Brevet FR2567238A1 — publié le 19860110

Electrovanne à effet piézo-électrique. La présente invention a pour objet une électro- vanne du type comportant un boîtier dans lequel est ménagé un passage de fluide et un organe d'obturation déplaçable dans le boîtier entre deux positions (pleine ouverture et ouverture faible ou nulle), les déplacements de l'organe étant commandés par au moins un élément piézo-électrique. L'invention trouve une application particulièrement impor- tante, bien que non exclusive, dans les systèmes d'alimen- tation d'un moteur à combustion interne en carburant li- quide sous une différence de pression modérée. On connaît déjà des vannes utilisant l'effet piézo-électrique dit "inverse", c'est-à-dire la déforma- tion d'un élément piézo-électrique sous l'action d'un champ électrique. Les déplacements que l'on peut ainsi obtenir restent très faibles, de l'ordre de 0,5 micron par millimètre d'épaisseur pour un champ électrique de 106 volts par mètre. Pour augmenter le déplacement dispo- nible, on a proposé d'empiler plusieurs éléments, mais l'augmentation obtenue reste faible. On a également pro- posé de faire travailler l'élément piézo-électrique à sa fréquence de résonance, afin d'obtenir une amplitude ma- ximale d'oscillation. Cette solution a, entre autres in- convénients, celui d'imposer la fréquence de travail et le rapport cyclique d'ouverture de la vanne, de sorte qu'on ne peut agir que sur l'amplitude du signal de com- mande pour régler le débit fourni. De plus, les déplace- ments obtenus restent encore faibles. L'invention vise à obtenir, dans une électrovanne du type ci-dessus défini, des déplacements notablement accrus de l'obturateur. Elle vise également à écarter la nécessité de travailler à une fréquence imposée et/ou avec un rapport cyclique égal à . Dans ce but, l'invention propose notamment une électrovanne dont l'organe d'obturation est indépendant de l'élément piézo-électrique et est associé à cet organe de façon à être projeté d'une de ses positions à l'autre en réponse à l'excitation ou à la cessation d'excitation de l'élément piézo-électrique. On voit quele rôlede l'élément piézo-électrique (ou de chaque élément) dans une vanne suivant l'invention est très différent de celui qu'il a dans une vanne de type connu. Il agit non plus en imposant son élongation à l'ob- turateur, mais en lui communiquant une vitesse initiale. On peut ainsi obtenir des déplacements de plusieurs cen- taines de microns qui ont l'avantage supplémentaire d'être indépendants de l'élongation propre de l'ensemble piézo- électrique, donc des variations de cette élongation en fonction de la température et du vieillissement. Le seul paramètre important est la vitesse que communique l'élé- ment piézo-électrique à l'obturateur. La seule condition à remplir est que l'énergie cinétique que communique l'élément piézo-électrique à l'obturateur soit supérieure au travail de la force de rappel mécanique de l'obturateur vers sa position initiale, et ce pour la course souhaitée du clapet. Dans un premier mode de réalisation de l'électro- vanne, qu'on peut qualifier de monostable, l'obturateur est associé à des moyens de rappel vers sa position d'ori- ginequi exercent une force qui augmente avec l'élongation. Ces moyens sont par exemple constitués par un ressort de rappel. Dans ce cas, la durée d'ouverture de la vanne est égale au "temps de vol" de l'obturateur et correspond à un volume injecté déterminé. Le débit (ou le volume) total fourni est obtenu par accumulation de volumes élémentaires, de sorte que l'on règle le débit ou le volume transmis par action sur la fréquence d'excitation ou sur le nombre d'excitations. Le débit maximum que pourra transmettre l'électrovanne, lorsque des moyens de rappel tendent à fermer l'obturateur, sera déterminé par la fréquence ma- ximale que l'on peut obtenir, fixée par le temps de vol. Dans un second mode de réalisation, qu'on peut qualifier de bistable, l'obturateur est associé à des moyens de rappel dont la force de rappel diminue avec l'élongation, s'annule, puis s'inverse, généralement au milieu de l'intervalle entre les deux positions que peut prendre l'obturateur. Le retour à la position d'origine impose une seconde action ou percussion, de sens inverse de la première. Les moyens de rappel peuvent alors être constitués par des forces d'aimantation. Deux variantes sont possibles, le passage d'une position à l'autre étant toujours provoqué par la contraction ou la dilatation d'un élément piézo-électrique. Dans une des variantes, généra- lement plus avantageuse car elle conduit à un encombrement moindre, l'électrovanne comprend un empilement de céramiques piézo- électriques minces. La dilatation de l'empilement provoque le dépla- cement dans un sens, la contraction le déplacement dans l'autre sens. Dans l'autre variante, deux éléments piézo- électriques différents sont utilisés pour projeter l'obtu- rateur dans les deux directions opposées. Dans les deux cas, le paramètre de commande principal n'est plus la fréquence, mais le rapport cyclique des signaux appliqués dans le premier cas, le déphasage de deux signaux dans le second. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisa- tion de l'invention donnés à titre d'exemples non limita- tifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompa- gnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'une électrovanne bistable suivant un premier mode de réali- sation, représentée en coupe suivant un plan passant par l'axe; - la figure 2, similaire à la figure 1, montre une constitution possible de l'électrovanne dont le prin- cipe est donné en figure 1; - la figure 3, similaire à la figure 2, montre un autre mode de réalisation. L'électrovanne dont un schéma de principe est donné en figure 1 comporte une douille 10 de montage, munie d'une rainure de réception d'un joint d'étanchéité torique, à laquelle est fixée, par exemple par sertissage, une plaque de base 12. Un élément piézo-électrique 14 de type classique, généralement constitué par un empilement de céramiques piézo-électriques, est serré entre la plaque de base 12 et le fond 18 d'un boîtier 16 par un élément élastique de précontrainte 20, qui sera généralement constitué par une rondelle Belleville ou une bague d'élastomère. Le boîtier comporte également une chemise 22 et un siège 24 percé d'un trou central 26 de passage du fluide dont l'écoulement doit être commandé par l'électrovanne. L'intérieur du boîtier 16 constitue une chambre cylindri- que reliée à un embout 28 d'amenée de fluide. Dans le boîtier est placé un obturateur 30 de forme cylindrique, de diamètre tel qu'il soit guidé par la chemise 22, de longueur telle qu'il puisse se déplacer entre une position d'appui sur le fond 18 (en traits pleins sur la figure 1) et une position de fermeture du trou 26 (en traits mixtes). Des rainures internes 32 pratiquées dans la chemise per- mettent au carburant de se répartir dans la chambre et d'arriver au trou 26 lorsque l'obturateur 30 est dans sa position de pleine ouverture, en appui contre le fond 18. Dans ce mode de réalisation, l'obturateur 30 doit être soumis à des forces de rappel qui diminuent avec la distance à partir de sa position d'origine pour s'inverser à mi-longueur de sa course. On peut notamment utiliser des forces magnétiques. Pour cela, l'obturateur peut être constitué par un aimant tandis que le fond 18 et le siège 24, servant l'un et l'autre de butée, sont constitués par des plaques en matériau ferro-magnétique, reliées par la chemise 22 qui est alors en matériau a- magnétique. L'élément piézo-électrique 14 présente des faces opposées métallisées reliées à un conducteur de sortie 34 pouvant être relié à un générateur 36 de signaux carrés ayant un rapport cyclique réglable. Dans le cas o l'électrovanne est utilisée pour constituer ulin actuateur permettant d'amener du carburant pur ou à l'état de mélange primaire dans un carburateur ou injecteur basse pression, l'embout 28 sera relié à une source 38 d'amenée de combustible à pression déter- minée. Le générateur 36 pourra fournir des impulsions à fréquence fixe ou au contraire à la fréquence d'allu- mage. Le fonctionnement de l'électrovanne de la figure 1 est alors le suivant. L'obturateur 30 étant supposé à l'origine en appui sur le fond 18, le front montant du signal carré émis par le générateur 36 provoque la dila- tation de l'élément 14 dans le sens axial. Cette dilata- tion brutale projette l'obturateur 30 vers le siège 26 à une vitesse déterminée. Dès que l'obturateur 30 a dé- passé le milieu de sa course, les forces magnétiques qui s'exercent sur lui tendent à l'attirer vers le siège 24 puis à le maintenir. Lorsque le front descendant du signal carré est appliqué à l'élément 14, celui-ci se contracte. Le boîtier 16 suit cette contraction sous l'action de l'élément élastique 20. Le siège 24 renvoie l'obturateur vers sa position d'origine avec une vitesse sensible- ment égale à sa vitessed'aller. On voit que la course utile de l'obturateur 30 est indépendante de l'extension propre de l'élément piézo- électrique 14. Le mode de réalisation de la figure 2, o les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence affecté de l'indice a, se diffé- rencie essentiellement du premier en ce que l'obturateur a est constitué par une bille en matériau ferromagnéti- que, et non pas par un aimant permanent, tandis qu'un aimant permanent est incorporé au boîtier. La bague constitue, avec le fond 12a, un corps d'injecteur. L'élé- ment piézo-électrique 14a est serré entre la plaque de base 12a et le fond 18a du boîtier par l'élément élastique de précontrainte 20a. L'aimant permanent unique de rappel est placé autour d'une partie rétrécie du fond 18a. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble du boîtier (fond l8a, chemise 22a et siège 24a) est en matériau ferroma- gnétique pour transmettre les lignes de force du champ magnétique de l'aimant permanent 40. Cette solution pré- sente, par rapport à celle schématisée en figure 1, l'a- vantage de permettre de respecter plus facilement les tolérances d'usinage requises pour l'obturateur, une bille en acier 30a pouvant avoir des tolé- rances plus serrées qu'une pièce cylindrique usinée en matériau utilisable pour former un aimant permanent, tel qu'une ferrite. De plus, pour un obturateur de même masse, cette solution permet de diminuer notablement la force parasite de pression qui doit être surmontée pour soule- ver l'obturateur de son siège. Enfin, la portée sphérique d'une bille sur une paroi en forme de cône offre une meilleure étanchéité qu'un appui plan sur plan. Sur la figure 2, les liaisons électriques ont été représentées sous forme de broches 42 reliées à des métallisations de l'élément 14a par des fils protégés par une bague 44 enmatériau isolant (matière plastique par exemple). Le dernier front reçu par l'élément piézo-élec- trique 14 ou 14a étant un front descendant, les électro- vannes des figures 1 et 2 seront du type ouvert au repos. Cette solution est celle qui est généralement utilisée dans le cas d'un actuateur pour carburateur, afin qu'une panne du système électrique autorise le fonctionnement du moteur. Mais on peut également réaliser des électrovannes commandées de telle sorte que l'obturateur soit appliqué sur son siège au repos. Le mode de réalisation de la figure 3, o les éléments correspondant à ceux de la figure 2 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice b, se différencie essentiellement du précédent en ce qu'il comporte deux aimants permanents de rappel 40b et 46. Comme dans le cas de la figure 2, l'amenée de carburant est effectuée dans un espace annulaire ménagé autour du corps d'injecteur et délimitée par des joints toriques. REVENDICATIONS 1. Electrovanne comportant un boîtier dans lequel est ménagé un passage de fluide et un organe d'obturation déplaçable entre deux positions, dont les déplacements sont commandés par au moins un élément piézo-électrique (14, 14a, 14b), caractérisée en ce que l'organe d'obtu- ration (30, 30a, 30b) est indépendant de l'élément piézo- électrique et est associé à cet élément de façon à être - projeté d'une de ses positions à l'autre en réponse à l'excitation ou à la cessation d'excitation de l'élément piézo-électrique. 2. Electrovanne suivant la revendication 1, ca- ractérisée en ce que l'obturateur est associé à des moyens de rappel vers sa position d'origine dont la force de rap- pel augmente avec l'élongation, pouvant être constitué par un ressort. 3. Electrovanne suivant la revendication 2, ca- ractérisée en ce que l'élément piézo-électrique est prévu pour être associé à un générateur d'impulsions électriques à fréquence variable. 4. Electrovanne suivant la revendication 1, ca- ractérisée en ce que l'obturateur (30, 30a, 30b) est as- socié à des moyens de rappel dont la force de rappel s'inverse lorsque l'obturateur a parcouru la moitié de sa course à partir de sa position d'origine. 5. Electrovanne suivant la revendication 4, ca- ractérisée en ce que l'obturateur est déplaçable entre un siège (24) constituant une première butée et un fond (18) constituant une seconde butée, les moyens de rappel de l'obturateur étant des moyens exerçant une force ma- gnétique tendant à appliquer l'obturateur sur le fond ou le siège suivant qu'il est plus proche du fond ou du siège. 6. Electrovanne suivant la revendication 5, ca- ractérisée en ce que l'obturateur (30) est un aimant per- manent et en ce que le fond (18) et le siège (24) sont constitués en matériau ferromagnétique et sont reliés par une chemise (22) en matériau non ferromagnétique.. 7. Electrovanne suivant la revendication 5, ca- ractérisée en ce que l'obturateur (30a, 30b) est en ma- tériau ferromagnétique et contenu dans un boîtier compor- tant au moins un aimant (40) et un circuit ferromagnétique (18a, 22a, 24a). 8. Electrovanne suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un seul élément piézo-électrique (14, 14a, 14b) serré entre une plaque fixe (12, 12a, 12b) et un fond apparte- nant à un boîtier (16, 16a, 16b) repoussé par un élément élastique de précontrainte (20, 20a, 20b) contre l'élé- ment piézo-électrique, de sorte que la dilatation de l'élément piézoélectrique exerce une percussion sur l'obturateur par l'intermédiaire du fond tandis que sa contraction provoque l'application d'une percussion de l'obturateur par le boîtier soumis à l'action de l'élément élastique de précontrainte.