FR2924176A3

FR2924176A3 - Fluid e.g. pressurized liquid fuel, injecting device e.g. injector, for internal combustion engine, has actuator for placing resonant needle in axial oscillation, and bellow forming sealing between mobile element and end of nozzle tip

Info

Publication number: FR2924176A3
Application number: FR0759353A
Authority: FR
Inventors: Andre Agneray; Nadim Malek
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-05-29

Abstract

The device has a mobile element slidingly mounted in a hollow cylindrical body and comprising an actuator for placing a resonant needle in an axial oscillation, where the actuator is made of electroactive material. The needle extends in a circulation conduit of a nozzle tip for circulating the fluid and comprises an end with a head. The head forms a valve on a base carried by an end of the nozzle tip, and a bellow (14) forms a sealing between the mobile element and another end of the nozzle tip.

Description

Dispositif d'injection de fluide à aiguille résonnante pour moteur à combustion interne. L'invention concerne un dispositif d'injection de fluide à aiguille résonnante, notamment pour injecter un fluide tel que du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, du type comportant des éléments électroactifs pour mettre l'aiguille en résonnance. On connaît de tels dispositifs d'injection, par exemple par le document FR 2 889 257. Dans cet exemple, un corps cylindrique comporte un conduit de circulation 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 conduit de circulation est relié à une connexion d'alimentation en carburant sous haute pression. L'aiguille est fixée à un actionneur à éléments électro-actifs, par exemple piézoélectriques, et 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. L'actionneur est apte à imprimer des oscillations ultrasonores axiales à l'aiguille. Lorsque les éléments électro-actifs impriment des oscillations à l'aiguille, 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 contenu dans le conduit de circulation. Le carburant est ainsi injecté dans la chambre de combustion. Les composants électro-actifs pourraient aussi être des composants magnétostrictifs. Les inventeurs ont constaté que l'étanchéité du conduit de circulation entre l'aiguille et la buse, au niveau de la deuxième extrémité de la buse, n'est pas parfaite, du fait que l'aiguille doit être mobile par rapport à la buse et qu'un jeu fonctionnel doit subsister entre elles. De ce fait, un logement de l'actionneur est alimenté en fluide par des suintements en provenance du conduit de circulation. Il est nécessaire de prévoir le recyclage de ce fluide. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un injecteur à aiguille résonnante dont l'étanchéité soit mieux assurée. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif d'injection de fluide à aiguille résonnante, comportant une buse, un équipage mobile monté coulissant dans un corps cylindrique, l'équipage mobile comportant l'aiguille et un actionneur à matériau électro-actif pour mettre l'aiguille en oscillation axiale, l'aiguille s'étendant dans un conduit de circulation de la buse pour le fluide et ayant une extrémité comportant une tête formant clapet sur un siège porté par une première extrémité de la buse, caractérisé en ce que le dispositif comporte un soufflet réalisant une étanchéité entre l'équipage mobile et la deuxième extrémité de la buse. 2 Le soufflet permet d'assurer une étanchéité totale, tout en permettant le libre coulissement de l'équipage mobile dans les conditions de fonctionnement de ce dernier. 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 a fluid such as fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, of the type comprising electroactive elements for resonating the needle. . Such injection devices are known, for example from document FR 2 889 257. In this example, a cylindrical body comprises an axial circulation duct in 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 circulation duct is connected to a high-pressure fuel supply connection. The needle is attached to an actuator with electro-active elements, for example piezoelectric, and a counter-mass, the assembly constituting a moving element. Retaining means formed by a spring tend to hold the head of the needle against the seat. The actuator is able to print axial ultrasonic oscillations to the needle. When the electro-active elements print oscillations with the needle, 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 contained in the conduit. The fuel is thus injected into the combustion chamber. Electroactive components could also be magnetostrictive components. The inventors have found that the sealing of the circulation duct between the needle and the nozzle, at the second end of the nozzle, is not perfect, because the needle must be movable relative to the nozzle and that a functional game must exist between them. As a result, a housing of the actuator is supplied with fluid by seeps from the circulation duct. It is necessary to provide for the recycling of this fluid. It is therefore an object of the invention to provide a resonant needle injector whose sealing is better ensured. With these objectives in view, the subject of the invention is a device for injecting fluid with a resonant needle, comprising a nozzle, a movable assembly slidably mounted in a cylindrical body, the mobile assembly comprising the needle and a material actuator. electro-active device for axially oscillating the needle, the needle extending into a nozzle circulation duct for the fluid and having an end having a valve head on a seat carried by a first end of the nozzle, characterized in that the device comprises a bellows providing a seal between the moving element and the second end of the nozzle. 2 The bellows makes it possible to ensure a complete watertightness, while allowing the free sliding of the mobile equipment in the operating conditions of the latter.

De manière particulière, le diamètre intérieur du soufflet est supérieur au diamètre intérieur du siège. Ainsi, lorsque l'intérieur du soufflet est soumis à la pression du fluide, il a tendance à s'allonger et exerce une force axiale sur l'équipage mobile. Comme sa section intérieure projetée dans le sens axial est supérieure à celle sur laquelle le fluide exerce aussi sa pression sur l'équipage mobile, la force résultante tend à tirer l'aiguille et à plaquer la tête de l'aiguille sur le siège. On assure ainsi une bonne fermeture de l'injecteur dès que le fluide est sous pression. L'équipage mobile est par ailleurs maintenu en place par des moyens de rappel tels qu'un ressort utilisé classiquement dans ce but. In particular, the internal diameter of the bellows is greater than the inside diameter of the seat. Thus, when the interior of the bellows is subjected to the pressure of the fluid, it tends to elongate and exerts an axial force on the moving element. As its axially projected inner section is greater than that on which the fluid also exerts its pressure on the moving assembly, the resultant force tends to pull the needle and to press the head of the needle onto the seat. This ensures a good closure of the injector as soon as the fluid is under pressure. The moving element is also held in place by return means such as a spring conventionally used for this purpose.

Selon une disposition particulière, le soufflet comporte à ses extrémités respectives un premier collet et un deuxième collet. Le corps du soufflet peut ainsi être souple, avec une faible épaisseur de matière, tandis que les collets rapportés et qui servent à la fixation du soufflet peuvent être plus massifs et résistants. A titre d'exemple, le soufflet est soudé sur les collets. Une soudure du type au laser ou par TIG sont adaptées. According to a particular arrangement, the bellows comprises at its respective ends a first collar and a second collar. The body of the bellows can thus be flexible, with a small thickness of material, while the collars reported and used for fastening the bellows can be more massive and resistant. For example, the bellows is welded to the collars. Laser or TIG type welding are suitable.

Par ailleurs, les collets peuvent être fixés sur l'actionneur ou la buse par soudure, collage ou emmanchement forcé. L'injecteur est conçu pour fonctionner à une fréquence d'opération à laquelle l'actionneur est destiné à être excité. Cette fréquence d'opération conditionne en particulier les caractéristiques de l'aiguille telles que sa longueur en lien avec son matériau. De manière particulière, le soufflet maintenu fixe à une extrémité et libre à l'autre a une fréquence de résonnance axiale proche de la fréquence d'opération caractérisant l'équipage mobile. On évite ainsi de perturber le fonctionnement en résonnance de l'aiguille. La fréquence de résonnance du soufflet peut être ajustée par le choix du matériau qui détermine la masse volumique et son module d'élasticité, par la géométrie du soufflet et par son épaisseur. Selon une disposition constructive, l'aiguille est assemblée à l'actionneur par vissage. Ce peut être un goujon qui est vissé dans l'actionneur et dans l'aiguille, ou une tige filetée de l'actionneur ou de l'aiguille qui est vissée dans l'autre élément. Pour fabriquer le soufflet, on peut le faire par hydroformage, en déformant un manchon cylindrique dans une matrice, ou par soudure de bagues à section en arc ouvert vers l'intérieur ou vers l'extérieur. 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 4 d'un injecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue du détail II de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 d'un deuxième mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'un troisième mode de réalisation de l'invention. Un injecteur 1 conforme à un premier mode de réalisation, représenté sur les figures 1 et 2, comporte un corps 10 cylindrique creux dans lequel s'étend un équipage mobile 11. Le corps 10 comporte une buse 101 dont une première extrémité comporte une ouverture circulaire, définissant un siège 102. Furthermore, the collars can be fixed on the actuator or the nozzle by welding, bonding or forced fitting. The injector is designed to operate at an operating frequency at which the actuator is intended to be energized. This frequency of operation conditions in particular the characteristics of the needle such as its length in relation to its material. In particular, the bellows held fixed at one end and free to the other has an axial resonance frequency close to the operating frequency characterizing the moving element. This avoids disturbing the resonant operation of the needle. The resonance frequency of the bellows can be adjusted by the choice of the material which determines the density and its modulus of elasticity, by the geometry of the bellows and by its thickness. According to a constructive arrangement, the needle is assembled to the actuator by screwing. This can be a stud that is screwed into the actuator and into the needle, or a threaded rod of the actuator or needle that is screwed into the other element. To manufacture the bellows, it can be done by hydroforming, by deforming a cylindrical sleeve in a matrix, or by welding of open-arc section rings inwards or outwards. The invention will be better understood and other features and advantages will appear on reading the description which follows, the description referring to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a longitudinal sectional view 4 of an injector according a first embodiment of the invention; FIG. 2 is a view of detail II of FIG. 1; - Figure 3 is a view similar to Figure 2 of a second embodiment of the invention - Figure 4 is a view similar to Figure 2 of a third embodiment of the invention. An injector 1 according to a first embodiment, shown in FIGS. 1 and 2, comprises a hollow cylindrical body 10 in which a moving element 11 extends. The body 10 comprises a nozzle 101 whose first end comprises a circular opening. defining a seat 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 conduit de circulation 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 latéralement par un conduit d'alimentation 103 mettant en communication un orifice d'alimentation 104 et le conduit de circulation 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 conduit de circulation 12. L'équipage mobile 11 comporte un actionneur 115. Cet actionneur 115 est apte à générer des vibrations axiales sur l'aiguille 110, de manière connue en soi. L'actionneur 115 et l'aiguille 110 sont assemblés entre eux par l'intermédiaire d'un goujon 116 fileté et vissé dans l'axe de l'équipage mobile 11. L'extrémité du corps opposée à la buse 101 comporte un couvercle 13 obturant l'injecteur 1. Le couvercle 13 porte un ressort 130 aligné avec l'axe de l'équipage mobile 11. Le ressort 130 exerce une force de rappel tendant à plaquer la tête 111 de l'aiguille contre le siège 102. A la deuxième extrémité de la buse, l'injecteur 1 comporte en outre un soufflet 14 réalisant une étanchéité entre le conduit de circulation 12 et un logement 105 du corps dans lequel l'actionneur est logé. Le soufflet 14 est fixé d'une part sur l'actionneur 11 par l'intermédiaire d'un premier collet 141, et d'autre part sur le corps 10 par l'intermédiaire d'un deuxième collet 142. Le premier collet 141 est fixé par soudure. Le deuxième collet 142 vient en appui sur un épaulement réalisé dans le corps et est collé dans cet épaulement. Le soufflet 14 est constitué d'une peau métallique fine ondulée selon des anneaux superposés, la peau étant soudée sur les collets 141, 142. Ainsi, le conduit de circulation 12 est en communication avec l'intérieur du soufflet 14 et est séparé du creux 105 par le soufflet 14. Un tel soufflet 14 peut être obtenu par hydroformage avec déformation par pression intérieure, déformation par galets mécaniques, électrodéposition et dissolution du mandrin... The moving 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 a circulation conduit 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 laterally by a supply duct 103 putting in communication a supply orifice 104 and the circulation duct 12. The supply orifice 104 is intended to be connected to a hydraulic duct, not shown, for bringing the pressurized fluid such as fuel into the circulation duct 12. The moving element 11 comprises an actuator 115. This actuator 115 is able to generate axial vibrations on the needle 110, in a manner known per se. The actuator 115 and the needle 110 are assembled together by means of a bolt 116 threaded and screwed in the axis of the moving element 11. The end of the body opposite the nozzle 101 comprises a cover 13 closing the injector 1. The cover 13 carries a spring 130 aligned with the axis of the moving element 11. The spring 130 exerts a restoring force tending to press the head 111 of the needle against the seat 102. second end of the nozzle, the injector 1 further comprises a bellows 14 providing a seal between the flow conduit 12 and a housing 105 of the body in which the actuator is housed. The bellows 14 is fixed on the one hand to the actuator 11 via a first collar 141, and on the other hand to the body 10 via a second collar 142. The first collar 141 is fixed by welding. The second collar 142 bears on a shoulder formed in the body and is stuck in this shoulder. The bellows 14 consists of a thin metallic skin corrugated according to superimposed rings, the skin being welded to the collars 141, 142. Thus, the circulation duct 12 is in communication with the interior of the bellows 14 and is separated from the hollow The bellows 14 can be obtained by hydroforming with deformation by internal pressure, deformation by mechanical rollers, electrodeposition and dissolution of the mandrel.

Lors de l'utilisation de l'injecteur, du carburant liquide sous pression est introduit par l'orifice d'alimentation dans le conduit de circulation. Le carburant exerce une pression sur les parois du conduit de circulation, sur la tête de l'aiguille et sur le soufflet 14. La résultante des forces de pression dans l'axe de l'équipage mobile tend à plaquer la tête de l'aiguille sur le siège, puisque le diamètre intérieur du soufflet 14 est supérieur au diamètre intérieur du siège. Lorsque l'on veut obtenir une injection de carburant, l'aiguille 110 est mise en vibration axiale par l'actionneur 115, d'une manière connue en soi. La tête 111 quitte le siège 102 par intermittence et laisse passer du carburant entre elle et le siège 102. La partie de l'aiguille à proximité du raccordement avec l'actionneur 115 vibre également axialement et est donc mobile par rapport au corps. Le soufflet 14 autorise ces vibrations sans s'y opposer. Dans un deuxième mode de réalisation, représenté sur la figure 3, l'injecteur 2 comporte un soufflet 24 réalisé par l'assemblage de bagues 241, 242 à section en arc ouvert vers l'intérieur. Pour fabriquer un tel soufflet 24, des bagues 241, 242 sont empilées les unes sur les autres. Elles sont ainsi jointives le long d'un cercle intérieur au soufflet. Une soudure continue 243 est réalisée le long de ce cercle afin d'assembler les bagues 241, 242 entre elles et de réaliser une étanchéité complète. Le mode de fonctionnement est identique à celui du premier mode de réalisation. When using the injector, pressurized liquid fuel is introduced through the supply port into the circulation duct. The fuel exerts a pressure on the walls of the circulation duct, on the head of the needle and on the bellows 14. The resultant of the pressure forces in the axis of the moving equipment tends to press the head of the needle on the seat, since the inside diameter of the bellows 14 is greater than the inside diameter of the seat. When it is desired to obtain a fuel injection, the needle 110 is placed in axial vibration by the actuator 115, in a manner known per se. The head 111 leaves the seat 102 intermittently and passes fuel between it and the seat 102. The portion of the needle near the connection with the actuator 115 also vibrates axially and is therefore movable relative to the body. The bellows 14 allows these vibrations without opposing it. In a second embodiment, shown in Figure 3, the injector 2 comprises a bellows 24 formed by the assembly of rings 241, 242 arcuate section inwardly. To manufacture such a bellows 24, rings 241, 242 are stacked on each other. They are thus joined along a circle inside the bellows. A continuous weld 243 is made along this circle in order to assemble the rings 241, 242 between them and to achieve a complete seal. The operating mode is identical to that of the first embodiment.

Dans un troisième mode de réalisation, représenté sur la figure 4, l'injecteur 3 comporte un soufflet 34 réalisé par l'assemblage de bagues 341, 342 à section en arc ouvert vers l'extérieur. Pour fabriquer un tel soufflet 34, des bagues 341, 342 sont empilées les unes sur les autres. Elles sont ainsi jointives le long d'un cercle extérieur au soufflet. Une soudure continue 343 est réalisée le long de ce cercle extérieur afin d'assembler les bagues entre elles et de réaliser une étanchéité complète. Le mode de fonctionnement est identique à celui du premier 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. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits uniquement à titre d'exemple. Les collets peuvent être fixés par soudure, par emmanchement forcé ou par d'autres méthodes. D'autres formes peuvent être envisagées pour le soufflet. In a third embodiment, shown in Figure 4, the injector 3 comprises a bellows 34 made by the assembly of rings 341, 342 arcuate section open to the outside. To manufacture such a bellows 34, rings 341, 342 are stacked on top of one another. They are thus joined along a circle outside the bellows. A continuous weld 343 is made along this outer circle in order to assemble the rings together and to achieve a complete seal. The operating mode is identical to that of the first embodiment. The injectors according to the different embodiments can be used to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. The invention is not limited to the embodiments which have been described solely by way of example. The collars may be attached by welding, forced fitting or other methods. Other forms can be envisaged for the bellows.

Claims

1. Resonant needle fluid injection device (110) comprising a nozzle (101), a movable assembly (11) slidably mounted in a cylindrical body (10), the movable assembly (11) comprising the needle ( 110) and an electro-active material actuator (115) for axially oscillating the needle, the needle (110) extending into a circulation duct (12) of the nozzle (101) for the fluid and having an end having a head (111) forming a valve on a seat (102) carried by a first end of the nozzle (101), characterized in that the device comprises a bellows (14) sealing between the moving element (11). ) and the second end of the nozzle (101).

Injection device according to claim 1, wherein the inside diameter of the bellows (14) is greater than the inside diameter of the seat.

3. Injection device according to claim 1, wherein the bellows (14) has at its respective ends a first collar (141) and a second collar (142).

4. Injection device according to claim 3, wherein the bellows (14) is welded to the collars (141, 142).

5. Injection device according to claim 3, wherein the collars are fixed on the actuator (115) or the nozzle (101) by welding, bonding or forced fitting.

6. Injection device according to claim 1, wherein the bellows (14) held fixed at one end and free to the other has an axial resonance frequency close to an operating frequency characterizing the moving element (11). ).

Injection device according to claim 1, wherein the needle (110) is assembled to the actuator (115) by screwing.

8. Injection device according to claim 1, wherein the bellows (14) is obtained by hydroforming.

An injection device according to claim 1, wherein the bellows (24, 34) is obtained by welding inward or outwardly arcuate section rings.