Brevet FR2714444A1 — publié le 19950630

SOUPAPE DE LEVAGE A LARGE SECTION DE PASSAGE ET A FAIBLE DEBATTEMENT D'OUVERTURE ET DE FERMETURE. La présente invention concerne les soupapes de levage, c'est à dire les clapets dont une composante du mouvement de fermeture et d'ouverture est orthogonale à la surface d'obturation, ces clapets mettant en communication une chambre de travail, comme par exemple la chambre de travail d'une pompe à injection, avec une chambre externe. Beaucoup de processus mettent en oeuvre une chambre de travail dans laquelle un ou plusieurs fluides peuvent subir un changement d'état et éventuellement un changement de volume grâce à un piston ou à une membrane: chambre de combustion d'un moteur à compression, chambre de pompage d'une pompe à injection, chambre de réaction chimique, etc... De façon habituelle les fluides sont introduits dans (ou évacués de) la chambre de travail à partir d'une (ou vers une) chambre externe par un canal pourvu d'un clapet. I1 est important que les durées de communication soient les plus courtes possibles, pour améliorer les performances des processus. Ces clapets peuvent être mus par la différence de pression existant entre la chambre de travail et la chambre externe, comme par exemple les clapets anti-retour, ou bien ils sont actionnés par un dispositif externe, par exemple mécanique, électromagnétique, piézo-électrique ou hydraulique. La figure 1 représente un clapet connu (2) mettant en communication une chambre de travail (5) avec une chambre externe par un canal (4). Ce clapet est normalement ouvert au repos par la force d'un élément élastique (7). Un électro-aimant (8) ferme le clapet en fournissant une force supérieure à la force antagoniste de l'élément élastique. Cet exemple particulier présente les mêmes inconvénients que la majeure partie des clapets traditionnels: - La section limitée du passage d'obturation crée à débit donné une chute de pression qui peut être importante. En effet au niveau de l'obturation le périmètre moyen du passage de fluide du clapet ouvert est relativement faible, son diamètre étant voisin de celui de la canalisation. De plus, même pour des débattements importants d'ouverture du clapet, le passage radial du fluide reste relativement étroit et l'ensemble du dispositif représente un étranglement relativement long et encombré d'obstacles à l'écoulement du fluide. - Le débattement nécessairement élevé d'ouverture et de fermeture du clapet est responsable d'une relative lenteur de commutation de ce type de dispositif. - Tout le volume parasite compris entre la chambre de travail (5) et la surface d'obturation du clapet s'ajoute au volume mort de cette chambre de travail (rappelons que le volume mort est celui subsistant dans la chambre de travail et les chambres parasites lorsque le piston ou la membrane est au point mort haut), ce qui peut diminuer les performances du processus de travail. - La canalisation (4) et le relief intérieur du clapet (par exemple l'élément élastique) créent des turbulences statiques et dynamiques freinant le fluide qui y transite. Lorsque la vitesse du fluide est importante ce phénomène peut engendrer des bulles de vapeur de fluide destructrices par effet de cavitation. Beaucoup d'efforts ont été mis en oeuvre pour augmenter la vitesse de commutation des clapets, surtout lorsqu'ils sont actionnés par un électro-aimant. Ainsi la demande de brevet FR 2045501 de la firme BOSCH GMBH propose des moyens d'optimiser la partie électromagnétique d'une soupape électromagnétique en vue d'augmenter sa rapidité. Toutefois peu d'optimisations affectent le clapet lui-même. C'est pourquoi l'invention a pour but d'améliorer un clapet de mise en communication entre une chambre de travail et une chambre externe pour permettre à la fois une grande vitesse de commutation et une faible chute de pression locale tout en diminuant les risques de cavitation et en réduisant au strict minimum le volume mort parasite. Ce problème est résolu en disposant la chambre externe de façon sensiblement coaxiale à la chambre de travail, le clapet de communication entre la chambre de travail et la chambre externe étant réalisé par une extrémité d'un clapet cylindrique annulaire mobile en translation dont la paroi forme une séparation coaxiale entre la chambre de travail et la chambre externe, cette extrémité possédant une surface (ou une ligne) d'obturation située au niveau de la chambre de travail pouvant coopérer avec une surface (ou une ligne) d'obturation complémentaire d'un cylindre de contact éventuellement mobile disposé en vis à vis du clapet cylindrique annulaire. Cette structure a l'avantage de limiter la longueur de la canalisation de communication à une zone d'étranglement très courte, ce qui retarde l'apparition des phénomènes de cavitation, de ne pas contenir de volume mort parasite, d'offrir un périmètre moyen de passage maximal puisque avoisinant le périmètre externe de la chambre de travail, et enfin de permettre une vitesse de commutation élevée grâce au faible débattement d'ouverture nécessaire du clapet cylindrique annulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 représente un clapet réalisé de façon traditionnelle. - La figure 2 représente le principe général d'un clapet cylindrique annulaire selon l'invention coulissant en translation axiale autour d'un cylindre fixe. - La figure 3 représente un clapet cylindrique annulaire selon l'invention coulissant en translation axiale autour du piston de la chambre de travail. - La figure 4 représente un système à deux clapets cylindriques annulaires selon l'invention formé d'une combinaison des deux figures précédentes. - La figure 5 représente un système à deux pistons opposés muni de deux clapets cylindriques annulaires selon l'invention. - La figure 6 donne un exemple d'application pour un clapet cylindrique annulaire à fermeture électromagnétique dont l'électro-aimant baigne dans le fluide de la chambre externe. - La figure 7 fournit un exemple d'application pour un clapet cylindrique annulaire à fermeture électromagnétique dont l'électro-aimant fonctionne dans une chambre complète ment isolée. La figure 2 présente le principe général de l'invention appliqué à une chambre de travail (5) dont le volume pourrait être modifié par un piston coulissant représenté en pointillés (1'). Ce piston peut toutefois être remplacé par un dispositif à membrane ou même être omis lorsque le processus actif dans la chambre de travail n'exige pas le changement du volume de celle-ci. Une chambre externe (6) entoure de façon sensiblement coaxiale la chambre de travail (5), séparée d'elle par la paroi d'un clapet cylindrique annulaire (2) mobile en translation coaxiale dont une extrémité située au niveau de la chambre de travail (5) est pourvue d'une première surface d'obturation, plane ou conique par exemple. Un cylindre de contact (14) disposé en vis à vis du clapet cylindrique annulaire (2) par rapport à la chambre de travail et délimitant celle-ci possède à son extrémité donnant sur la chambre de travail une deuxième surface d'obturation (correspondant à la fonction habituelle de "siège" de soupape) coopérant avec la première surface d'obturation et séparée d'elle par un intervalle axial d'obturation (12) en forme de couronne. Le clapet est considéré comme fermé lorsque ces deux surfaces d'obturation sont en contact ou extrêmement proches l'une de l'autre, la communication entre la chambre de travail et la chambre externe étant nulle ou très faible. Le clapet est considéré comme ouvert lorsqu'elles sont séparées par un intervalle axial (12) notable permettant une communication franche entre la chambre de travail et la chambre externe. La couronne d'obturation a un périmètre moyen proche de celui de la chambre de travail. La surface réelle de contact entre les surfaces d'obturation respectives des cylindres (2) et (14) pourra être réduite éventuellement jusqu'à former une simple ligne circulaire. Le clapet cylindrique annulaire (2) coulisse avec un jeu étroit autour d'un cylindre de guidage intérieur (13) délimitant la chambre de travail. Les fuites de fluide entre ces deux cylindres peuvent être dirigées dans un canal de drainage (15) relié à une source de pression relativement basse non représentée, pour éviter qu'elles n'aboutissent dans la chambre (6). Un canal (4) offre éven tuellement une voie de communication supplémentaire vers la chambre de travail. Le cylindre de contact (14) peut contenir coaxialement, comme c'est le cas ici en pointillés, un piston (1') ou une membrane permettant de modifier le volume de la chambre de travail (5). On constate que dans le dispositif décrit la longueur de la canalisation raccordant la chambre de travail (5) et la chambre externe (6) ne dépend plus que de l'épaisseur radiale de la paroi du clapet cylindrique annulaire (2). De plus l'extrémité de ce cylindre comme celle opposée du cylindre de contact (14) peuvent être chanfreinées au voisinage de l'intervalle axial (12) de façon que l'étranglement de jonction entre les deux chambres soit le plus court possible, ainsi que le montre la figure 2. Ainsi la chute de pression dans cet étranglement est-elle relativement modérée même lorsque l'un intervalle axial (12) est étroit. Le débattement du clapet cylindrique annulaire (2) peut donc être relativement faible pour un débit donné, ce qui permet une vitesse de commutation élevée. La chambre (6) peut être dotée d'un dispositif accumulateur de pression local, pour réduire les changements de pression dynamiques pendant les commutations. Quand le dispositif de la figure 2 possède un piston (1') pouvant faire varier par son coulissement le volume de la chambre de travail (5), le jeu entre le clapet cylindrique annulaire (2) et le cylindre de guidage intérieur (13) doit être du même ordre de grandeur que celui entre le piston (1') et son alésage, ce qui augmente la complexité de fabrication du dispositif. De plus les fuites dans ces jeux sont approximativement doublées par rapport à celle dues au piston (1') seul, ce qui peut être inacceptable dans certaines applications. I1 peut être alors intéressant de guider le clapet cylindrique annulaire (2) directement sur un piston (1) permettant de faire varier le volume de la chambre de travail (5), comme le propose la figure 3. Dans cette variante de l'invention le cylindre de guidage intérieur (13) est remplacé par un piston (1) coulissant à jeu étroit dans le clapet cylindrique annulaire (2), l'intervalle axial d'obturation (12) étant toujours disposé entre l'extrémité du clapet cylindrique annulaire (2) et celle du cylindre de contact (14) en vis à vis. Les fuites entre la chambre de travail (5) et la chambre externe (6) dues au jeu entre le piston et le clapet cylindrique annulaire pourront être arrêtées par exemple par un joint sur le périmètre externe du clapet cylindrique annulaire (2) ou dirigées dans un canal de drainage situé dans le piston (1). Le clapet cylindrique annulaire (2) et le piston (1) ayant tous deux une liberté de translation axiale, l'un ou l'autre devra être guidé par rapport au cylindre de contact (14) pour limiter le désalignement des surfaces d'obturation. Si l'on suppose que la pression est plus élevée dans la chambre de travail que dans la chambre externe, la pression du fluide s'écoulant dans le jeu entre le clapet cylindrique annulaire (2) et le cylindre qui lui est intérieur diminue linéairement quand on s'éloigne de la chambre de travail. On peut donc amincir progressivement la paroi du clapet cylindrique annulaire en s'éloignant de la chambre de travail. On réduit ainsi la masse de ce cylindre et sa forme devenue tronconique facilite son mouvement dans les fluides visqueux. De nombreuses variantes selon l'invention peuvent être imaginées par l'homme de l'art, par exemple le distributeur décrit par la figure 4, où deux clapets cylindriques annulaires selon l'invention mettent la chambre de travail (5) en communication avec deux chambres externes (6) et (6'). L'un des clapets cylindriques annulaires (2') coulisse autour du piston (1') alors que l'autre (2) coulisse autour du cylindre de guidage intérieur (13). L'isolation entre les deux chambres externes est assurée par une cloison (16) portant les cylindres de contact procurant les surfaces d'obturation (14) et (14') coopérant respectivement avec les surfaces d'obturation des clapets cylindriques (2) et (2'). La variante de la figure 5 applique le principe de l'invention à une chambre de travail à deux pistons opposés, ce qui revient à remplacer le cylindre de guidage intérieur (13) de l'exemple précédent par un deuxième piston (1) en vis à vis du premier piston (1') par rapport à la chambre de travail (5). Cette variante est particulièrement intéres sante car elle permet d'ouvrir deux voies de communication entre la chambre de travail (5) et deux chambres externes (6) et (6') sans générer de fuites supplémentaires à celles existant forcément autour des pistons (1) et (1'). Les variantes des figures 4 et 5 pourraient par exemple convenir à une chambre de combustion de moteur, les chambres externes servant l'une pour l'admission des gaz frais et l'autre pour la sortie des gaz d'échappement, le carburant étant introduit dans la chambre de travail (5) par un troisième canal (4). Dans une autre variante ne nécessitant qu'une seule chambre externe, correspondant aux figures 4 ou 5 dont la cloison (16) serait omise, l'obturation peut être obtenue par le contact des surfaces respectives d'obturation des deux clapets cylindriques annulaires (2) et (2') en vis à vis n'effectuant chacun que la moitié de la course totale de fermeture. La vitesse de commutation peut ainsi être augmentée d'environ 40 pour cent, pour le même débit de fluide et avec la même technologie d'actionnement des clapets. On a vu que le principe du clapet cylindrique annulaire selon l'invention permet d'obtenir des vitesses de commutation importantes grâce à un déplacement d'ouverture minimisé, à débit égal de communication. Cet avantage est d'importance par exemple lorsque le clapet sert de vanne dite de délestage ou de décharge mettant en communication la chambre de compression d'une pompe à injection avec une source de carburant basse pression. Plus l'ouverture du clapet est rapide, meilleures seront la précision de la pompe et ses performances en propreté de combustion. Ou bien cet avantage est déterminant dans les pompes à injection du type à collision en permettant une recharge rapide de la chambre de compression pendant le retour du piston qui suit sa collision élastique. I1 convient toutefois que le système complet comprenant l'organe d'actionnement (le plus souvent un électro-aimant ou un cristal piézo-électrique), l'organe de transmission et le clapet lui-même présentent une faible masse et une faible opposition au mouvement, de façon à préserver l'avantage en rapidité amené par le clapet cylindrique annulaire selon l'invention. A cet effet la figure 6 propose une électrovanne dont le clapet cylindrique annulaire selon l'invention est relié à son organe d'actionnement (électromagnétique ici mais qui pourrait par exemple être piézoélectrique) par une transmission de faible masse. On reconnait la culasse (8) et l'armature (9) de l'électro-aimant installés concentriquement au clapet cylindrique annulaire, l'armature (9) entourant le clapet cylindrique annulaire (2) et lui étant reliée par des rayons (17) de forme de préférence aérodynamique (ou hydrodynamique) dans le sens du mouvement du clapet cylindrique annulaire (2). Un élément élastique (7) fixé sur le chassis (3) repousse le clapet en position d'ouverture. La position de fermeture est obtenue lorsque le bobinage de l'électro-aimant est excité. Dans cette disposition concentrique la masse de l'organe de transmission est minime par rapport à la masse du clapet cylindrique annulaire (2) et de l'armature (9), ce qui permet d'obtenir une inertie totale des parties mobiles proche du minimum possible. La largeur radiale de l'entrefer de l'électro-aimant étant relativement faible, l'impact des forces de viscosité est réduit dans cet entrefer. Quand le liquide de la chambre externe est très visqueux il convient toutefois d'isoler l'entrefer de lélectro-aimant pour qu'il contienne un fluide différent à faible viscosité. Le temps d'ouverture d'une électrovanne dont le clapet est fermé lorsque son électro-aimant d'actionnement est excité et est rappelé en ouverture par la force d'un élément élastique (7) est fonction d'une part d'une constante de temps électrique, liée au temps de désexcitation du bobinage de l'électro-aimant et aux courants induits parasites, et d'autre part d'une constante de temps mécanique liée à l'inertie des parties mobiles et à la force de l'élément élastique (7). Dans certaines applications comme les pompes à collision ou les chambres de compression de moteur, on peut éliminer l'influence de la constante de temps électrique en autorisant une interruption prématurée de l'excitation de l'électro-aimant. I1 faut pour cela que le clapet puisse rester maintenu en position de fermeture par un déséquilibre interne quand la pression dans la chambre de travail est élevée. On constate que la section intérieure B d'extrémité du clapet cylindrique annulaire est inférieure à la section A du piston (1). C'est une méthode (il en existe d'autres connues de l'homme de l'art) qui permet ici de déséquilibrer le clapet afin qu'il reste poussé en position de fermeture lorsque la pression de la chambre de travail (5) dépasse un certain seuil. La méthode d'utilisation d'une telle électrovanne déséquilibrée en fermeture est alors la suivante: - Fermer le clapet en excitant l'électro-aimant et attendre que le processus actif dans la chambre de travail y fasse monter la pression au dessus d'un certain seuil. - L'électro-aimant peut ensuite être désexcité puisque le clapet reste fermé par la haute pression interne de la chambre de travail. - La chute de la pression dans la chambre de travail en dessous d'un certain seuil permet l'ouverture du clapet sous l'effet de l'élément élastique (7), sans faire intervenir de constante de temps électrique. On a vu qu'une viscosité importante du fluide de la chambre externe peut nécessiter de faire fonctionner l'élément d'actionnement dans un fluide différent nettement moins visqueux. L'étanchement de l'électrovanne de la figure 6 est assez délicat car il nécessite deux joints externes de grand diamètre. La figure 7 propose une électrovanne très simple à étancher. Elle se différencie de l'électrovanne précédente en ce que la force de l'élément d'actionnement du clapet cylindrique annulaire (2) (ici l'armature (9)) lui est transmise par un arbre de transmission (18) central traversant le piston (1) (lorsqu'il y en a un) de forme annulaire. La chambre de l'élément d'actionnement est isolée du fluide de la chambre de travail par un joint (10) non coulissant travaillant uniquement en souplesse. Ce type d'étanchéité est en effet permis par le très faible débattement d'ouverture du clapet (2). Les fuites de fluide courant le long de l'arbre de transmission (18) en direction de l'élément d'actionnement débouchent avant d'arriver au joint (10) dans une chambre de drainage reliée à une source basse pression par un canal (11). Ces fuites ainsi que celles se produisant à l'intérieur du piston (1) sont en fait faibles à côté des fuites existant sur la surface externe de ce piston, car le diamètre de la transmission (18) peut être réduit. On remarquera que l'arbre de transmission (18) présente une section B interne au piston (1) inférieure à la section A pénétrant dans le chassis (3). Ceci est une autre méthode connue pour déséquilibrer le clapet en fermeture lorsque la pression dans la chambre de travail dépasse un certain seuil. I1 est évident que si la section B était supérieure à la section A le clapet serait déséquilibré en ouverture. Cette réalisation du déséquilibre par étagement de l'arbre de transmission (18) peut être préférable à celle décrite précédemment car elle permet à l'alésage intérieur du clapet cylindrique annulaire (2) d'être droit, ce qui facilite son usinage. Dans certains cas demandant une force importante de rappel pour l'élément élastique (7), la forme d'un ressort hélicoïdal n'est pas adaptée car de masse et volume trop importants. I1 peut alors être intéressant de recourir, comme indiqué sur la figure 7, à plusieurs poutres droites rayonnantes travaillant en flexion. Ces poutres droites peuvent être installées en forme de rayons entre le chassis (3) et le clapet cylindrique annulaire (2) ou entre le chassis (3) et tout autre partie de l'arbre de transmission (18) L'invention s'applique aux clapets de mise en communication entre une chambre de travail et une (ou plusieurs) chambre(s) externe(s). REVENDICATIONS 1- Soupape de levage mettant en communication une chambre de travail (5) avec une chambre externe (6) caractérisée en ce que la chambre externe (6) entoure de façon sensiblement coaxiale la chambre de travail (5), séparée d'elle par la paroi d'un clapet cylindrique annulaire (2) mobile en translation coaxiale dont une extrémité située au niveau de la chambre de travail (5) est pourvue d'une première surface d'obturation, plane ou conique par exemple, un cylindre de contact (14) disposé en vis à vis du clapet cylindrique annulaire (2) par rapport à la chambre de travail et délimitant celle-ci possédant à son extrémité donnant sur la chambre de travail une deuxième surface d'obturation coopérant avec la première surface d'obturation et étant séparée de celle-ci par un intervalle axial d'obturation (12), le clapet étant considéré comme fermé lorsque ces deux surfaces d'obturation sont en contact ou extrêmement proches l'une de l'autre et que la communication entre la chambre de travail et la chambre externe est nulle ou très faible, le clapet étant considéré comme ouvert lorsqu'elles sont séparées par un intervalle axial (12) notable permettant une communication franche entre la chambre de travail et la chambre externe, le clapet cylindrique annulaire (2) coulissant avec un jeu étroit autour d'un cylindre de guidage intérieur (13) délimitant la chambre de travail, le cylindre de contact (14) pouvant contenir coaxialement un piston (1') ou une membrane permettant de modifier le volume de la chambre de travail. 2- Soupape de levage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cylindre de guidage intérieur (13) est remplacé par un piston (1) permettant de faire varier le volume de la chambre de travail (5). 3- Distributeur de fluide selon une combinaison des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que deux clapets cylindriques annulaires (2) et (2') peuvent mettre une chambre de travail (5) en communication respectivement avec deux chambres externes (6) et (6'), le clapet cylindrique annulaire (2') coulissant autour d'un piston (1') alors que l'autre clapet (2) coulisse autour d'un cylindre de guidage intérieur (13), l'isolation entre les deux chambres externes (6) et (6') étant assurée par une cloison (16) portant les cylindres de contact procurant les surfaces d'obturation (14) et (14') coopérant respectivement avec les surfaces d'obturation des clapets cylindriques (2) et (2'). 4- Distributeur de fluide selon la revendication 3 caractérisé en ce que le cylindre de guidage intérieur (13) est remplacé par un deuxième piston (1) en vis à vis du premier piston (1') par rapport à la chambre de travail (5). 5- Chambre de combustion de moteur utilisant un distributeur selon la revendication 3 ou la revendication 4, les chambres externes servant l'une pour l'admission des gaz frais et l'autre pour la sortie des gaz d'échappements, le carburant étant introduit dans la chambre de travail (5) par un troisième canal (4). 6- Soupape de levage selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisée par le fait que dans le cas où une seule chambre externe est nécessaire la cloison (16) est omise, l'obturation pouvant être obtenue par le contact des surfaces respectives d'obturation des deux clapets cylindriques annulaires (2) et (2') en vis à vis n'effectuant chacun que la moitié de la course totale de fermeture. 7- Electrovanne utilisant un clapet cylindrique annulaire (2) selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le clapet cylindrique annulaire (2) est relié à son organe d'actionnement par une transmission de faible masse entourant coaxialement le clapet cylindrique annulaire (2) et consistant en des rayons (17) de forme de préférence aérodynamique (ou hydrodynamique) dans le sens du mouvement du clapet cylindrique annulaire (2). 8- Electrovanne utilisant un clapet cylindrique annulaire (2) selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la force de l'élément d'actionnement du clapet cylindrique annulaire (2) lui est transmise par un arbre de transmission (18) central traversant le piston (1) (lorsqu'il y en a un) de forme annulaire, la chambre de l'élément d'actionnement étant isolée du fluide de la chambre de travail par un joint (10) non coulissant travail lant uniquement en souplesse. 9- Electrovanne selon les revendications 7 ou 8 caractérisée en ce l'élément élastique (7) de rappel du clapet cylindrique (2) consiste en des poutres droites installées en forme de rayons entre le chassis (3) et le clapet cylindrique annulaire (2) ou entre le chassis (3) et tout autre partie de l'arbre de transmission (18). 10- Electrovanne actionnée par un électro-aimant utilisant un clapet cylindrique annulaire (2) selon les revendications 1 ou 2 dont le clapet (2) est fermé lorsque l'électro-aimant est excité et est rappelé en ouverture par un élément élastique (7) caractérisée en ce qu'elle est déséquilibrée en fermeture afin qu'on puisse la commander de la façon suivante: - Fermer le clapet en excitant l'électro-aimant et attendre que le processus actif dans la chambre de travail y fasse monter la pression au dessus d'un certain seuil. - L'électro-aimant peut ensuite être désexcité puisque le clapet reste fermé par la haute pression interne de la chambre de travail. - La chute de la pression dans la chambre de travail en dessous d'un certain seuil cause automatiquement l'ouverture du clapet sous l'effet de l'élément élastique (7), sans faire intervenir de constante de temps électrique.