Brevet FR2491270A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne un organe d'ac- tionnement commandé électriquement et pourvu d'un conver- tisseur piézoélectrique agissant sur une tige, se compo- sant d'une pile de piézo-disques d'oxyde et qui est dis- posé entre une plaque de base à laquelle il est lié et une plaque de guidage reliée à la plaque de base par des éléments d'espacement. Des organes d'actionnement se présentant sous la forme de convertisseur piézo-électriques sont connus et, en ce qui les concerne, il est également connu qu'ils per- mettent d'établir des temps de commande qui sont de l'or- dre de 50 à 100 micro-secondes. Cependant ils ne permet- tent que de très petites courses d'actionnement qui, avec des dimensions de piles utilisées, sont d'environ 0,03 mm. Cela est évidemment suffisant, comme on l'a déjà proposé, pour leur utilisation comme valves de précommande en liai- son avec des valves de commutation à deux voies du type dit "logistors" mais il n'est cependant pas possible de les utiliser directement comme organes d'actionnement de val- ves hydrauliques, de pompes, etc. Ces organes piézo-électriques d'actionnement de type connu présentent, en dehors du fait qu'ils ne permet- tent que de très faibles courses de travail, également l'in- convénient de ne pouvoir être utilisés que dans une plage de températures limitée pour laquelle ils ont été conçus. A- vec la structure de construction qui est classiquement adoptée (combinaison céramique-acier), ils se comportent en température de telle sorte que la course de travail se réduit ou augmente considérablement, en fonction du maté- riau. Pour des températures fortement variables, on ne veut pas utiliser des organes d'actionnement de ce genre. L'invention a en conséquence pour but de fournir un organe d'actionnement, fonctionnant suivant le principe piézo-électrique et qui présente, en plus de sa vitesse ra- pide de commande bien connue, une course de travail suffisam- ment grande, exclusivement influencée par la tension appli- quée et non par des variations de la température. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que chaque élément d'espacement se compose d'une pile de piézo-disques d'oxyde dont l'axe de polarisation est o- rienté perpendiculairement à l'axe de polarisation du con- vertisseur piézo-électrique et en ce que les éléments d'espacement et le convertisseur peuvent être commandés électriquement aussi bien individuellement qu'à l'unisson. Ainsi, par comparaison aux solutions connues, on obtient une course de travail qui est à peu près doublée et il est possible d'utiliser lesdits organes même dans des conditions de température fortement variables. Ces proprié- tés permettent d'utiliser par exemple l'organe d'actionne- ment selon l'invention pour l'injection directe ou indirec- te de carburant dans des moteurs à combustion interne, pour assurer le positionnement numérique de vérins de manoeuvre de systèmes hydrauliques de régulation, etc. L'invention est expliquée ci-dessous en détail, à l'aide d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif illus- tré par une représentation schématique d'un organe d'ac- tionnement piézo-électrique et d'une valve à plateau à 3 voies, actionné par cet organe. La figure 1 est une coupe longitudinale d'un or- gane d'actionnement conforme à l'invention et d'une valve à plateau à trois voies actionnée par ledit organe, La figure 2 est une coupe transversale de l'orga- ne d'actionnement de la figure 1, - La figure 3 est une coupe longitudinale d'un exem- ple d'application de l'organe d'actionnement comme injec- teur de carburant, La figure 4 représente un autre exemple d'injec- teur de carburant. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un organe piézo-électrique d'actionnement qui comprend une pla- que de base 1 et une plaque de guidage 2, qui sont reliées entre elles, dans l'exemple considéré, par quatre éléments d'espacement 3. Chaque élément d'espacement 3 se compose d'une pile de piézo-disques d'oxyde stratifiés, dont l'a- xe de polarisation est orienté perpendiculairement à l'a- xe principal de l'organe d'actionnement. A cet égard, il est à noter qu'un piézo-disque d'oxyde se dilate, lors de l'application d'une tension électrique et en correspon- dance à la grandeur de cette tension, dans la direction de son axe de polarisation et se contracte en correspondance dans une direction perpendiculaire à cet axe de polarisa- tion. Concentriquement à l'axe principal de l'organe d'actionnement, il est prévu une autre pile de piézo-disques d'oxyde qui est liée à la plaque de base et dont l'axe de polarisation est orienté dans la direction de l'axe princi- pal tandis que son autre extrémité est reliée à la tige 5 de l'organe d'actionnement. Cet empilage de plaques cons- titue le convertisseur piézo-électrique 4. Autour de ce convertisseur piézo-électrique 4 sont disposés les éléments d'espacement 3, qui relient la plaque de base 1 à la plaque de guidage 2 et qui sont disposés symétriquement, comme le montre la coupe de la figure 2. La tige 5 de l'organe d'ac- tionnement est guidée à travers un trou ménagé dans la pla- que de guidage 2 concentriquement à l'axe principal. L'empilage de plaques piézo-électriques du conver- tisseur 4 et des éléments d'espacement 3 sont reliés d'une manière classique, et non représentée, avec les conducteurs électriques correspondants d'alimentation en courant. Par application d'une tension électrique au convertisseur 4, on provoque une dilatation de l'empilage de plaques et la tige s'écarte de la plaque de base 1. Par application simulta- née de tensions électriques à l'empilage de plaques formant les éléments d'espacement 3, ceux-ci se compriment dans la direction de l'axe principal et ils tirent ainsi la plaque de guidage 2 en direction de la plaque de base 1. Il se produit ainsi entre la plaque de guidage 2 et la tige 5 un mouvement relatif qui a une grandeur ayant à peu près une valeur double de celle d'un organe piézo-électrique d'ac- tionnement de type connu et de dimensions comparables. Du fait que les empilages de plaques des éléments d'espacement et du convertisseur sont formés d'un matériau identique présentant un coefficient thermique identique et ont des longueurs égales, des variations de températures ne provo- quent aucun mouvement relatif entre la tige et la plaque de guidage. En fonction de l'application envisagée, il est possible de permuter entre elles les orientations des axes de polarisation du convertisseur 4 et des éléments d'espa- cement 3 de manière que, lors de l'application d'une ten- sion électrique, la tige 5 soit tirée en direction de la plaque de base et que la plaque de guidage 2 soit éloignée de la plaque de base. Dans un exemple d'application de l'organe d'ac- tionnement conforme à l'invention, celui-ci est associé, sur la figure 1, avec une valve à plateau à trois voies dont le corps 6 est relié rigidement à la plaque de guida- ge 2. Dans la cavité formée entre le corps et la plaque de guidage, il est prévu un plateau de valve 7, qui est poussé par une rondelle élastique 8 contre la tige 5. Dans la-condition de repos de l'organe d'actionnement, le plateau de valve 7 assure l'obturation d'un canal annulaire 9 dis- posé dans la plaque de guidage 2 et qui est relié à un con- duit de retour C. En regard du canal annulaire 9 prévu dans le plateau de valve 7, il est prévu dans le corps de valve 6 un second canal annulaire 10 qui est relié à un conduit de pression A. Dans le corps de valve 6, il est prévu un orifice de décharge B disposé concentriquement à l'axe principal. Dans le plateau de valve 7, il est pré- vu des trous 11 qui doivent permettre l'écoulement sans entrave d'un fluide - gaz ou liquide - au travers de la valve. Dans la position représentée, le conduit de pres- sion A est relié à l'orifice de décharge B de sorte que le fluide sous pression peut s'écouler de A vers B. Par ma- noeuvre de l'organe d'actionnement, le plateau de valve 7 est poussé vers le bas à l'encontre des efforts exercés par la rondelle élastique 8. En conséquence le canal annulaire 10 est fermé, en même temps que le conduit de pression A. Dans cette position, l'orifice de décharge B est relié au conduit de retour C de sorte qu'il peut se produire une baisse de pression immédiate. On pourrait également envisager d'agencer l'orga- ne d'actionnement selon l'invention comme pompe et d'agencer également les valves à deux voies nécessaires pour cette pompe à la façon de l'organe d'actionnement conforme à l'in- vention. A cet effet, il faudrait agencer le plateau de valve 7 de la figure 1 sous la forme d'un piston et créer les conduits nécessaires d'aspiration et de refoulement. Le fluide à débiter serait, lors de l'application d'une ten- sion, aspiré du côté inférieur du piston et refoulé du cô- té supérieur de celui-ci puis, lors de la coupure de la tension, il serait refoulé du côté inférieur et aspiré du côté supérieur. Sur la figure 3, on a représenté en coupe longitu- dinale, comme autre exemple d'application de l'invention, un injecteur de carburant. La structure de principe de l'or- gane d'actionnement est connue d'après la figure 1 et il est prévu, comme décrit ci-dessus, une plaque de base 1, une plaque de guidage 2, des éléments d'espacement 3, un conver- tisseur 4 et une tige 5. La tige 5 est reliée rigidement à un plateau de valve 12 qui, lorsque l'organe d'actionnement est au repos, s'applique contre la plaque de guidage 2 et obture un canal annulaire 9, ménagé dans la plaque de gui- dage et relié à un conduit d'admission de carburant A. Ce conduit d'admission de carburant est soumis à une pression élevée. Lors de l'application d'une tension à l'empilage piézo-électrique de plaques, il s'établit entre la plaque de guidage 2 et le plateau de valve 12 un intervalle annulaire dont la largeur est à peu près proportionnelle à la tension appliquée et le carburant s'écoule du canal annulaire 9 radialement vers l'extérieur et, en fonction de la lar- geur de l'intervalle et de la pression du carburant, il est plus ou moins pulvérisé sous la forme d'un brouillard. Pour assurer une répartition appropriée du car- burant, la plaque de guidage est pourvue, dans cette zone, d'une surface déflectrice incurvée 13a qui peut comporter par exemple des rainures de différentes courbures ou en forme de spirales pour permettre d'obtenir d'une manière connue par exemple une pulvérisation en cloche, des jets ayant différentes orientations angulaires, une mise en turbulence du carburant, etc. On a représenté sur la figure 4 un exemple de réalisation d'un tel injecteur de carburant dans le cas d'un organe d'actionnement comportant des empilages de plaques piézo-électriques permutées, la tige 5 étant ti- rée vers la plaque de base 1 lors de l'application d'une tension. A l'intérieur de la plaque de guidage 2, il est prévu une cavité contre la surface inférieure de laquelle s'applique, dans la condition de repos, le plateau de val- ve 12 relié rigidement à la tige 5 et assurant l'obturation d'un canal annulaire 10 ménagé dans ladite surface et qui est à nouveau relié au conduit d'arrivée de carburant A. Le plateau de valve 12 est pourvu d'un appendice 13 qui comporte des surfaces déflectrices 13b, déjà décrites en référence à la figure 3, pour améliorer la répartition du carburant. Lors de l'application d'une tension, l'inter- valle annulaire s'ouvre et du carburant s'écoule sous une pression élevée, radialement, vers l'intérieur, il est dévié par les surfaces déflectrices et il est injecté dans la chambre de combustion. Outre une commande de largeur d'intervalle qui s'effectue proportionnellement à la tension, il est possi- ble d'effectuer une commande de débit aussi bien propor- tionnelle à la fréquence que proportionnelle à la durée d'impulsion de sorte qu'on peut obtenir tout déroulement désiré de l'injection, de la courbe suivant une loi d'in- jection à une injection intermittente (à l'intérieur d'une phase d'injection couvrant par exemple 18 degrés de rota- tion du vilebrequin). On peut également envisager d'agencer un injec- teur de carburant sous la forme d'une valve à trois voies conforme à la figure 1 et associée à un conduit de retour dans lequel on dispose un clapet anti-retour, ou un étran- glement, ou les deux en parallèle. REVENDICATION - Organe d'actionnement commandé elotriquement et pourvu d'un convertisseur piézo-électrique agissant sur une tige, se composant d'une pile de piézo-disques d'oxy- de et qui est disposé entre une plaque de base à laquelle il est lié et une plaque de guidage reliée à la plaque de base par des éléments d'espacement, caractérisé en ce que chaque élément d'espacement (3) se compose d'une pile de piézo-disques d'oxyde dont l'axe de polarisation est orienté perpendiculairement à l'axe de polarisation du convertisseur piézo-électrique (4) et en ce que les élé- ments d'espacement et le convertisseur peuvent être com- mandés électriquement aussi bien individuellement qu'à l'u- nisson.