LE SYSTEME COMMON RAIL DE SIEMENS
En 2001, Siemens arrive sur le marché avec son système Common rail dit de deuxième génération avec une technique
révolutionnaire : l’injecteur piézoélectrique. Les éléments piézo-électriques sont des éléments d'origine céramique qui ont la particularité de se déformer sous l'action du passage d'un courant en quelques millisecondes.
Le système HDI siemens se caractérise par :
- Des injecteurs commandés par porte injecteur piézoélectrique
- La présence d’un régulateur de débit
- Une pression de rail pouvant atteindre 1500 bars.
Le système HDI de Siemens permet de :
- Générer et réguler la pression d’injection indépendamment du régime moteur
- Choisir librement le début et la durée de l’injection
- Commander, pour chaque injecteur, plusieurs injections sur un même cycle moteur (1 ou 2 injections pilotes, 1 injection principale, 1 post injection).
Schéma 1 : principe de fonctionnement
Le carburant est prélevé du réservoir par la pompe de gavage, passe par un filtre, puis arrive dans la pompe haute pression qui comprime le carburant (circuit bleu : basse pression) et le refoule vers l’accumulateur haute pression appelé « Rail » (rampe). Le carburant est injecté dans les chambres de combustion en temps et en quantité exacts par les injecteurs pilotés piézoélectriquement (circuit rouge : haute pression).
Chaque injecteur est commandé directement et indépendamment par le calculateur en fonction de différents paramètres tels que le régime moteur, l’accélération, la présence d’un turbo, les températures d’eau et d’air (circuit jaune : électrique).
La pompe haute pression
Schéma 2 : photo de la pompe haute pression
Elle est spécifique au système et possède trois pistons radiaux décalés de 120 degrés. Les pistons sont commandés par un excentrique via un pignon intermédiaire (de rapport de réduction k=½) entraîné par la courroie de distribution. La pompe haute pression alimente la rampe commune, le débit est bien sur lié a la vitesse du moteur, toute la haute pression sera dirigée vers la rampe commune, elle sera ensuite régulée par un régulateur de pression.
Schéma 3 : pompe haute pression
La pompe haute pression regroupe quatre éléments :
- Une pompe d’alimentation
- Trois éléments haute pression
- Un régulateur de débit carburant
- Un régulateur de pression carburant.
La partie haute pression
Schéma 4 : création de la pompe haute pression
Phase d'inspiration :
La pompe de gavage débite le carburant au travers du clapet d'aspiration. La came tourne jusqu'au point mort bas. Le ressort repousse le piston sur la came.
Le piston crée une dépression dans la chemise. Le carburant est donc aspiré dans la chemise.
Phase de refoulement :
Quand le piston est au point mort bas et la chemise pleine de gazole, il y a équilibre des pressions, le ressort de rappel ferme la soupape d’aspiration : le carburant est bloqué dans la chambre. Le piston remonte grâce à l'arbre à came ce qui comprime le carburant. Le carburant est refoulé vers la rampe commune par la soupape d’échappement. La haute pression est ainsi créée.
1) Le régulateur de débit
Le régulateur de débit carburant modifie le débit du carburant allant de la pompe d’alimentation vers la partie haute pression.
Cette régulation de débit permet de ne comprimer que la quantité de carburant nécessaire à la combustion dans le cylindre, d’où une diminution de l’échauffement du carburant et de la puissance consommée par la pompe haute pression.
Schéma 5 : régulateur de débit carburant
Le calculateur pilote le régulateur en boucle ouverte, en lui appliquant une intensité modulable sous la forme de RCO (rapport cyclique d’ouverture).
Schéma 6 : schéma bloc du régulateur de débit
Ce RCO est proportionnel à la quantité de carburant dont le système a besoin.
Schéma 7 : régulateur non commandé (RCO=0%)
Le piston repoussé par la pression du ressort ferme la connexion entre les conduits a et b.
Schéma 8 régulateur commandé (RCO>0%)
Lorsque le calculateur décide de modifier la quantité de carburant à comprimer, il envoie un courant sous forme de RCO vers le régulateur de débit. Le bobinage de ce dernier induit un champ magnétique qui repousse le piston contre le ressort. De cette façon, l’ouverture (s) est proportionnelle au courant électrique.
2) Le régulateur de pression
Le régulateur de pression permet de réguler la pression dans le rail en créant une fuite modulable vers le circuit de retour.
Schéma 9 le régulateur de pression
Le calculateur pilote le régulateur en boucle fermée par le capteur de pression rail.
Schéma: 10 bilan des forces
Schéma 11: régulateur de pression non commandé (RCO=0%)
La haute pression régnant dans le rail étant supérieure à la force de rappel du ressort, la bille du clapet s’ouvre et le carburant retourne dans le réservoir par la sortie pression retour
La rampe commune (Common Rail)
Il s'agit d'un tube de forte épaisseur en acier forgé pouvant résister à de très hautes pressions, portant à son extrémité le capteur de pression. Cette dernière alimente en permanence les injecteurs toujours sous pression.
Schéma 12 : rampe commune
L’injecteur piézoélectrique
L’injecteur lui-même est similaire à l’injecteur électromagnétique. En revanche, le porte injecteur est surmonté d’un actuateur piézoélectrique de commande. Celui-ci est composé de plusieurs centaines de couches de Quartz. Ce cristal à la propriété de se déformer lorsqu’il reçoit une impulsion électrique, c’est l’effet piézo inversé. La commande par piézoélectrique permet d’obtenir des temps de commutation très courts. Cette commande rapide et précise permet de doser très précisément la quantité de carburant injectée afin d’assurer une combustion plus douce et plus précise.
Schéma 13 : injecteur piézoélectrique
L’effet piézoélectrique
Les matériaux avec effet piézoélectrique ont été découverts par Pierre et Marie Curie en 1880. Ce sont des cristaux qui produisent un courant électrique lorsqu’ils sont déformés. Inversement, lorsqu’une tension électrique est appliquée sur le cristal, une déformation a lieu (Lippmann 1881).
Plus précisément, si l’on exerce une compression ou une traction sur certaines faces d’un cristal, on constate l’apparition de charges électriques de signes contraires sur les faces du cristal opposées.
Inversement, si l’on crée une différence de potentiel, donc un champ électrique, entre deux faces du cristal, celui-ci se déforme, c’est l’effet piézoélectrique inverse.
L’effet piézoélectrique s’explique par la capacité de certains matériaux à se polariser lorsqu’ils sont contraints mécaniquement, la charge apparaissant à leur face est proportionnelle à la déformation engendrée (modification des barycentres).
Schéma 14 : schéma de l’injecteur piézo
Principe de fonctionnement de l’injecteur piézoélectrique
Schéma 15: bilan des forces
L’aiguille de l’injecteur est soumise à trois efforts :
- F1=effort exercé sur le piston de commande par la pression régnant dans le volume de commande.
- F2=effort exercé sur la section de l’aiguille d’injecteur par la haute pression du rail
- FR=force de rappel du ressort.
De l’équilibre de ses trois forces dépend la position de l’injecteur.
Si l’injecteur est non commandé (schéma 14) :
Le Piézoélectrique de commande n’étant pas alimenté, le champignon de fermeture obture le canal de retour grâce à son ressort de rappel.
La haute pression s’installe identiquement dans la chambre de pression et dans le volume de commande à travers le gicleur Z.
Cette pression est la même partout, le canal de retour étant obturé par le champignon de commande.
La surface de contact du piston de commande étant plus importante que la surface de contact au niveau de la pointe de l’aiguille, l’injecteur reste fermé par son ressort de rappel.
Dans ce cas :
F1 = effort exercé par la pression rail sur le piston de commande.
F2 = effort exercé par la pression sur la section de l’aiguille.
FR = force de rappel du ressort.
Schéma 16 : injecteur non commandé
Si l’Injecteur est commandé (schéma 15) :
Au moment opportun, le calculateur alimente l’actuateur piézoélectrique sous une tension de 70 volts (courant de 10 A).
La décontraction du piézo lors de l’activation est de l’ordre de 50 µm, le levier amplificateur permet de multiplier par deux la course du piézo.
L’actuateur piézo via le levier amplificateur déplace le piston de commande sur le champignon de fermeture. La chambre de commande est alors en communication avec le circuit retour de carburant au réservoir.
Il s’ensuit une chute de pression dans la chambre de commande donc un chute de la force hydraulique F1. L’équilibre entre la pression exercée sur l’aiguille F2 qui n’a pas variée et la pression dans la chambre de commande F1 est rompu.
L’aiguille d’injecteur s’ouvre sous une pression rail d’environ 160 bars.
Une fois l’injecteur ouvert le carburant arrive dans la chambre de combustion par les 5 orifices de pulvérisation.
Dans ce cas :
F1 = effort exercé par la pression retour sur le piston de commande.
F2 = effort exercé par la pression rail sur la section de l’aiguille.
FR = force de rappel du ressort.
Schéma 17 : injecteur commandé
L’injection dure aussi longtemps que l’actuateur piézoélectrique reste décontracté.
Les deus gicleurs Y et Z introduisent le retard nécessaire au bon fonctionnement.
Le volume repoussé par le piston de commande et le volume passant à travers le gicleur Z doivent s’écouler à travers le gicleur Y. Donc Y est plus grand que le gicleur Z.
De ces deux orifices dépendent les vitesses d’ouverture et de fermeture.
Le débit injecté par l’injecteur dépend :
- Du temps écoulé entre l’activation du piézo et la désactivation du piézo (Ti),
- De la pression rail,
- De la vitesse d’ouverture et de fermeture de l’aiguille (rapport des gicleurs y et z),
- Du débit hydraulique de l’injecteur (nombre et diamètre des trous n=5 et ).
Le temps d’injection et la pression rail peuvent être choisis librement par le calculateur contrôle moteur, les autres paramètres sont déterminés lors de la fabrication de l’injecteur.
Le calculateur
En exploitant les informations reçues par les différents capteurs et sondes, le calculateur assure les fonctions principales suivantes :
Schéma 18: le calculateur
Le calculateur saisi les signaux envoyés par les différents capteurs et gère les sorties en fonction des critères de fonctionnement du moteur. Pour adapter la quantité de gazole, le calculateur agit sur la pression de carburant dans la rampe et sur la durée d'ouverture des injecteurs.
La quantité injectée dépend de la vitesse, de la durée d'ouverture et de fermeture de l'aiguille de l'injecteur, et de la pression de carburant dans le rail.
Le Common Rail est le seul système d’injection dans lequel la mise sous pression est indépendante de l’injection, de sorte que la pression d’injection peut être choisie en fonction du débit du carburant injecté et du régime moteur sur la plage définie par une cartographie, entre 250 bars et jusqu’à 1500 bars.
Une cartographie est un ensemble de données mis en mémoire dans le calculateur qui sert de référence à celui-ci pour commander le régulateur de façon optimal.
FONCTIONNEMENT
Principe de fonctionnement de la commande injecteur
L’étage de puissance du calculateur relié aux injecteurs comporte :
- Un hacheur électronique
- Trois transistors en commutation (T1, T2, T3) commandés par le calculateur
- Deux condensateurs C1 (1 pour 2 injecteurs)
Afin de simplifier le fonctionnement d’un injecteur piézoélectrique on remplacera celui-ci par son schéma équivalent (RC série).
