Brevet FR2474193A1 — publié le 19810724

La présente invention concerne un dispositif permettant de réguler la pression d'un fluide délivré par une source à un circuit d'alimentation. Plus précisément, le dispositif selon l'invention est du type de ceux comportant un circuit de dérivation relié à la source de fluide, le circuit de dérivation étant commandé par un organe d'obturation dont l'ouverture limite,à une valeur prédéterminée, la pression du fluide dans le circuit d'utilisation. Les dispositifs antérieurs de ce type ont un fonctionnement instable au moment de l'ouverture de l'organe d'obturation, qui se tra- duit, le plus souvent, par une ouverture prématurée de cet organe d'ob- turation. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif régulateur perfectionné qui ne présente pas les inconvénients indiqués plus haut et permette, en particulier, de réaliser une ouverture franche de l'organe d'obturation. L'invention pourra être bien comprise, et tous ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit illus- trés par les figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement un dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'inven- tion, - la figure 2A est une variante de la figure 2, - la figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente l'application de l'invention à la régula- tion d'un turbocompresseur équipant un moteur à explosion interne, - la figure 5 indique-le fonctionnement de l'ensemble représenté sur la figure 4. 2 2474193 Sur les différentes figures, les mêmes références ont été utilisées pour désigner les m9mes éléments. La figure 1 représente,schématiquement et en coupe, un dispo- sitif de régulation selon l'art antérieur régulant la pression du fluide délivré par une source de fluide 1. Ce fluide est, par exemple, mais non exclusivement, de l'air sous pression alimentant un circuit d'utilisation auquel la source 1 est reliée par une canalisation prin- cipale 2. Le dispositif de régulation comporte une canalisation de dérivation 3 branchée en parallèle sur la canalisation principale 2 et débouchant, par exemple, dans l'atmosphère à son extrémité libre 4. Un organe d'obturation, qui est ici un clapet 5 coopérant avec un siège de clapet 6, assure la fermeture de la canalisation 3. Un ressort taré T agit sur la tige 8 du clapet 5 pour le maintenir dans la position fermée représentée sur la figure 1. La tige 8 est solidaire de la paroi mobile 9 d'une capsule manométrique 10 reliée par une canalisation 11 à l'alimentation en fluide. Le fonctionnement du dispositif est simple. Tant que la pression du fluide délivré par la source -1 reste inférieure à une valeur déterminée pour laquelle le ressort 7 a été taré, le clapet 5 est maintenu sur son siège 6 par l'action du ressort 7 sur la tige 8. La totalité du fluide délivré par la source 1 s'écoule dans la cana- lisation 2, comme l'indique la flèche en trait continu. Lorsque la valeur de la pression du fluide est supérieure à la valeur prédéterminée, la capsule manométrique 10 déplace le cla- pet 5 contre l'action du ressort 7, provoquant l'ouverture du clapet. Une fraction du fluide fourni par la source 1 est évacuée par l'ori- fice 4 et la pression dans la canalisation 2 s'établit à une valeur sensiblement égale à la valeur déterminée. Il est aisé de comprendre que lorsque, en croissant, la valeur de la pression du fluide atteint la valeur prédéterminée, l'action de la capsule manométrique 10 sur la tige 8 compense sensiblement celle du ressort 7 et le clapet 5 est maintenu sans effort sur son siège 6.L'expé- rience montre que des fuites se manifestent au niveau du clapet dont l'ouverture n'est pas franche. Cet inconvénient est supprimé en utilisant le dispositif selon l'invention dont un premier mode de réalisation est illustré par la figure 2. Dans ce mode de réalisation,la tige 8 de commande du clapet 5 est percée axialement. Ce perçage 12 communique, par une extrémité calibrée 14,avec l'intérieur de la capsule manométrique 10 du côté de la membrane 9 opposé au ressort 7. A son autre extrémité, ce perçage 12 débouche radialement par un orifice 13. Le niveau de l'orifice 13 sur la tige 8 est tel que,dans la position de fermeture du clapet, cet ori- fice est libre et le fluide circule dans la canalisation 11, dans la capsule manométrique 10 et dans le canal 12 avant d'être évacué par l'orifice 13 vers l'extérieur de la capsule 10. Le fonctionnement du dispositif est indiqué ci-dessous. L'organe d'obturation étant fermé, et la pression du fluide délivré par la source 1 étant inférieure à une valeur prédéterminée, ce fluide s'écoule essentiellement dans la canalisation principale 2. Toutefois, une fraction de ce fluide circule dans la canalisation 11, pénètre par l'orifice 15 dans la capsule manom6trique 10 du coté de la membrane 9 opposé au ressort 7, puis est évacué par le canal 12. La pression P à l'intérieur de la capsule manométrique 10 est alors c déterminée par la formule. p c dans laquelle P epr1sente la pression + relative du fluid dliv pa dans laquelle P représente la pression relative du fluide délivré par la source 1, la section de l'orifice calibré 14 et S la section de l'orifice calibré 15. Dans ces conditions, et tant que le fluide circule dans la canalisation 12, la valeur de la pression P reste inférieure à la c valeur P. Lorsque la pression P augmente, la pression P croît jusqu'à c une valeur critique pour laquelle le ressort 7 a été taré. Le dépla- cement de la tige 8 de commande du clapet 5 permet l'obturation de l'orifice 13 par le palier de guidage 16 provoquant ainsi l'interrup- - tion de l'écoulement du fluide à travers le conduit 12. La pression P à l'intérieur de la capsule manométrique 10 c augmente alors brusquement pour devenir égale à la pression du fluide délivré par la source 1. Il. en résulte un déplacement brusque de la tige 8 qui ouvre le clapet 5 limitant ainsi la pression du fluide alimentant la canalisation 2. - - ' --= Dans ce mode de réalisation, le clapet 5 est prolongé par une portion cylindrique 5a qui maintient l'obturation de la canalisation 3' pendant le petit déplacement de la tige 8 correspondant-à l'obturation de l'orifice 13 du canal 12. La figure 2A représente une variante de réalisation dans- laquelle la tige de commande est composée de deux éléments' 8a et 8b. L'un d'entre eux porte une boutonnière 8c coopérant avec un ergot 8d solidaire de l'autre élément. Dans ce mode de réalisation, lorsque les actions du ressort 7 et de la pression sur là tige 8a se compensent, le clapet S reste appliqué fortement sur son siège jusqu'à l'obturation complète de l'orifice 13 grâce à l'action de la pression du fluide déli- vré par la source 1. La figure 3 représente un second mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure seuls les éléments nécessaires au dépla- cement de la tige 8 de commande du clapet 5 ont été représentés. -5- Comme dans l'exemple de réalisation précédent, la tige de commande est solidaire de la paroi mobile 9 d'une capsule manométrique, et elle est soumise à l'action du ressort 7 qui tend à appliquer le clapet contre son siège. La canalisation 11 alimente la capsule mano- métrique 10 en fluide sous pression à travers l'orifice calibré 15. La capsule manométrique 10 comporte une seconde paroi mobile 17 solidaire d'un arbre coulissant ou coulisseau 18. Cet arbre est percé d'un alé- sage calibré 12 dont une extrémité débouche par un orifice 14 dans la capsule manométrique 10 entre les deux parois mobiles 9 et 17 et dont l'autre extrémité communique par un orifice 13 radial avec l'extérieur de la capsule manométrique 10. Un ressort 19 agit sur le coulisseau 18 pour le maintenir dans la position représentée, ce qui permet un écoulement de fluide à travers l'orifice 13. Le ressort 19 est taré à une valeur inférieure à celle du tarage du ressort 7. Le fonctionnement est indiqué ci-dessous, le dispositif étant initialement dans la position représentée sur la figure 3 et maintenant fermé l'organe d'obturation 5. Tant que la valeur P de la pression du fluide délivré par la source 1 reste inférieure à une valeur prédéterminée, le fluide circule dans la canalisation 11, dans la capsule 10 et dans le conduit 12 pour 9tre évacué par l'orifice 13. La pression Pc à l'intérieur de la capsule manométrique 10 s'établit c à une valeur inférieure à P,et fonction des sections calibrées S de de l'orifice 15 et.4 du conduit 12. Lorsque la valeur de la pression P croit et que la valeur de la pression P atteint une valeur critique. c pour laquelle le ressort 19 a été taré, le coulisseau 18 est déplacé vers le haut de la figure ce qui provoque l'obturation de l'orifice 13 et l'interruption de l'écoulement dans la capsule manométrique 10. La valeur de la pression P augmente brusquement jusqu'à la valeur P. La c tige de commande 8 est à son tour déplacée pour actionner l'organe d'intearruption 5. La figure 4 montre un exemple d'application, de l'invention à la régulation automatique de l'alimentation d'une turbine entraînée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, cette turbine actionnant un compresseur qui 'délivre l'air nécessaire au fonctionne- ment du moteur. Sur la figure 4, la référence 20 désigne un moteur à combus-. tion interne alimenté en gaz tel que de l'air ou en mélange carburé par une canalisation d'admission 21. Pour la-clarté du dessin, les disposi- tifs permettent l'introduction du carburant n'ont pas été représentés. Ces dispositifs peuvent être du type carburateur ou injecteur et placés en amont ou en aval du compresseur comme cela est bien connu du tech- nicien. Les gaz d'échappement sont évacués par une canalisation 22. On rappelle que la suralimentation d'un moteur 20 peut être assurée par un compresseur 24 lié en rotation à une turbine 23 qui est actionnée par les gaz d'échappement du moteur. Il en résulte que le débit de gaz fourni par le compresseur 24 dépend de la vitesse de rotation de la turbine 23, ciest-à-dire du débit'desgaz d'échappement alimentant la turbine. Autrement dit, le débit et la pression de gaz produit par le compresseur 24 sont liés au régime N de fonctionnement du moteur. Généralement, les caractéristiques du turbo-compresseur sont choisies pour permettre d'obtenir un couple moteur maximum à une valeur déterminée N du régime de fonctionnement du moteur. On est donc conduit à réguler la vitesse de rotation de la turbine en contr8- lant la quantité de gaz d'échappement qui la traverse aux régimes de fonctionnement du moteur supérieurs à la valeur N1. Pour cela, il est connu d'utiliser un circuit de dérivation des gaz d'échappement du moteur qui comporte une canalisation 27 reliant l'entrée à la sortie de la turbine 23, un organe 5 d'obturation du conduit de dérivation et un dispositif de commande assurant l'ouver- ture de cet organe d'obturation aux régimes de fonctionnement élevés du moteur pour permettre l'évacuation directe, de la canalisation 22 à l'échappement 26, d'une fraction déterminée des gaz d'échappement. Selon les modes de réalisation, le dispositif de commande est actionné en fonction de la pression à l'entrée de la turbine ou en fonction de la pression à la sortie du compresseur pour obtenir une loi déterminée de variation de la pression à la sortie du compresseur. Lorsqu'on utilise un dispositif de commande selon l'art anté- rieur tel que, par exemple, celui illustré par la figure 1 et pour lequel la canalisation 11 communique avec la sortie du compresseur,. l'évolution de la pression P des gaz à la sortie du compresseur en fonction du régime N de fonctionnement du moteur est celle représentée par la courbe I tracée en trait mixte sur la figure 5. On peut noter qu'aux régimes inférieurs à N1 cette courbe se différencie nettement de la courbe II tracée en trait fin et qui représente la fonction P = f (N) lorsque l'organe d'obturation 5 est maintenu parfaitement fermé, c'est- à-dire le clapet 5 étant appliqué avec force sur son siège 6. Cette différence, qui provient d'une ouverture prématurée de l'organe d'ob- turation 5 comme il a déjà été indiqué plus haut, montre qu'aux bas régimes de fonctionnement du moteur on ne récupère pas le maximum d'énergie des gaz d'échappement. Pour remédier à cet inconvénient, on utilise comme organe de commande du clapet 5, le dispositif selon l'invention. Dans l'exemple schématisé sur la figure 4, le dispositif correspond au mode de réali- sation représenté sur la figure 3. La canalisation 11 relie la sortie du compresseur 24 à la capsule manométrique 10 tandis qu'une canali- sation 28 permet de réintroduire à l'entrée de la turbine les gaz ayant circulé à travers le canal 12 ménagé dans le coulisseau 18. Le fonctionnement de l'ensemble est décrit ci-dessous, en se référant aux figures 3, 4 et 5. - 58- Le rapport des sections de l'orifice calibré 15 et du conduit 12, et la pression de tarage du ressort 19 ont été choisis pour que l'obturation de l'orifice 13 (Fig. 3) intervienne à la valeur N1 du régime du fonctionnement du moteur. On considère tout d'abord que le régime du moteur croit jusqu'à la valeur N1. La pression P à l'intérieur de la capsule manométrique 10 c décrit la portion OA' de la courbe III'représentée en trait interrompu. La pression P est trop-faible pour comprimer les ressorts 7 et 19. Le C clapet 5 est maintenu fermement sur son siège 6 par l'action du ressort 7 empochant toute fuite de gaz d'échappement dans la canalisation de dérivation 27. La pression P b la sortie du compresseur varie suivant la portion OA de la courbe I. Lorsque le régime de fonctionnement du moteur atteint la valeur N1, la pression P à la sortie du compresseur atteint la valeur P1 et la pression P dans la capsule manométrique 10 atteint la valeur P2 pour laquelle le ressort 19-a été taré.-Il s'ensuit un déplacement du coulisseau 18 et une interruption de l'écoulement des gaz traversant le canal 12. - La pression P dans la capsule manométrique 10 augmente et c devient égale à la pression P à la sortie du compresseur.24 et supé- rieure à la valeur correspondant au tarage du ressort 7, ce qui pro- voque l'ouverture brusque du clapet 5. L'expérience montre que la pression s'établit brusquement à une valeur P comprise entre P et P correspondant au point B qui se 3 1- 2 epodnaupitBuis trouve sensiblement sur le courbe I. Une augmentation supplémentaire du régime du moteur conduit à une augmentation de la valeur des pressions P et P jusqu'à une valeur de régulation qui est fonction du débit de gaz d'échappement dérivé-par la canalisation 27. En conséquence, pour les valeurs supé- rieures à N1, la valeur de la pression à la sortie du compresseur 24 247 4 193 et à l'intérieur de la capsule manométrique 10 suit sensiblement la courbe I. On voit donc qu'aux bas régimes le dispositif selon l'inven- tion permet de récupérer une plus grande quantité d'énergie des gaz d'échappement et donc d'assurer une meilleure suralimentation du moteur. La quantité d'ténergie ainsi récupérée est sensiblement proportionnelle à la surface délimitée entre les courbes I et II, c'est-à-dire à la surface OAB. Lorsquten partant d'une valeur supérieure à N on fait décroître la valeur du régime de fonctionnement du moteur, on cons- tate expérimentalement que la pression à la sortie du compresseur 24 et donc dans la capsule manométrique 10, décroît en suivant la courbe I jusqu'à une valeur N2 du régime moteur, c'est-à-dire jusqu'au point C pour lequel la valeur de la pression P2 correspond au tarage du ressort 19. Le coulisseau se déplace en sens inverse, permettant l'écoulement des gaz à travers le conduit 12. La pression dans la capsule manomé- trique décroît brusquement jusqu'à la valeur P4 correspondant au point D'. De ce fait le clapet 5 est plaqué sur son siège 6 par le ressort 7 et la pression à la sortie du compresseur augmente jusqu'à la valeur P5 correspondant au point D. Lorsque le régime du moteur décroît en dessous de la valeur N la pression dans la capsule-manométrique 10 décroît suivant la portion D'O de la courbe III tandis que la valeur de la pression à la sortie du compresseur varie suivant la portion DO de la courbe II. La valeur N2 dépend des caractéristiques du turbo-compresseur et du rapport entre la section de l'orifice 15 et celle du conduit 12. De fagon générale, la valeur de N est inférieure de 1 à 2 tours/s. à la valeur N1. Le mode de réalisation illustré par la figure 4 présente l'avantage d'introduire dans la capsule manométrique des gaz à une 247 4 19 3 température inférieure à celle des gaz d'échappement; mais on ne i sortirait pas du cadre de la présente invention en reliant les cana- lisations 11 et 28 respectivement à l'entrée et à la sortie de la turbine 23. l1 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Dispositif permettant de réguler la pression d'un fluide produit sous pression par une source de fluide alimentant un circuit d'utili- sation, comportant une canalisation de dérivation reliée en parallèle sur le circuit d'utilisation, un organe d'obturation ayant deux posi- tions, la première permettant la circulation d'une fraction du fluide dans la canalisation de dérivation et la seconde empochant toute cir- culation du fluide dans la canalisation de dérivation, et un organe de commande adapté à placer automatiquement l'organe d'obturation dans sa première position lorsque la valeur de la pression est supérieure à une'valeur déterminée, cet organe de commande comportant une capsule manométrique reliée à la source de fluide, une tige de commande de l'organe d'obturation solidaire de la paroi mobile de la capsule mano- métrique et un ressort tard destiné à maintenir l'organe d'obturation dans sa deuxième position lorsque la valeur de la pression est supS-. rieure à la valeur déterminée, caractérisé en ce que le capsule mano- métrique comporte d'une part un premier orifice calibré à travers lequel elle communique avec la source de fluide et, d'autre part, un second orifice calibré à travers lequel le fluide contenu dans la capsule manométrique peut- s'échapper, et en ce que le dispositif com- porte des moyens d'obturation du second orifice lorsque la pression dans la capsule manométrique atteint en croissant une valeur de consigne inférieure à ladite'valeur déterminée. 2. - Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la tige de com- mande est guidée par un palier, caractérisé en ce que ledit second orifice calibré est constitué par un conduit calibré ménagé dans la tige de commande et débouchant à une extrémité à l'intérieur de la capsule manométrique et à l'autre extrémité à l'extérieur de la capsule mano- métrique par un orifice radial, les moyens d'obturation étant consti- tués par le palier de guidage-qui masque l'orifice radial lors d'un déplacement de la tige de commande à partir de la seconde position de l'organe d'obturation. 3. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capsule manométrique comporte en outre une seconde paroi mobile, un coulisseau solidaire de cette seconde paroi mobile, un palier de gui- dage du coulisseau et un ressort taré à la valeur de consigne, le second orifice calibré étant constitué par un alésage calibré ménagé à l'intérieur du coulisseau, cet alésage débouchant à une extrémité dans la capsule manométrique et à l'autre extrémité à l'extérieur de la capsule manométrique par un orifice radial, les moyens d'obturation étant constitués par le palier de guidage-du coulisseau qui masque l'orifice radial lors du déplacement du coulisseau contre l'action du ressort taré. 4. - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 destiné à réguler le fonctionnement d'un turbo-compresseur actionné par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté par le turbocompresseur, la canalisation de dérivation reliant l'entrée à la sortie de la turbine lorsque l'organe d'obturation est dans sa position d'ouverture, caractérisé en ce que le premier orifice calibré est relié à la sortie du compresseur. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le- second orifice calibré est relié à l'entrée du compresseur. 6. - Dispositif selon une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'organe d'obturation s'ouvre contre l'action de la pression des gaz d'échappement du moteur qui alimente la turbine.