Brevet FR2793283A1 — publié le 20001110

Procédé permettant de fournir un debit variable de liquide à très haute pression et pompe pour la mise en oeuvre de ce procédé La présente invention se rapporte à la distribution de liquide à très haute pression avec un débit variable. Les liquides ainsi distribués peuvent tre de l'eau, du liquide hydraulique ou un carburant comme par exemple du gazole. Le débit doit pouvoir varier du plein débit à l'annulation du débit et réciproquement. Par très haute pression on entend une pression pouvant atteindre 2.000 bars et plus. Bien que l'invention ne soit pas limitée à un liquide particulier, elle sera décrite ci-après, à titre d'exemple d'application, préférentiel mais non limitatif, en relation avec l'alimentation d'un moteur diesel en gazole porté à une pression d'environ 2.000 bars. Pour arriver à d'aussi hautes pressions, il faut employer des pompes à pistons, qui peuvent tre soit des pompes à pistons axiaux et plateau biais, soit des pompes à pistons radiaux animés par un excentrique. Dans 1'exemple ci-après décrit, la pompe est une pompe à pistons radiaux, mais l'invention peut également s'appliquer à des pompes à pistons axiaux et plateau biais. II est connu de réaliser des pompes à pistons susceptibles de porter un liquide, du gazole par exemple, à des pressions supérieures à 1.500 bars ; mais l'alimentation d'un moteur de véhicule pose un problème délicat à résoudre parce qu'il faut que le régime du moteur puisse varier à volonté, et pratiquement instantanément, donc que l'on puisse faire varier la quantité de carburant admis dans les cylindres entre zéro et la quantité correspondante au régime maximum à pleine charge dudit moteur. Dans les dispositifs actuellement connus on détermine la pompe de façon à ce qu'elle donne en permanence son débit maximum possible et la régulation se fait en détournant vers le réservoir tout ou partie du débit à haute pression délivré par la pompe. Le résultat obtenu ainsi est satisfaisant en ce sens que l'on obtient une régulation parfaite du moteur à tous régimes voulus. Mais ce procédé présente deux inconvénients : il y a un gaspillage d'énergie, fort important aux très hautes pressions, puisque l'on fait monter en pression la totalité du liquide, pour n'en utiliser qu'une partie, voire mme aucune partie : il y a donc une perte d'énergie importante ; d'autre part, lorsque l'on monte un liquide à des pressions aussi élevées, il se produit un échauffement considérable dudit liquide et-à moins d'utiliser des réservoirs d'une très grande capacité le liquide ainsi continuellement chauffe et recyclé finit par se réchauffer de façon fort dangereuse, lorsqu'il s'agit d'un carburant. Pour éviter ces deux inconvénients, on a proposé de disposer un dispositif d'étranglement sur la conduite d'aspiration du liquide ; ainsi lors de la phase d'aspiration le cylindre de la pompe (ou chaque cylindre lorsqu'il y en a plusieurs) n'est que partiellement rempli et ne reçoit que la quantité de liquide désirée. Mais ce procédé provoque des phénomènes de cavitation qui sont extrmement difficiles à maîtriser, surtout lorsque le liquide refoulé à haute pression doit alimenter des injecteurs. De plus, c'est un procédé qui génère bruits et vibrations peu compatibles avec un usage type automobile. Le procédé selon la présente invention consiste à admettre dans le cylindre, lors de la phase d'admission de la pompe, autant de liquide que le cylindre peut en contenir, puis, lors de la phase de refoulement, à laisser s'échapper vers le réservoir, sans monter en pression, une portion ou la totalité du liquide admis, de telle sorte que seule la portion utile restante du liquide soit montée à la très haute pression. II n'y a ainsi plus de gaspillage d'énergie, plus d'échauffement du liquide, et aucun problème. La pompe pour la mise en oeuvre de ce procédé est une pompe à piston chaque cylindre étant muni d'un clapet d'aspiration et d'un clapet de refoulement, le clapet d'aspiration étant du type à commande par effort différentiel, la commande d'ouverture du clapet d'aspiration étant effectuée par une came à profil variable. Le clapet d'aspiration à commande différentielle est constitué par un clapet à bille ou autre type de clapet appliqué d'un côté sur son siège par un ressort et soumis en sens inverse à l'action d'un ressort antagoniste, dont la tension est réglée par une came à profil variable. A titre d'exemple non limitatif et pour faciliter la compréhension de l'invention on a représenté aux dessins annexés : Figure 1 une vue schématique en élévation latérale, en coupe longitudinale, d'un exemple de réalisation d'une pompe à un piston mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, Figures la et lb : deux vues de détail de la figure 1 illustrant le fonctionnement du clapet d'admission à commande différentielle, Figure 2 : une vue en élévation latérale du disque à déplacement axial faisant office de came à profil variable. Figure 3 : une vue de dessus du disque de la figure 2. Figure 4 : un diagramme illustrant les variations de débit en fonction du déplacement de la came. Figure 5 : une variante de réalisation de la figure 1. Sur la figure 1 on voit que la pompe selon l'invention comporte un arbre moteur I sur lequel est fixée une came cylindrique 2, excentrée par rapport à l'axe XX de l'arbre I. Cet arbre 1 est porté par deux roulements 3 situés de part et d'autre de la came 2. Lorsque l'arbre 1 est entraîné en rotation (par tout moyen approprié non représenté parce que ne faisant pas partie de l'invention) la came 2 imprime au piston radial 4 un mouvement de va et vient dans le cylindre 5. Le cylindre 5 communique avec deux clapets 6 et 7, le clapet 6 étant le clapet d'admission et le clapet 7 le clapet de refoulement. Le clapet 7 est une bille contretenue par un ressort 8. Ce clapet de refoulement 7 débouche dans une canalisation 9 qui va vers le dispositif d'alimentation des cylindres, qui crée la perte de charge de 2 000 bars à compenser par la pompe. A cette canalisation 9 est reliée une canalisation 10, munie d'un clapet de surpression 11 qui est taré à une valeur légèrement supérieure à la pression maximale d'utilisation de la pompe. Lorsque la pression régnant dans la canalisation 9 dépasse une valeur supérieure à celle de la pression maximale demandée par le moteur ou l'utilisation, le clapet de surpression 11 s'ouvre et le liquide est renvoyé par la canalisation 12 vers la chambre 13 qui communique avec le réservoir 14 par la canalisation 15. Le clapet 6 est une bille contretenue par un ressort 16. I1 débouche dans une canalisation 17 dans laquelle est placé un ressort 18 qui prend appui d'un côté sur la bille 6 et de l'autre côté sur une bille 19, qui prend appui sur la surface 20 d'une came 21, de sorte que l'action du ressort 18 sur la bille 6 est en sens opposé à celle du ressort 16. La came 21 est un disque tournant, porté par l'arbre 1 et entraîné en rotation par celui-ci. Mais ce disque peut avoir un mouvement de translation selon l'axe longitudinal XX de l'arbre 1 A cet effet, ce disque 21 est porté par une bague cylindrique 22, qui est emmanchée sur l'arbre 1, et qui peut coulisser sur celui-ci à l'encontre d'un ressort 23. Le déplacement du disque-came 21, à l'encontre de son ressort 23 est commandé par un poussoir 30 commandé par un levier 31. Entre le poussoir 30, qui ne tourne pas, et le disque-came 21, qui tourne avec l'arbre 1 du fait de la clavette 24, est disposée une butée à billes 32. La surface extérieure 20 du rebord 21a du disque 21 constitue une came sur laquelle prend appui la bille 19. Elle comporte deux zones 20a et 20b, de niveaux différents, séparés par une surface de transition 20c. La zone 20a constitue le niveau supérieur et la zone 20b le niveau inférieur. On peut dire aussi, en d'autres termes, que le rayon de la zone 20a est plus grand que celui de la zone 20b. Comme on le voit à la figure 2, la zone 20a s'étend, sur 180 , sur toute la largeur de la surface 20. Par contre sur les autres 180 la surface 20a n'occupe que partiellement la surface 20. Comme cela est représenté à la figure 3 (qui correspond aux 180 de la partie supérieure de la figure 2), sur cette deuxième moitié de sa circonférence, la surface 20 comporte les deux zones 20a et 20b, séparées par la surface de transition 20c. Lorsque la bille 19 est en appui sur la zone 20a elle exerce sur le ressort 18 un effort supérieur à celui du ressort 16, ce qui oblige la bille 6 à s'ouvrir. Lorsque les pièces sont dans la position représentée à la figure 1, c'est-à-dire lorsque le disque-came 21 est à sa position extrme vers la gauche, la bille 19 va rouler pendant 180 sur la surface 20a puis pendant les 180 suivants sur la surface 20b. II en résulte que pendant 1/2 tour le clapet 6 sera fermé (ce qui correspond à la phase de refoulement) et sera ouvert pendant l'autre moitié de tour (ce qui correspond à l'admission). Au fur et à mesure que le disque-came 21 sera repoussé vers la droite par le poussoir 30 à 1'encontre du ressort 23, le temps d'ouverture du clapet 6 va augmenter, c'est-à-dire qu'il va rester ouvert pendant une partie de plus en plus importante de la phase de refoulement ; et meme au maximum pendant toute la phase de refoulement de sorte que le débit sera nul. Comme expliqué précédemment, la came 20 est repoussée en position extrme- gauche par le ressort 23. La situation est alors celle d'une pompe normale, à savoir : aspiration sur un demi-tour de l'arbre 1, refoulement sur l'autre demi-tour de l'arbre 1. Si le refoulement de la pompe est à très faible pression, dès que le piston 4 redescend la chambre 5 est décomprimée et 1'effort exercé par le ressort 18 sur la bille 6 étant plus fort que 1'effort du ressort 16, la bille s'ouvre : la came 20 est en position de contrainte forte du ressort 18. En revanche, si la pompe refoule à forte pression, la décompression de la chambre 5 va nécessiter une course significative du piston 4. Pendant ce temps, l'ordre donné par le ressort 18 devra vaincre le ressort 16 et la pression résiduelle dans la chambre 5 qui s'exerce sur la surface du clapet 6. De ce fait, le clapet 6 ne pourra s'ouvrir qu'au moment où la pression dans la chambre 5 sera tombée à un très faible niveau. Cette disposition évite : -d'avoir à générer des efforts d'ouverture du clapet 6 difficiles à effectuer mécaniquement tant que la pression agit sur le clapet 6 ; -d'avoir des décompressions brutales dans la chambre 13a qui produiraient des niveaux sonores importants ; -et cette disposition permet de bénéficier de l'effet moteur du à la décompression du fluide qui repousse le piston 4 et produit un couple moteur sur l'arbre 1. Pour toutes les positions de la came situées entre 20b et 20a, la démonstration cidessus reste vraie. Ainsi, non seulement la pompe selon l'invention permet de faire varier le débit du liquide refoulé, mais elle utilise en plein la décompression du liquide pour la restituer sous forme retour à l'arbre d'entraînement de la pompe. On réalise ainsi une pompe dont le rendement global est fortement optimisé. Dans les positions intermédiaires du disque 21 la bille 19 passe de la zone 20b à la zone 20a et cela fait varier les temps respectifs de fermeture/ouverture du clapet d'aspiration 6. On voit donc que l'on peut, grâce à la commande à effort différentiel du clapet d'aspiration 6 faire varier à volonté le débit de la pompe entre une valeur maximum (dépendant de la cylindrée du cylindre 5) et une valeur nulle en passant par toutes les valeurs intermédiaires et cela uniquement en pilotant le poussoir 30 au moyen du levier 31, lequel est actionné par tout moyen de régulation du moteur approprié, par exemple par un mécanisme piloté par le calculateur d'injection. Comme on le voit sur la figure 3, la zone de séparation 20c entre les zones 20a et 20b est sensiblement en diagonale, ce qui permet à la bille 19 de passer d'une zone à l'autre au cours de la mme révolution. A noter qu'il est possible de donner à cette zone de transition 20c tout profil approprié ce qui permet de faire varier à volonté la loi d'ouverture du clapet 6. La figure 4 montre en partie supérieure la surface 20 développée, et en partie inférieure les pulsations de débit (Q) qui varient entre une valeur maximum et une valeur nulle. La trace en profil plein correspond au trajet 20b. En position haute : début du trajet de la bille 19, la pompe aspire puisque le ressort 18 soulève la bille 19 et que la pression résiduelle dans la chambre 5 le permet. En position basse, il s'agit de la phase de refoulement de la pompe toujours calée avec la came 20 repoussée par le ressort 23. Les trajets en pointillé (de différente taille) sont les variantes obtenues dès que la position de la came est décalée vers la droite. La présente invention a été décrite dans son application à une fourniture de gazole à très haute pression pour moteur diesel, mais il est bien évident qu'elle n'est pas limitée à cette application particulière et peut tre utilisée pour tout autre liquide et donc toute autre application. La figure 5 représente une variante de réalisation de la figure 1 dans laquelle les mmes éléments portent les mmes références. Selon cette variante, le poussoir 25, qui est interposé entre le piston 4 et 1'excentrique 2, est fixé à une membrane déformable 26 qui est fixée à son autre extrémité au corps de la pompe. On définit ainsi un volume étanche 27, situé à l'extérieur de la membrane et du piston 4, ce volume étanche pouvant etre rempli d'un lubrifiant. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de fournir un débit variable entre une valeur nulle et une valeur maxi prédéterminée d'un liquide à très haute pression caractérisé par le fait qu'il consiste à employer une pompe à très haute pression et cylindrée fixe ; à admettre dans le cylindre (5) de la pompe, lors de la phase d'admission, autant de liquide que ce cylindre (5) peut en contenir ; puis, lors de la phase de refoulement, à laisser s'échapper vers le réservoir (14), sans montée en pression, une portion ou la totalité du liquide précédemment admis dans le cylindre (5) ; de telle sorte que seule la portion de liquide restant dans le cylindre (5) soit refoulée sous très haute pression. 2. Procédé selon la revendication I selon lequel la portion du liquide préalablement pompé, qui est rejetée vers le réservoir, 1'est au travers du clapet d'admission (6). 3. Pompe pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2 du type comportant un piston radial (4), animé par un excentrique (2) porté par un arbre (1), se déplaçant dans un cylindre (5) associé à un clapet d'admission (6) et un clapet de refoulement (7) caractérisé par le fait que le clapet d'admission (6) est un clapet à commande différentielle. 4. Pompe selon la revendication 3, dans laquelle le clapet à commande différentielle est constitué par une bille (6) maintenue en appui sur son siège par un ressort (16), cette bille (6) étant soumise en sens inverse à 1'effort d'un ressort antagoniste (18) dont la tension est variable. 5. Pompe selon la revendication 4 dans laquelle une bille (19) en appui sur une surface (20), faisant came à profil variable, agit sur le ressort (18) pour le mettre en tension. 6. Pompe selon la revendication 5 dans laquelle la surface faisant came (20) est portée par un disque (21) entraîné en rotation par l'arbre (1) mais pouvant coulisser le long de cet arbre (1) à 1'encontre d'un ressort (23). 7. Pompe selon la revendication 6 dans laquelle les déplacements du disquecame (21) le long de l'arbre moteur (1) sont commandés par un poussoir (30) lui-mme actionné par un levier (31). 8. Pompe selon la revendication 7 dans lequel les déplacements du levier (31) sont commandés par le dispositif de régulation du moteur. 9. Pompe selon les revendications 6 à 8 dans laquelle la surface faisant came (20) est située sur la paroi externe du rebord du disque (21) et est divisée en deux zones (20a, 20b) situées à des niveaux différents, reliées par une zone intermédiaire (20c) la bille (19) agissant sur le ressort (18) de la commande différentielle du clapet (6) prenant appui soit sur la zone (20a) soit sur la zone (20b) ; de telle sorte que ledit clapet d'admission (6) est ouvert lorsque la bille (19) est en appui sur la zone de niveau supérieur (20a) et est fermé lorsque la bille (19) est en appui sur l'autre zone (20b). 10. Pompe selon la revendication 9 dans laquelle la zone de transition (20c) peut tre soit disposde en diagonale sur la surface (20) soit selon tout profil voulu ; ce qui permet de faire varier à volonté la loi d'ouverture/fermeture du clapet (6). 11. Pompe selon l'une quelconque des revendications 3 à 10 caractérisée par le fait qu'elle comporte, en dérivation sur la conduite (9) située en aval de son clapet de refoulement (7) un clapet de surpression (11).