levée de l'aiguille. L'interception des jets provoque par ailleurs une atomisation du carburant même si la pression du carburant dans la chambre d'injection 7 n'a pas atteint la pression de fonctionnement nominale, ce qui est particulièrement avantageux pour des injections de très courte durée.

[0027] On notera également que le fait que les orifices débouchent dans la chambre d'injection 7 sensiblement à la même position longitudinale, permet de réduire la hauteur selon l'axe central X de cette chambre, et par conséquent de diminuer son volume et ainsi diminuer les pertes de carburant par les orifices entre deux injections.

[0028] Ces avantages liés à une disposition coplanaire des orifices font que l'injecteur réalisé selon l'invention est particulièrement adapté pour réaliser des injections de très courte durée et sous très haute pression. Cette structure de la tête de pulvérisation est parfaitement adaptée pour être associée à des actionneurs d'injecteur capables de réaliser une série de plusieurs injections (par exemple 5 ou 7) au cours d'un cycle, groupées en pré-injections, injection principale et post-injections.

[0029] Bien que dans le mode de réalisation préféré les directions d'injection (D11, D12, D21, D22, D31, D32) soient comprises dans le même plan P perpendiculaire à l'axe central, il est possible de prévoir que les directions s'écartent du plan P, par exemple de quelques degrés, de sorte que les débouchés externes des orifices soient en dehors de ce plan, mais à condition que les débouchés internes restent dans le même plan perpendiculaire P pour conserver les principaux avantages de la présente invention.

[0030] L'angle α formé entre le premier orifice 11 et le deuxième orifice 12 du premier groupe 10 est de préférence compris entre 15 et 50 degrés de manière à obtenir un angle de collision suffisamment important, sans toutefois augmenter de manière trop importante l'écart entre les débouchés intérieurs d'un groupe d'orifices. Bien entendu, cette plage de valeur pour l'angle α n'est pas limitative, l'angle α pouvant augmenter lorsque le diamètre de la portion cylindrique 6d de la tête augmente. Mais lorsque le diamètre de la tête pulvérisatrice augmente, il est également possible d'augmenter le nombre de groupes d'orifices, par exemple pour obtenir quatre groupes de deux orifices avec un angle α compris dans la plage indiquée.

[0031] Les premier et deuxième orifices (11,12) sont agencés entre eux et par rapport à l'axe central X de manière à ce que la bissectrice B de l'angle α formé entre eux, soit orientée radialement par rapport à l'axe central X. Ainsi, l'angle du débouché des premier et deuxième orifices (11,12) à la surface extérieure 6d de la tête 6 de l'injecteur est symétrique. D'autre part, pour une paroi d'épaisseur constante de la tête pulvérisatrice 6, la longueur des premier et deuxième orifices est identique ce qui permet d'obtenir une même perte de charge à travers ces orifices.

[0032] Les premier et deuxième orifices (11,12) sont constitués par des trous de même profil, cylindrique ou conique, ce qui limite les risques de dispersion des caractéristiques des jets selon les conditions de fonctionnement ou au cours de la pulvérisation. Par exemple, dans le mode de réalisation représenté, tous les orifices sont des trous cylindriques de même diamètre. Mais, bien entendu, la présente invention n'exclut pas des groupes d'orifices d'injection de diamètre nettement différent.

[0033] Dans le mode de réalisation représenté, la tête de l'injecteur comprend trois groupes d'orifices (10,20,30) comprenant chacun deux orifices (11,12;21,22;31,32), ce qui permet d'obtenir un mélange suffisamment homogène dans la chambre de combustion tout en minimisant le nombre d'orifices à usiner. Toutefois, il est possible de multiplier le nombre de groupes d'orifices, mais de préférence en répartissant ceux-ci de manière régulière à la périphérie de la tête de l'injecteur.

[0034] Par ailleurs, il est possible de prévoir plus de deux orifices pour chaque groupe d'orifices, par exemple un orifice principal, s'étendant par exemple selon une direction radiale par rapport à l'axe central X, encadré par deux orifices secondaires, éventuellement de diamètre inférieur, et orientés de manière à ce que les jets de carburant sortant par ces orifices secondaires interceptent le jet formé par l'orifice principal.

[0035] Dans le mode de réalisation représenté, la portion 6d de la face extérieure dans laquelle débouchent les orifices, et la face intérieure 7a de la chambre d'injection 7, sont toutes deux cylindriques et coaxiales à l'axe central X. Ainsi, lors de la fabrication de l'injecteur, il n'est pas nécessaire de repérer une position angulaire particulière par rapport à l'injecteur pour percer les orifices, seule la position angulaire par-rapport au premier orifice percé doit être respectée pour le percement des autres orifices. Ceci permet également d'obtenir une paroi d'épaisseur constante et de forme adaptée à résister aux hautes pressions. Mais, bien entendu, la tête de l'injecteur pourrait présenter une section transversale globalement triangulaire, carrée ou hexagonale en fonction du nombre de groupes d'orifices, sans sortir du cadre de la présente invention. De même, la forme extérieure de la tête de pulvérisation pourrait être différente, par exemple elle pourrait être globalement cylindrique ou conique.

Revendications

1. Injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comprenant un corps (5) destiné à être fixé au moteur et une tête pulvérisatrice (6) s'étendant selon un axe central (X) depuis une base (6a) reliée au corps jusqu'à une extrémité libre (6b), ladite tête pulvérisatrice (6) comprenant une chambre interne d'injection (7), une face extérieure libre (6c,6d) s'étendant entre la base et l'extrémité libre, et incluant une pluralité d'orifices d'injection constituée par au moins deux groupes (10,20,30) d'orifices d'injection s'étendant depuis un débouché interne situé dans la chambre d'injection (7) jusqu'à un débouché externe situé sur la face extérieure (6d), chacun desdits groupes (10;20;30) d'orifices d'injection comportant un premier orifice (11;21;31) et au moins un deuxième orifice (12;22;32) adapté pour pulvériser chacun un jet de carburant selon une première (D11;D21;D31) et une deuxième (D12;D22;D32) direction respectivement, lesdites première et deuxième directions formant entre elles un angle aigu (α), de manière à ce que les jets d'un groupe d'orifices s'interceptent dans une zone dite d'éclatement située à distance de la face extérieure, caractérisé en ce que l'ensemble des débouchés internes de ladite pluralité d'orifices, est situé dans un même plan (P) sensiblement transversal à l'axe central (X) de la tête (6) de l'injecteur.

2. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel les directions de pulvérisation (D11, D12, D21, D22, D31, D32) de l'ensemble des orifices (11,12,21,22,31,32) sont comprises dans le même plan (P) transversal à l'axe central (X).

3. Injecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premier (11;21;32) et deuxième (12;22;32) orifices d'un groupe (10;20;30) forment entre eux un angle (α) compris entre 15° et 50°, qui présente une bissectrice (B) orientée radialement par rapport à l'axe central (X).

4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les groupes d'orifices d'injection (10,20,30) sont répartis angulairement sur la périphérie de la face extérieure (6c,6d) de manière régulière.

5. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le profil des premiers orifices (11,21,31) est identique au profil des deuxièmes orifices (12,22,32).

6. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la face extérieure présente une portion cylindrique (6d) et coaxiale à l'axe central (X), dans laquelle sont situés les débouchés externes des orifices d'injection (11,12,21,22,31,32).

7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la chambre d'injection (7) présente une portion de paroi (7a) cylindrique et coaxiale à l'axe central (X), dans laquelle sont situés les débouchés externes des orifices d'injection (11, 12, 21, 22, 31, 32).

8. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les longueurs de l'ensemble des orifices d'injection (11,12,21,22,31,32) sont sensiblement identiques.

9. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel trois groupes d'orifices d'injection (10,20,30) sont prévus, chacun des trois groupes comprenant deux orifices (11,12;21,22;31,32).

10. Moteur diesel comprenant un injecteur (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (5) de l'injecteur est fixé à la culasse (1) du moteur et la tête (6) de l'injecteur est agencée dans la chambre de combustion.

Dessins