FR2922964A1

FR2922964A1 - RESONANT NEEDLE FLUID INJECTION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: FR2922964A1
Application number: FR0707642A
Authority: FR
Inventors: Andre Agneray; Nadim Malek
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-01
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: FR2922964B1; WO2009056774A1

Abstract

Un dispositif d'injection de fluide à aiguille résonante comporte un corps (10) cylindrique, un équipage mobile (11) monté coulissant dans le corps cylindrique, l'aiguille (110) étant partie de l'équipage mobile (11) et ayant une extrémité comportant une tête (111) formant clapet sur un siège (102) porté par une extrémité du corps (10) cylindrique. Le dispositif comporte en outre un actionneur (105) à matériau électro-actif et des moyens de maintien tendant à mettre la tête (111) en appui contre le siège (102). Les moyens de maintien (130) exercent une force magnétique sur l'équipage mobile (11).A resonant needle fluid injection device comprises a cylindrical body (10), a movable assembly (11) slidably mounted in the cylindrical body, the needle (110) being part of the moving assembly (11) and having a end having a head (111) forming a valve on a seat (102) carried by one end of the body (10) cylindrical. The device further comprises an actuator (105) with electroactive material and holding means tending to put the head (111) in abutment against the seat (102). The holding means (130) exerts a magnetic force on the moving element (11).

Description

Dispositif d'injection de fluide à aiguille résonante pour moteur à combustion interne. L'invention concerne un dispositif d'injection de fluide à aiguille résonante, notamment pour injecter du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, du type comportant des éléments électro-actifs pour mettre l'aiguille en résonance. On connaît de tels dispositifs d'injection, par exemple par le document FR 2 857 418. Dans cet exemple, un corps cylindrique comporte un passage axial dans lequel s'étend l'aiguille. A une extrémité de l'injecteur, le corps cylindrique comporte un siège et l'aiguille comporte une tête formant clapet avec le siège. Le passage axial est relié à une connexion d'alimentation en carburant sous haute pression. L'aiguille est fixée à une contre-masse, l'ensemble constituant un équipage mobile. Des moyens de maintien formés par un ressort tendent à maintenir la tête de l'aiguille contre le siège. Le corps cylindrique comporte un actionneur à éléments électro-actifs, par exemple piézoélectriques, apte à imprimer des oscillations ultrasonores à l'extrémité du corps cylindrique comportant le siège. Lorsque les éléments électro-actifs impriment des oscillations à l'extrémité du corps cylindrique, le siège transmet les oscillations à l'aiguille qui se met à osciller en résonance. La tête se décolle du siège par intermittence, en fonction des oscillations relatives du siège et de la tête, ce qui libère le passage pour du carburant qui est ainsi injecté. Les composants électro-actifs pourraient aussi être des composants magnétostrictifs. Le passage axial et l'étanchéité de la zone avec du carburant sous haute pression avec l'équipage mobile sont conçu pour qu'une force naisse de la pression. Cette force tend à plaquer la tête de l'aiguille contre le siège. Le document FR 2 889 257 montre une autre configuration d'injecteur à aiguille résonante, dans lequel l'actionneur fait partie de l'équipage mobile. Comme précédemment, des moyens de maintien formés par un ressort tendent à maintenir la tête de l'aiguille contre le siège. Resonant needle fluid injection device for an internal combustion engine. The invention relates to a device for injecting fluid with a resonant needle, in particular for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, of the type comprising electro-active elements for putting the needle into resonance. Such injection devices are known, for example from document FR 2 857 418. In this example, a cylindrical body comprises an axial passage through which the needle extends. At one end of the injector, the cylindrical body has a seat and the needle has a valve head with the seat. The axial passage is connected to a high-pressure fuel supply connection. The needle is attached to a counter-mass, the assembly constituting a moving assembly. Retaining means formed by a spring tend to hold the head of the needle against the seat. The cylindrical body comprises an actuator with electro-active elements, for example piezoelectric, able to print ultrasonic oscillations at the end of the cylindrical body comprising the seat. When the electro-active elements impart oscillations at the end of the cylindrical body, the seat transmits the oscillations to the needle which oscillates in resonance. The head is detached from the seat intermittently, depending on the relative oscillations of the seat and the head, which frees the passage for fuel that is thus injected. Electroactive components could also be magnetostrictive components. The axial passage and the sealing of the zone with high pressure fuel with the moving equipment are designed so that a force is born from the pressure. This force tends to press the head of the needle against the seat. Document FR 2 889 257 shows another configuration of a resonant needle injector, in which the actuator is part of the moving equipment. As before, spring-shaped holding means tend to hold the head of the needle against the seat.

Les inventeurs ont constaté que l'utilisation d'un moyen mécanique tel qu'un ressort pour appliquer la force de maintien de l'équipage mobile contre le siège perturbait le fonctionnement de l'injecteur, en particulier en faisant naître des oscillations parasites. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un injecteur à aiguille résonante dont le fonctionnement ne soit pas perturbé par des oscillations parasites. The inventors have found that the use of a mechanical means such as a spring to apply the holding force of the moving element against the seat disturbed the operation of the injector, in particular by giving rise to parasitic oscillations. It is therefore an object of the invention to provide a resonant needle injector whose operation is not disturbed by parasitic oscillations.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif d'injection de fluide à aiguille résonante, comportant un corps cylindrique, un équipage mobile monté coulissant dans le corps cylindrique, l'aiguille étant partie de l'équipage mobile et ayant une extrémité comportant une tête formant clapet sur un siège porté par une extrémité du corps cylindrique, un actionneur à matériau électro-actif, des moyens de maintien tendant à mettre la tête en appui contre le siège. Les moyens de maintien exercent une force magnétique sur l'équipage mobile. En utilisant une force magnétique pour exercer un rappel sur l'équipage mobile, on s'affranchit de l'utilisation de moyens mécaniques. Aucune masse en mouvement n'est utilisée pour appliquer la force, ce qui évite de générer des oscillations parasites. Les moyens de maintien comportent par exemple un aimant permanent coopérant avec un élément en matériau magnétique. L'aimant permanent exerce une force magnétique sur l'élément en matériau magnétique. De manière particulière, l'aimant permanent est fixé sur le corps cylindrique et l'élément en matériau magnétique est fixé à l'équipage mobile. With these objectives in view, the subject of the invention is a device for injecting fluid with a resonant needle, comprising a cylindrical body, a movable assembly slidably mounted in the cylindrical body, the needle being part of the moving assembly and having an end comprising a head forming a valve on a seat carried by an end of the cylindrical body, an actuator with electro-active material, holding means tending to put the head in abutment against the seat. The holding means exert a magnetic force on the moving element. By using a magnetic force to exert a recall on the moving equipment, it is freed from the use of mechanical means. No moving mass is used to apply the force, which avoids generating parasitic oscillations. The holding means comprise, for example, a permanent magnet cooperating with an element made of magnetic material. The permanent magnet exerts a magnetic force on the magnetic material element. In particular, the permanent magnet is fixed on the cylindrical body and the element of magnetic material is attached to the moving element.

Selon un autre exemple, les moyens de maintien comportent un aimant permanent fixé sur le corps cylindrique et un électroaimant dont le noyau est solidaire de l'équipage mobile. Une force permanente est exercée sur l'équipage mobile grâce à l'aimant permanent, et cette force peut être modulée grâce à l'électroaimant. Dans un autre exemple, les moyens de maintien comportent un aimant permanent et un électroaimant dont le noyau est l'aimant permanent. Une force permanente est exercée sur l'équipage mobile grâce à l'aimant permanent, et cette force peut être modulée grâce à l'électroaimant. La force magnétique est comprise par exemple entre une et trois fois le poids de l'équipage mobile, de préférence deux fois. L'équipage mobile est ainsi maintenu en position quelque soit la position de l'injecteur, et dans la plupart des conditions de manipulation, sans que la force soit excessive. According to another example, the holding means comprise a permanent magnet fixed on the cylindrical body and an electromagnet whose core is integral with the moving element. A permanent force is exerted on the moving equipment thanks to the permanent magnet, and this force can be modulated thanks to the electromagnet. In another example, the holding means comprise a permanent magnet and an electromagnet whose core is the permanent magnet. A permanent force is exerted on the moving equipment thanks to the permanent magnet, and this force can be modulated thanks to the electromagnet. The magnetic force is for example between one and three times the weight of the moving element, preferably twice. The moving element is thus maintained in position whatever the position of the injector, and under most handling conditions, without the force being excessive.

L'invention s'applique au dispositif où l'équipage mobile comporte l'actionneur, ou lorsque le corps cylindrique comporte l'actionneur. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un injecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2 à 6 sont des vues similaires à la figure 1 d'injecteurs conformes à un deuxième jusqu'à un sixième mode de réalisation. Un injecteur 1 conforme à un premier mode de réalisation, représenté sur la figure 1, comporte un corps 10 cylindrique creux dans lequel s'étend un équipage mobile 11. Le corps 10 comporte une buse 101 dont l'extrémité comporte une ouverture circulaire, définissant un siège 102. L'équipage mobile 11 comporte une aiguille 110 s'étendant dans la partie creuse du corps 10, en laissant un espace entre l'aiguille et le corps de manière à définir un passage axial 12 pour un fluide. L'aiguille 110 se termine à proximité du siège 102 par une tête 111 ayant un diamètre supérieur à celui de l'aiguille 110. La tête 111 et le siège 102 forment un clapet qui arrête ou libère le passage du fluide. Le corps 10 est percé, par exemple latéralement, par un conduit d'alimentation 103 mettant en communication un orifice d'alimentation 104 et le passage axial 12. L'orifice d'alimentation 104 est destiné à être connecté à une conduite hydraulique, non représentée, pour amener le fluide sous pression tel que du carburant dans le passage axial 12. The invention applies to the device where the moving element comprises the actuator, or when the cylindrical body comprises the actuator. The invention will be better understood and other features and advantages will become apparent on reading the description which follows, the description referring to the appended drawings in which: FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an injector according to a first embodiment of the invention; - Figures 2 to 6 are views similar to Figure 1 injectors according to a second to a sixth embodiment. An injector 1 according to a first embodiment, shown in FIG. 1, comprises a hollow cylindrical body 10 in which a moving element 11 extends. The body 10 comprises a nozzle 101 whose end has a circular opening defining a seat 102. The movable element 11 comprises a needle 110 extending into the hollow part of the body 10, leaving a space between the needle and the body so as to define an axial passage 12 for a fluid. The needle 110 ends near the seat 102 by a head 111 having a diameter greater than that of the needle 110. The head 111 and the seat 102 form a valve that stops or releases the passage of the fluid. The body 10 is pierced, for example laterally, by a supply duct 103 putting in communication a supply orifice 104 and the axial passage 12. The supply orifice 104 is intended to be connected to a hydraulic pipe, not shown, for bringing the pressurized fluid such as fuel into the axial passage 12.

Le corps 10 comporte en outre un actionneur 105 à éléments électro-actifs, et plus précisément à éléments piézoélectriques. Cet actionneur 105 est apte à générer des vibrations axiales sur la buse 101, de manière connue en soi. The body 10 further comprises an actuator 105 with electroactive elements, and more precisely with piezoelectric elements. This actuator 105 is able to generate axial vibrations on the nozzle 101, in a manner known per se.

L'extrémité du corps opposée à la buse 101 comporte un couvercle 13 obturant l'injecteur 1. Le couvercle 13 porte un aimant 130 permanent aligné avec l'axe de l'équipage mobile 11. L'extrémité de l'équipage mobile 11 opposée à la tête 111 est séparée de l'aimant 130 par un entrefer de faible épaisseur. L'entrefer est par exemple de 0,5 mm. L'équipage mobile 11 comporte à son extrémité un élément en matière magnétique, par exemple en acier, de manière à subir l'attraction de l'aimant 130 permanent. La taille et le magnétisme de l'aimant 130 sont ajustés pour que la force de maintien exercée sur l'équipage mobile 11 soit de l'ordre de deux fois le poids de ce dernier. Ainsi, l'aimant 130 exerce une force permanente sur l'équipage mobile 11, cette force tendant à maintenir la tête 111 de l'aiguille 110 en appui contre le siège 102, et donc à fermer l'injecteur 1, de manière à assurer l'étanchéité de l'injecteur en l'absence de pression du fluide à injecter. Dans un deuxième mode de réalisation, représenté sur la figure 2, l'injecteur 2 se distingue de celui du premier mode de réalisation par le fait que l'équipage mobile 21 comporte une aiguille 210 s'étendant dans la partie creuse du corps 20, et un actionneur 215. Cet actionneur 215 est apte à générer des vibrations axiales sur l'aiguille 210, de manière connue en soi. L'extrémité du corps 20 opposée à la buse 201 comporte un couvercle 23 obturant l'injecteur 2. Le couvercle 23 porte un aimant 230 permanent aligné avec l'axe de l'équipage mobile 21. L'extrémité de l'équipage mobile 21 opposée à la tête 211 est séparée de l'aimant 230 par un entrefer de faible épaisseur. L'entrefer est par exemple de 0,5 mm. L'extrémité de l'équipage mobile est en matière magnétique, par exemple en acier, de manière à subir l'attraction de l'aimant permanent 230. La taille et le magnétisme de l'aimant 230 sont ajustés pour que la force de maintien exercée sur l'équipage mobile 21 soit de l'ordre de deux fois le poids de ce dernier. L'effet de l'aimant permanent est le même que dans le premier mode de réalisation. Selon un troisième mode de réalisation de 6 l'invention, tel que représenté sur la figure 3, l'injecteur 3 est similaire à celui du premier mode de réalisation. Il s'en distingue par l'ajout d'un électroaimant dont le noyau comporte l'aimant permanent. Pour cela, l'électroaimant 34 comporte un enroulement 340 de fils conducteurs sous la forme d'une couronne entourant tout ou partie de l'aimant 330 permanent. Deux fils 341 d'alimentation traversent le couvercle 33 pour alimenter l'enroulement 340. Ainsi, la force de maintien de l'équipage mobile 31 peut être modulée, dans le sens d'une augmentation ou d'une diminution, selon les conditions de fonctionnement. The end of the body opposite the nozzle 101 has a cover 13 closing the injector 1. The cover 13 carries a permanent magnet 130 aligned with the axis of the moving element 11. The end of the moving element 11 opposite at the head 111 is separated from the magnet 130 by a gap of small thickness. The gap is for example 0.5 mm. The mobile element 11 comprises at its end a magnetic material element, for example steel, so as to undergo the attraction of the permanent magnet 130. The size and the magnetism of the magnet 130 are adjusted so that the holding force exerted on the moving element 11 is of the order of twice the weight of the latter. Thus, the magnet 130 exerts a permanent force on the moving element 11, this force tending to hold the head 111 of the needle 110 in abutment against the seat 102, and thus to close the injector 1, so as to ensure the sealing of the injector in the absence of pressure of the fluid to be injected. In a second embodiment, shown in FIG. 2, the injector 2 differs from that of the first embodiment in that the mobile assembly 21 comprises a needle 210 extending in the hollow part of the body 20, and an actuator 215. This actuator 215 is capable of generating axial vibrations on the needle 210, in a manner known per se. The end of the body 20 opposite the nozzle 201 comprises a cover 23 closing the injector 2. The cover 23 carries a permanent magnet 230 aligned with the axis of the moving element 21. The end of the moving assembly 21 opposite the head 211 is separated from the magnet 230 by a gap of small thickness. The gap is for example 0.5 mm. The end of the moving assembly is made of magnetic material, for example steel, so as to be attracted by the permanent magnet 230. The size and the magnetism of the magnet 230 are adjusted so that the holding force exerted on the mobile equipment 21 is of the order of twice the weight of the latter. The effect of the permanent magnet is the same as in the first embodiment. According to a third embodiment of the invention, as shown in FIG. 3, the injector 3 is similar to that of the first embodiment. It is distinguished by the addition of an electromagnet whose core includes the permanent magnet. For this, the electromagnet 34 comprises a winding 340 of conductive son in the form of a ring surrounding all or part of the permanent magnet 330. Two feed son 341 pass through the cover 33 to feed the winding 340. Thus, the holding force of the moving element 31 can be modulated, in the sense of an increase or a decrease, according to the conditions of operation.

Dans un quatrième mode de réalisation de l'injecteur 4, représenté sur la figure 4 et similaire au deuxième mode de réalisation, on ajoute également un électroaimant 44 comportant un enroulement 441 autour de l'aimant permanent 430. De même que pour le troisième mode de réalisation, la force de maintien de l'équipage mobile 41 peut être modulée, dans le sens d'une augmentation ou d'une diminution, selon les conditions de fonctionnement. Selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, tel que représenté sur la figure 5, l'injecteur 5 est similaire à celui du premier mode de réalisation. Il s'en distingue par l'ajout d'un électroaimant 54 dont le noyau est l'extrémité de l'équipage mobile 51 opposée à la tête. Pour cela, l'électroaimant 54 comporte un enroulement 540 de fils conducteurs sous la forme d'une couronne entourant ladite extrémité et fixé sur elle. Deux fils d'alimentation 541 traversent le couvercle pour alimenter l'enroulement 540. L'alimentation électrique de l'enroulement 540 permet de créer un champ magnétique dans l'extrémité de l'équipage mobile 51, champ qui vient s'ajouter ou se soustraire à celui de l'aimant permanent 530. Ainsi, la force de maintien entre le corps et l'équipage mobile peut être modulée en plus ou en moins. Dans une variante, non représentée, la couronne est fixée sur le boîtier. De la même manière, selon un sixième mode de réalisation de l'injecteur 6 représenté sur la figure 6, on peut équiper l'extrémité de l'équipage mobile 61 opposée à la tête d'un enroulement 640 similaire à celui du cinquième mode de réalisation. Le fonctionnement et les effets sont similaires à ceux du cinquième mode de réalisation. Les injecteurs selon les différents modes de réalisation peuvent être utilisés pour injecter du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. In a fourth embodiment of the injector 4, shown in FIG. 4 and similar to the second embodiment, an electromagnet 44 is also added comprising a winding 441 around the permanent magnet 430. As for the third embodiment embodiment, the holding force of the moving element 41 may be modulated, in the direction of an increase or decrease, depending on the operating conditions. According to a fifth embodiment of the invention, as shown in FIG. 5, the injector 5 is similar to that of the first embodiment. It is distinguished by the addition of an electromagnet 54 whose core is the end of the moving element 51 opposite the head. For this, the electromagnet 54 comprises a winding 540 of conductive son in the form of a ring surrounding said end and fixed on it. Two supply wires 541 pass through the cover to feed the winding 540. The power supply of the winding 540 makes it possible to create a magnetic field in the end of the moving assembly 51, which field is added or subtract from that of the permanent magnet 530. Thus, the holding force between the body and the moving element can be modulated more or less. In a variant, not shown, the ring is fixed on the housing. Similarly, according to a sixth embodiment of the injector 6 shown in FIG. 6, it is possible to equip the end of the moving assembly 61 opposed to the head of a winding 640 similar to that of the fifth embodiment of FIG. production. The operation and effects are similar to those of the fifth embodiment. The injectors according to the different embodiments can be used to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.

Claims

A resonant needle fluid injection device comprising a cylindrical body (10), a movable assembly (11) slidably mounted in the cylindrical body, the needle (110) being part of the moving assembly (11) and having an end having a valve head (111) on a seat (102) carried by one end of the cylindrical body (10), an actuator (105) of electro-active material, holding means tending to put the head (111) ) in abutment against the seat (102), characterized in that the holding means (130) exert a magnetic force on the moving element (11).

2. Device according to claim 1, wherein the holding means comprise a permanent magnet (130) cooperating with a magnetic material element (11).

3. Device according to claim 2, wherein the permanent magnet (130) is fixed on the cylindrical body (10) and the element of magnetic material is fixed to the moving element (11).

4. Device according to claim 1, wherein the holding means comprise a permanent magnet (530) fixed on the cylindrical body and an electromagnet (54) whose core is integral with the movable element (51).

5. Device according to claim 1, wherein the holding means comprise a permanent magnet (330) and an electromagnet (34) whose core is the permanent magnet (330).

6. Device according to claim 1, wherein the magnetic force is between 1 and three times the weight of the moving element (11), preferably twice.

7. Device according to claim 1, wherein the moving element (21) comprises the actuator (215).

8. Device according to claim 1, wherein the body (10) comprises cylindrical actuator (105).