Les injecteurs Pièzo électrique Common rail

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Description détaillée

Avec la sévérisation des normes anti-pollution, les équipementiers :

• Bosch,
• Siemens/Continental
• Delphi 
• Nippo Denso

ont développé un injecteur qui permet de doser plus précisément la carburant dans le moteur diesel. Ces injecteurs piezo-électrique fonctionnent plus rapidement que les injecteurs à bobine et permettent un découpage de l'injection en de nombreuses phases (multiples pré et post injections).

Présentation d'un injecteur Common rail piezo (exemple Siemens).

Composé d'une partie supérieure (commande électrique) et d'une partie inférieure (injecteur à trous) l'injecteur common rail piézo-électrique est constitué des éléments suivants :
1) Aiguille d'injecteur
2) Chambre de pression
3) Piston de commande de l'aiguille
4) Ressort d'injecteur
5) Ajustage du circuit d'alimentation
6) Raccord à haute pression (branché sur le rail)
7) Chambre de commande
8) Ajustage du circuit de retour
9) Champignon (ou noyau) de commande
10) Actionneur piézo-électrique
11) Connecteur de l'actionneur (relié au calculateur)
12) Retour de carburant
13) Ecrou de fixation de la buse de l'injecteur
14) Buse de l'injecteur
15) Orifices d'injection
16) Porte injecteur
17) Piston de commande

Rappel sur le principe de fonctionnement des injecteurs Common rail.

1 - Injecteur fermé: l'actionneur n'est pas pilotée (Champignon ou noyau de commande (9) fermé). La pression de la chambre de commande (7) est égale à la pression de la chambre de pression (2). La pression sur le piston de commande de l'aiguille (3) et le ressort (4) maintiennent l'aiguille de l'injecteur sur sa portée d'étanchéité.
Dans ce cas: F1+Fr > F2 = injecteur fermé
2 - Ouverture de l'injecteur : Piloté par le calculateur, l'actionneur piezo électrique déplace le champignon ou noyau de commande (9). La pression dans la chambre de commande (7) chute par l'ajutage du circuit de retour (8) , la force F1 sur le piston de commande de l'aiguille (3) diminue. Le piston de commande et l'aiguille de l'injecteur se soulèvent. L'ajutage du circuit d'alimentation (5) évite l'équilibrage des pressions. L'aiguille de l'injecteur dégage les orifices d'injection, le carburant est injecté dans le moteur.
Dans ce cas: F1+Fr < F2 = injecteur ouvert
3 - Fermeture de l'injecteur : le calculateur commande l'actionneur piezo électrique pour fermer le champignon ou noyau de commande (9), l'ajutage du circuit de retour (8) se ferme, permettant à la pression dans la chambre de commande de redevenir identique à la pression du rail (6). L'équilibre des pressions est de nouveau rétabli, la force F1 sur le piston de commande de l'aiguille (3) redevient élevée. L'aiguille de l'injecteur ferme les orifices d'injection.
Dans ce cas: F1+Fr > F2 = injecteur fermé.

Nota: Lorsque les pressions sont identiques dans les chambres de commande (7) et de pression (2), la force F1 est toujours supérieure à la force F2, car la surface d'application de la pression sur le piston de commande de l'aiguille (3) et plus grande que la surface d'application de la pression sur le cône de l'aiguille de l'injecteur (1). Le ressort de l'injecteur (4) sert également à maintenir l'aiguille de l'injecteur fermée (étanchéité de l'injecteur) lorsqu'il n'y a pas de pression dans le rail (moteur arrèté).

Comment fonctionne l'actuateur pièzo électrique?
Pierre Curie et son frère Jacques ont découvert en 1880 un phénomène qui, s'il est connu de quelques initiés, est présent aujourd'hui dans le vie quotidienne de millions de personnes: l'effet piézo-électrique ( ex: les aiguilles des montres à quartz).
Certains cristaux (ex: le quartz et la tourmaline) sont piézo-électriques: une déformation ou une élongation le long de certains axes du cristal induit des charges électriques à la surface de celui-ci.
L'effet piézo: Si on compresse le matériau, on relèvera une certaine tension à ses bornes. Et inversement, si on étire ce même matériau, on aura une tension de sens inverse.
L'effet piézo inversé: Si une tension est appliquée sur le matériau, il s'en suit un allongement du cristal. Et inversement, si une tension de sens inverse est appliquée sur ce matériau il s'en suit une contraction du cristal.

Dans le cas des injecteurs piézo-électriques les deux effets sont combinés. Une première couche de quartz est alimentée par le calculateur de contrôle moteur, la déformation engendrée va contraindre mécaniquement à son tour la couche adjacente, cette dernière déformée mécaniquement va fournir une tension. Cette tension va s'ajouter à la tension d'alimentation fournie par le calculateur, ainsi le phénomène va se reproduire environs 200 fois (suivant le nombre des couches de quartz). Donc dans le cas des injecteurs piézo-électriques, la tension entraîne une déformation qui à son tour entraîne une tension. Ainsi on obtient une déformation d'environs 50 µm.

L'actuateur piézo-électrique.

Un actuateur est constitué d'une pile d'env. 350 couches céramiques (empilement piézoélectrique) ayant chacune une épaisseur de 80 µm. Après avoir activé la tension de commande, l'actuateur s'allonge d'une longueur pouvant atteindre 50 µm. En raison de cette faible distance, toutes les faces de dépouille doivent être rectifiées à 1µm près. Cela représente un grand défi pour la technologie de production. Cet empilement piézoélectrique est pourvu de contacts et pour protéger les éléments en céramique contre des dommages mécaniques, il est coulé dans un élément en plastique.

 

1. Couche céramique non traité
2. Couches céramiques plaquées en argent
3. Couches céramiques empilées
4. Couche céramique frittée


Au cours du fonctionnement, des forces accélératrices pouvant atteindre 1000 G apparaissent. Afin d'éviter des tensions à l'intérieur des éléments céramiques en présence de ces contraintes, un tube-ressort est monté autour de l'actuateur, permettant de garantir une précontrainte constante. Les deux plaques d'extrémité servent de butées. De plus, les forces piézoélectriques qui commandent la soupape hydraulique sont dirigées vers l'extérieur par les plaques.

 

1. Empilement piézo-électrique avec contacts
2. Empilement piézo-électrique, monté
3. Empilement piézo-électrique, monté - coulé dans le silicone
4. Empilement piézo-électrique - plaque supérieure
5. Empilement piézo-électrique - plaque inférieur


Une membrane en acier (7) permet d'isoler de manière hermétique l'actuateur (1) du carburant. Le tube-ressort entourant l'empilement piézoélectrique forme avec le carter extérieur (2), les contacts (3) et la fiche (4) l'unité d'entraînement de l'injecteur. Avec le carter, on obtient ainsi un module d'entraînement compensé en température et protégé contre les influences mécaniques.

1. Actuateur
2. Carter
3. Contact électrique
4. Fiche
5. Ecrou raccord
6. Joint torique
7. Membrane


La buse et l'aiguille de l'injecteur.
L'aiguile d'un injecteur d'un véhicule diesel effectue plus d'un milliard de course d'ouverture et de fermeture pendant sa "vie d'injection". Elle doit assurer l'étanchéité jusqu'à 2050 bar et subir une certain nombre de contraintes:
- absorption des chocs d'ouverture et de fermeture rapides (sur une voiture, ils se produisent jusqu'à 10000 fois par minute si le moteur fonctionne avec pré-injection et post-injection).
- résistance aux contraintes d'écoulement élevées lors de l'injection et tenue à la pression et à la température dans la chambre de combustion

Quelques valeurs propres au injecteurs :
L'injecteur subit des pressions de l'ordre de 2050 bar, pour assurer l'étanchéité entre l'aiguile et la buse (12) le jeu fonctionnel est de 0,002 mm (Cheveu humain 0,06mm de diam.). Des volumes de carburant de l'ordre de 50 mm3 sont refoulés via les orifices d'injection (10) (d'une section d'environ 0,110 mm2) en moins de 2 ms à la vitesse de 2000 km/h.
Toutes ces contraintes imposent un grand savoir faire dans les domaines du développement, de la science des matériaux, de la fabrication et des méthodes de mesure.

1. Aiguille d'injecteur
2. Corps d'injecteur
3. Surface d'étanchéité haute pression
4. Buse d'injection à aiguille
5. Orifice haute pression
6. Chambre de pression
7. Épaulement de la buse
8. Fût du corps d'injecteur
9. Pointe de la buse
10. Orifice d'injection
11. Logement de l'aiguille
12. Jeu entre la buse et l'aiguille de l'injecteur


Les orifices d'injection
Il faut tenir compte des conditions marginales suivantes pour la conception de la buse et la position, la forme et le nombre de trous de l'injecteur :

- Volume de la chambre de combustion
- Forme du piston
- Débit d'injection requis
- Quantité d'injection requise

Sur les moteurs actuels des voitures particulières, les buses présentent jusqu'à huit orifices d'injection dont le diamètre peut descendre jusqu'à 110 µm. Les orifices d'injection sont effectués au cours d'un processus d'électroérosion qui permet également de réaliser des trous coniques.
Lors de l'usinage des orifices d'injection, on obtient une arête vive sur le côté intérieur de la buse. Cette arête influence considérablement le débit. Par conséquent, les buses sont ensuite encore arrondies grâce à l'hydro-érosion. Ce procédé permet d'obtenir les améliorations suivantes :

- Limitation de la tolérance du débit hydraulique
- Anticipation de l'arrondi des arêtes pendant le fonctionnement
- Augmentation du coefficient de débit
- Diminution de la rugosité de la surface des orifices d'injection

L'illustration A montre un orifice d'injection cylindrique avec un faible arrondi.
L'illustration B représente un orifice d'injection conique avec le même arrondi que celui de l'illustration A. Grâce à la seule conicité, il est déjà possible ici d'atteindre un rendement plus élevé.
L'illustration C montre un orifice d'injection avec un arrondi plus important. L'agrandissement de l'arrondi par rapport à l'illustration B permet d'augmenter encore le rendement.

Fonctionnement et particularité de l'injecteur piézo-électrique SIEMENS.
Avec l'animation fournie, visualisez toutes les phases de fonctionnement d'un injecteur piézo électrique.

Injecteur non commandé
La haute pression de carburant en provenance du Rail arrive via l'arrivée haute pression (6) dans la chambre de commande (7) et dans la chambre de pression (2) de la buse. L'orifice du retour de carburant (12) est fermé par le champignon de commande (9) au moyen d'un ressorts. La force hydraulique (F1) exercée par la haute pression du carburant sur le piston de commande de l'aiguille dans la chambre de commande (7) est plus importante que la force hydraulique (F2) exercée sur le cône de l'aiguille de l'injecteur dans la chambre de pression (2), étant donné que la surface du piston de commande de l'aiguille dans la chambre de commande est plus grande que la surface du cône de l'aiguille de l'injecteur.
Les orifices de l'injecteur sont fermés.

Injecteur commandé
L'actuateur piézoélectrique (10) appuie sur le piston de commande (17), le champignon de commande (9) ouvre l'orifice reliant la chambre de commande (7) à la conduite de retour de carburant. Ceci entraîne une chute de pression dans la chambre de commande et la force hydraulique (F2x) exercée sur le cône de l'aiguille de l'injecteur est supérieure à la force (F1x) exercée sur le piston de commande de l'aiguille dans la chambre de commande. L'aiguille d'injecteur (1) se déplace vers le haut et le carburant parvient dans la chambre de combustion par les orifices d'injection. Lorsque le moteur est arrêté, le champignon reliant la chambre de commande au retour de carburant et l'aiguille de l'injecteur sont fermées par la tension des ressorts.

Nota: Sur les première générations d'injecteurs Siemens, le nombre de couche de quartz dans l'actionneur était de 200 environ (contre 400 pour les versions actuelles). Cela limitait la dilatation totale de l'élément piézo pour déplacer le piston de commande. Pour palier à cet inconvénient, les premiers injecteurs étaient équipés d'un levier amplificateur (L) entre l'actuateur piézo et le piston de commande. Ce levier faisait office de bras de levier pour augmenter la course du piston de commande par rapport à la dilatation de l'actuateur piézo.

Fonctionnement et particularité de l'injecteur piézo-électrique BOSCH.
Constitution de l'injecteur piézo électrique bosch:
1) Aiguille de l'injecteur
2) Ressort de l'aiguille de l'injecteur
3) Valve d'asservissement
4) Coupleur hydraulique
5) Actionneur piézo-électrique
6) Retour du carburant sous pression (10 bar)
7) Arrivée haute pression (avec filtre tige)
8) Raccord haute pression
9) Sortie de carburant sous pression (10 bar)
10) Connecteur électrique de l'actionneur piézo.

Structure de l'actuateur piézo:
Electrode positive et négative:
L'électrode extérieure positive et négatives relie toutes les électrodes internes en une seule unité. Elle est conçue de telle façon à pouvoir s'adapter à la variation de longueur de la céramique Piézo. Les électrodes internes ont une épaisseur d 'env. 1-2 µm.
Elément Piézo:
L'assemblage des éléments forment l 'actuateur Piézo et sont composé de céramique Piézo ( Pb-Zr-Ti ) et dispose d'env. 350 "layers" (couches de piézo). L'élément Piézo est complétement séparé du gazoil. Pour transmettre le mouvement longitudinale au coupleur hydraulique il est doté d'une capsule élastique.
Données techniques:
- Course /levé vide: 45 µm      - Temps de charge: 100 µs
- Diamètre: 7 mm                  - Longueur: 32.5 mm
- Courant: max. 15 A             - Capacité: < 4,7 µF
- Tension d'aliment.: < 200 V  - Quantité de fuite < 0.1 l/h
5) Element pièzo
5a) Electrode négative
5b) Electrode positive
5c) Poussoir
5d) Capsule élastique
10) Connecteur électrique de l'actionneur piézo.

Description de fonctionnement coupleur hydraulique
Le coupleur hydraulique transmet la force de l 'actuateur Piézo et la réduit d 'un facteur (p.ex. 1,401) en relation du diamètre respectif des pistons (p.ex.: 5,8 et 4,9 mm). En même temps est augmenté la course du piston par le facteur 1,401. Par la sélection, conception de différents diamètres il est possible d 'adapter la levé et la force agissant sur la soupape d 'asservissement.
De ce fait il est également possible d 'adapter la caractéristique de l 'injecteur aux conditions d 'utilisation spécifiques. Le coupleur hydraulique compense un jeu éventuellement existant ( p. ex. une dilatation thermique, dilatation longitudinale,...).
Le coupleur hydraulique est positionné dans le secteur basse pression et est soumis à une pression d 'environ 10 bar. Cette pression est influencée par un étangleur dans le retour des injecteurs. De cette façon est garantie, que le coupleur hydraulique est toujours rempli de carburant et qu 'il ne contient pas d 'air.
4a) Piston émetteur à Ø 5,8 mm
4b) Chambre de pression
4c) Ressort cylindrique
4e) Piston récepteur à Ø 4,9 mm
4d) Ressort hélicoïdale

Le module coupleur se comporte comme un vérin hydraulique. Il est constamment soumis à l'action d'une pression du carburant de 10 bar par un régulateur de pression dans le retour. Le carburant joue le rôle de tampon de pression entre le piston émetteur «4a» et le piston récepteur «4e» du module coupleur.
Dans le cas d'un injecteur fermé à vide (air dans le système), le lancement au régime du démarreur provoque la purge d'air de l'injecteur (1). Par ailleurs l'injecteur est rempli à l'aide de la pompe à carburant immergée dans le réservoir, via le clapet de maintien de pression dans le sens opposé à l'écoulement du carburant (2).

La soupape d'asservissement est commandée par le coupleur hydraulique, et commande à son tour à l'aide de divers étranglements, la pression reignant dans la chambre de commande de l'aiguille de l'injecteur.
3) Soupape d'asservissement
7) Arrivée de la haute pression
3a) Etranglement d'arrivée
3b) Etranglement d'écoulement
3c) By-pass
3d) Retour de carburant
3e) Chambre de commande de l'aiguille d'injecteur.

Fonctionnement de l'injecteur piezo-électrique Bosch.
Moteur arrêté, injecteurs non actionnés. Le système d'injection est rempli de carburant, toutefois sans pression (à la pression atmosphérique). La soupape d'asservissement est fermée sous l'action de son ressort, et l'aiguille de l'injecteur obture les orifices d'injection sous la pression de son ressort. Il n'y a pas d'injection.
Le moteur tourne, les injecteurs ne sont pas actionnés. La pression de rail produite par la pompe haute pression arrive, via l'étranglement d'arrivée, dans la chambre de commande et donc à l'aiguille de l'injecteur. Du fait des conditions de pression, l'aiguille de l'injecteur reste fermée, il n'y a pas d'injection.
Injecteurs piézo-électrique actionnés
Soumis au courant, le piézoactionneur s'allonge, appuie avec le coupleur hydraulique sur la soupape d'asservissement, obturant le by-pass. Par l'étranglement d'écoulement, la pression chute dans la chambre de commande, l'aiguille de l'injecteur se soulève et l'injection commence. La vitesse d'ouverture de l'aiguille de l'injecteur est déterminée par le rapport entre la section de l'étranglement d'écoulement et la section de l'étranglement d'arrivée.La quantité de carburant déviée revient au réservoir de carburant via le retour de carburant. Le maintien de la tension de commande détermine la durée d'injection et la quantité injectée.
Fin d'actionnement des injecteurs piézo-électrique
Le piézoactionneur se rétracte lorsque la commande électrique à ses bornes est inversées. La soupape d'asservissement ouvre le by-pass et obture la chambre de commande. Par l'étranglement d'écoulement, l'étranglement d'arrivée et le by-pass, la pression dans la chambre de commande monte jusqu'au niveau de la pression de rail, et l'aguille de l'injecteur se ferme. L'injection est terminée. La fermeture particulièrement rapide est obtenue parce que la chambre de commande est mise à la pression de rail simultanément par l'étranglement d'arrivée, l'étranglement d'écoulement et le by-pass.

Principe de commande électrique des actionneurs piézo-électrique.
Position repos:
L'étage de puissance du calculateur relié aux injecteurs comporte :
• Un hacheur électronique, il fournit la tension « boost » de 70 volts
• Trois transistors de commutation (T1, T2, T3) commandés par le calculateur
• Deux condensateurs C1 (un pour 2 injecteurs)
Afin de simplifier le fonctionnement d'un injecteur piézo-électrique, on remplacera celui-ci par son schéma équivalent. Dans ce type de montage, il s'agit d'un condensateur et d'une résistance branchés en série.

Ouverture de l'injecteur:
Au moment de l'injection, le calculateur ferme les transistors T1 et T3, l'injecteur Piézo-électrique se charge, il s'établit alors un courant de charge de 10 A.
Ce temps de commutation très court (inférieur à 200 micros secondes) est le temps nécessaire à la décontraction totale du Piézo, donc à l'ouverture de l'injecteur. C'est le temps nécessaire à  l'établissement d'une tension de 140 volts aux bornes de l'injecteur et à la charge du condensateur C1

Maintient de l'ouverture de l'injecteur:
Après le temps de commutation (env. 200us) le calculateur moteur ouvre le transistor T1, le courant de charge cesse, l'injecteur piézo-électrique reste chargé par C1.
La durée de maintien est gérée par le calculateur moteur. Elle correspond à la durée d'injection (Ti) déterminée par avance en fonction du débit à injecter.

Fermeture de l'injecteur:
La fermeture de l'injecteur est déterminée par le calculateur de contrôle du moteur. Il va fermer au moment opportun le transistor T2 qui engendre la décharge de l'injecteur et du condensateur C1 via T2 avec un courant de décharge en sens inverse d'environ 10 A.
Après une période de décharge très rapide (inférieure 200 us), l'actuateur Piézo-électrique retrouve sont état initial. L'injection de carburant cesse.

Particularité de l'injecteur piézo-électrique Delphi.
L'amplificateur hydraulique du Bosch ou le lievier du Siemens ne sont pas utilisé : l'aiguille est actionnée directement par l'élément piézo. Le temps de réponse est diminué.
exemple de montage : Mercedes moteur 2.2L (version 250CDI)

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Méthodes et pratiques

Contrôler la résistance et la capacité des injecteurs avec un multimètre, et sa commande électrique avec un oscilloscope.
Effectuer le remplacement des injecteurs défectueux
Coder les injecteurs si nécessaire à l'aide d'une valise de diagnostic.
Réparer les injecteurs en remplaçant les éléments internes défectueux.
Le remplacement des injecteurs s'effectue dans les ateliers de réparation automobile, en respectant les conditions d'hygiènes et de sécurité préconisés.
Pour la dépose des injecteurs, des arraches à inertie peuvent être utilisés lorsque la dépose est rendu difficile par l'accumulation de suies au niveau de la buse de l'injecteur (la dépose "moteur chaud" si cela est possible est conseillée).
Chaque injecteur neuf, avant de le reposer sur la culasse, doit être muni d'une rondelle pare feux neuve. Le logement dans la culasse doit être parfaitement propre pour recevoir l'injecteur neuf.

Contrôle et diagnostic:
Sur un injecteur piézo électrique, ont peut contrôler les caractéristiques électriques de l'actionneur piézo en mesurant sa résistance et sa capacité.

Exemples:
SIEMENS    résistance = 200 kohms
                     capacité    = 4,38 µF
BOSCH       résistance    = 180 kohms
                     capacité    = 3,10 µF

Il est possible, à l'aide d'un oscilloscope et d'une pince ampèremétrique (petit calibre) de mesurer la commande en tension et en intensité sur chaque injecteur (voir exemple).

La réparation des injecteurs n'est possible que si l'équipementier l'autorise, et si les ateliers spécialisés sont équipés du matériel nécessaire à la réfection de ces injecteurs. La réparation de l'actionneur piézo-électrique n'est pas possible en après-vente.

Le codage des injecteurs:
Pour les injecteurs Common rail bosch piézo, un code IMA (Injektor Mengen Abgleich) est atribué à chaque injecteur. Ce code doit être rentrée dans le calculateur avec une valise de diagnostic, pour qu'il connaisse la position sur le moteur de chaque injecteur. Ce code correspond à la caractéristique électro-hydraulique de l'injecteur, et permet un dosage plus précis du carburant dans le moteur. Ce même type de codage est présent sur les injecteurs piézo Nippo denso. 
Pour les injecteurs Siemens un chiffre est présent sur certains models, et doivent être identique sur le même moteur (pas d'opération de codage). 

Sur les injecteurs Siemens, il est possible de contrôler le débit de retour hydraulique des injecteurs, en utilisant des éprouvettes. Cela permet de connaitre le niveau d'étanchéité de chaque injecteur. Ce contrôle est à effectuer lorsque le système de gestion moteur détecte des chutes de pression dans la rampe.

Exemple pour des injecteurs Siemens sur un moteur chaud tournant au ralenti:
Débit de retour maxi sous 3 min : 18 ml

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Impact sur les compétences en atelier

Les RA1, RA2, MRA, spécialistes et véhicules industriels doivent :

• Savoir lire un schéma électrique et la documentation technique.
• Savoir appliquer une méthode de diagnostic.
• Savoir utiliser une valise de diagnostic.
• Savoir utiliser les outils de mesures électriques (multimètre, oscilloscope).
• Savoir appliquer une méthode de dépose repose.

Pour les spécialistes (diésélistes) il faut en plus, être en mesure de réparer les Injecteurs piézo-électrique, et d'effectuer leurs contrôles sur des bancs spécifiques.

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Exemple d’outillage approprié

Pour RA1, RA2, MRA et Véhicules industriels:

• Valise de diagnostic.
• Documentation technique.
• Multimètre.
• Oscilloscope.
• Eprouvettes graduées.

Pour les spécialistes :
Banc de contrôle des injecteurs, et appareil de démontage spécifique.