Brevet FR2788324A1 — publié le 20000713

SIEGE DE CLAPET D'ELECTROVANNE La présente invention concerne un siège de clapet d'électrovanne, notamment pour système d'alimentation en mélange combustible de moteur à combustion interne, et plus particulièrement un tel siège de clapet comportant un trou de communication pour faire communiquer une partie amont et une partie aval de l'électrovanne lorsqu'un clapet de l'électrovanne est en position ouverte. On connaît dans le domaine automobile, par exemple par le document US-A- 5 424 704, une électrovanne comportant une bobine électromagnétique enroulée sur le moyeu d'un bobinot en matière plastique, un noyau métallique central disposé dans le moyeu du bobinot, ce noyau formant un conduit axial, et une armature susceptible d'être déplacée par les forces électromagnétiques axialement en direction d'une extrémité du conduit axial en vue de commander l'écoulement de gaz dans ce conduit. La bobine est alimentée en courant haché de rapport cyclique pouvant varier de 0 à 100%, de manière a faire varier la distance moyenne entre l'armature formant clapet et supportant généralement un joint d'étanchéité, et un siège de clapet qui, dans le document précité, est constitué par l'extrémité du noyau central tubulaire. Il est ainsi possible, en réglant le rapport cyclique en fonction de divers paramètres mesurés sur le moteur, de déterminer le débit de l'électrovanne pour une valeur donnée de la pression différentielle régnant de part et d'autre de cette électrovanne. On voit à la figure 1 une variante de l'art antérieur dans laquelle le siège de clapet n'est pas constitué par l'extrémité du noyau central tubulaire, mais par un organe de siège indépendant 1. L'organe de siège 1 est supporté dans un boîtier 2, dans lequel il délimite une chambre amont haute pression 3 et une chambre aval basse pression 4. Un trou de communication 5 à section circulaire est formé dans l'organe de siège 1 et fait communiquer les chambres amont 3 et aval 4. Le siège proprement dit 6 est formé à la périphérie du trou de communication 5, du côté de la chambre amont 3. Le conduit d'amenée de fluide haute pression 7, ici le noyau magnétique tubulaire sur lequel est bobiné l'enroulement électromagnétique 2 2788324 d'excitation (non représenté), débouche dans la chambre 3 coaxialement au trou de communication 5. Une armature 8 qui forme clapet et qui porte un joint d'étanchéité 9 est montée dans la chambre 3 en vis-à-vis du siège 6, et est guidée pour un déplacement dans les deux sens en direction de ce siège, par tous moyens convenables qui n'ont pas lieu d'être décrits plus en détail Lorsque l'enroulement d'excitation est parcouru par un courant constant (rapport cyclique nul), des moyens élastiques non représentés maintiennent le joint d'étanchéité 9 du clapet en contact avec le siège 6. L'électrovanne est donc normalement fermée. Lorsque le rapport cyclique prend une valeur non nulle, le clapet oscille entre une position de contact avec le siège 6 et une position d'ouverture. L'ouverture équivalente de l'électrovanne est proportionnelle à la durée moyenne d'ouverture et donc au rapport cyclique. Bien que donnant généralement satisfaction, une électrovanne de ce type présente l'inconvénient d'un niveau sonore relativement élevé engendré par les chocs répétés du clapet sur son siège lors de sa fermeture. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, I'invention a pour objet un siège de clapet d'électrovanne, notamment pour système d'alimentation en mélange combustible de moteur à combustion interne, comportant un trou de communication pour faire communiquer une partie amont et une partie aval de l'électrovanne lorsqu'un clapet de l'électrovanne est en position ouverte, caractérisé par le fait que ledit trou de communication possède, pour une aire donnée, un périmètre de longueur optimale. On précisera en premier lieu ce que l'on entend par périmètre de longueur optimale. Comme décrit en référence à la figure 1, le trou de communication entre les parties amont et aval des électrovannes de type connu possède une section circulaire. Cette section a donc un périmètre minimum pour une aire donnée. On verra ci-après que l'on a constaté qu'il y avait intérêt, en vue de diminuer le bruit de fonctionnement de l'électrovanne, de diminuer la course du clapet de l'électrovanne, et pour cela d'augmenter le périmètre de la section du trou de communication précité. Cette augmentation est toutefois limitée par divers impératifs tels que dimensionnels, de résistance des matériaux, ou de mécanique des fluides. La caractéristique essentielle de l'invention réside donc dans une section non 3 2788324 circulaire du trou de communication pour en augmenter le périmètre àa aire donnée, tout en respectant les contraintes s'imposant à l'homme de métier. On exposera maintenant les raisons que l'on peut donner de l'avantage procuré par l'augmentation du périmètre du trou de communication en ce qui concerne le niveau sonore. Ce niveau sonore est proportionnel à l'énergie dégagée lors du choc du clapet sur son siege. Or, cette énergie, fonction de la vitesse d'impact, peut être exprimée sous la forme W = fi (h, masse) 1o en fonction décroissante de la masse du clapet, et croissante de la distance h le séparant du siège lorsqu'il est dans sa position ouverte. En ce qui concerne le débit de l'électrovanne, il s'exprime sous la forme Q. f2(, AP) o S est la section de passage du fluide au niveau du clapet et Ap est la pression différentielle entre les parties amont et aval de l'électrovanne. Or, on constate que, si la distance h est faible devant les dimensions transversales du trou de communication, la section de passage est S = P x h o P/' est le périmètre du trou de communication. Si l'on souhaite par conséquent, pour une pression différentielle Ap0 donnée, obtenir un débit donné C)Q, la section de passage est imposée à une valeur S0. Par ailleurs, l'aire du conduit d'aspiration du fluide, c'est-à-dire l'aire de la section transversale du trou de communication, doit être sensiblement conservée pour des raisons dimensionnelles et aérodynamiques. Donc, si h doit être diminué pour faire décroître W et le niveau sonore, on est amené à augmenter le périmètre P du trou de communication, à aire sensiblement constante. On a vu précédemment que cette augmentation du périmètre pouvait être réalisée par tout moyen compatible avec les contraintes imposées par le fonctionnement de l'électrovanne. C'est ainsi que, dans un mode de réalisation particulier, ledit trou de communication possède une section de forme étoilée. 4 2788324 Le trou de communication comporte donc des branches dont le périmètre augmente le périmètre d'ensemble du trou de communication. Dans ce mode de réalisation, une partie du trou de communication demeure à la partie centrale du siège. Cette solution présente l'avantage d'offrir au fluide une plus grande section de passage et d'entraîner en conséquence une réduction des pertes de charge. Plus particulièrement, ledit trou de communication peut posséder une section cruciforme. Dans un autre mode de réalisation, ledit trou de communication a sa surface répartie autour d'une surface centrale fermée du siège. Dans ce mode de réalisation, on évite que certaines parties de la surface du trou de communication, et donc du périmètre de ce dernier, se trouvent à une distance beaucoup plus grande que d'autres parties de la source de la dépression. Dans ce cas en effet, une partie importante de l'écoulement peut passer uniquement par ces dernières parties du fait des pertes de charge, ce qui revient à neutraliser partiellement l'efficacité de certaines zones du périmètre et peut donc aller à l'encontre de l'objet de l'invention. On verra ci-après un autre avantage que peut présenter la surface centrale fermée du siège du clapet. Dans ce mode de réalisation, le siège de clapet selon l'invention peut plus particulièrement comporter une pluralité de trous de communication répartis autour d'une surface centrale fermée du siège. Encore plus particulièrement, lesdits trous de communication peuvent posséder sensiblement une forme de secteurs d'anneau disposés autour de ladite surface centrale. Encore plus particulièrement, lesdits trous de communication peuvent être constitués par un trou de communication annulaire divisé par des ponts de matière. On observera que, par rapport à un trou de communication unique possédant un même diamètre extérieur que le trou de communication annulaire précité, ce dernier possède un périmètre augmenté sensiblement de son diamètre intérieur. 2788324 L'invention a également pour objet une électrovanne comportant un siège de clapet tel que décrit ci-dessus. Dans un mode de réalisation avantageux, l'électrovanne selon l'invention est munie d'un clapet d'électrovanne comportant une ouverture en vis-à-vis de ladite surface centrale fermée du siège. Il est ainsi possible de soumettre une partie de la surface du siège à la haute pression régnant en amont de l'électrovanne. On limite ainsi l'effet de ventouse dû à l'augmentation de la surface du siège résultant de l'éloignement de certaines parties de son périmètre. On favorise en outre l'écoulement du fluide à partir des zones centrales du périmètre du trou de communication. Plus particulièrement, ladite surface centrale du siège peut comporter un évidemment en vis-à-vis de ladite ouverture, de section supérieure à celle de l'ouverture. L'ouverture précitée dans le clapet d'électrovanne peut ainsi rester de faible dimension, la partie de la surface du siège soumise à la haute pression régnant en amont de l'électrovanne étant en ce qui la concerne de dimension beaucoup plus importante. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, deux modes de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite cidessus, est une vue partielle en coupe axiale d'une électrovanne selon l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une électrovanne selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue de dessous en perspective de l'organe de siège de l'électrovanne selon ce premier mode de réalisation; - la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV de la figure 2; et - la figure 5 est une vue en perspective de l'organe de siège de l'électrovanne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. On a utilisé aux figures 2 à 4, pour les organes homologues de ceux référencés à la figure 1, les mêmes références augmentées de 10. Ces organes ne seront donc pas décrits plus en détail. 6 2788324 Dans le mode de réalisation des figures 2 à 4, I'organe de siège 1 1 est sensiblement de révolution et vissé dans un filetage formé à la surface d'une nervure annulaire faisant saillie à l'intérieur du boîtier 12. Il divise le volume interne de l'électrovanne en une partie amont à haute pression, constituée par l'intérieur d'une cuve 20 et par une chambre périphérique 21 du boîtier 12 formant un couvercle de la cuve 20, et une partie aval à basse pression, constituée par une chambre centrale 23 du boîtier 12 et par une tubulure d'aspiration 24. La cuve 20 reçoit, coaxialement à l'organe de siège 11, le conduit 17 constituant le noyau d'une bobine électromagnétique formée d'un bobinage enroulé sur un bobinot 26. L'armature 18 formant clapet est guidée entre l'organe 11 et la bobine, parallèlement à l'axe de ces derniers. La course du clapet est limitée, en position fermée vers l'organe 11 par son siège 16, et en position ouverte vers la bobine par des organe de butée 27. En absence d'excitation, des moyens élastiques non représentés plaquent le clapet 18 contre son siège 16, 1'électrovanne étant par conséquent fermée. En position ouverte, le clapet se trouve à une distance h de son siège. Les trous de communication 28 formé dans l'organe de siège 11 entre les parties amont 13 et aval 14 de l'électrovanne ont des sections transversales en forme générale de "haricots" identiques et régulièrement répartis autour de l'axe de l'organe 11. Ces trous de communication 28 sont ici au nombre de quatre. En d'autre termes, la communication entre les parties amont et aval est assurée par un orifice annulaire divisé en quatre par des ponts de matière 29 assurant le maintien du noyau 30 de l'organe 11. Le siège 16 comporte donc une surface centrale fermée 31 correspondant à la surface d'extrémité du noyau 30, entourée par les bouches des trous de communication 28. L'armature 18 et le joint d'étanchéité 19 possèdent un orifice axial 32. Cet orifice débouche, du côté de l'organe de siège 11, dans un évidemment circulaire 33 formé dans la surface centrale 31, de diamètre supérieur à celui de l'orifice 32. L'intérieur de l'évidement 33 est donc soumis à la haute pression régnant dans la partie amont 13 de l'électrovanne. Ainsi, I'effet de ventouse auquel doivent s'opposer les forces électromagnétiques pour décoller le clapet de son siège, est limité à la 7 2788324 pression différentielle appliquée aux deux surfaces du siège 16 sensiblement annulaires, intérieure et extérieure, bordant les bouches des trous de communication 28, et à la surface des ponts de matière 29. Dès que le clapet est décollé de son siège et amené en butée contre les organes 27, le fluide s'écoule de la partie haute pression 13 de l'électrovanne à sa partie basse pression 14. Pour une pression différentielle Ap, le débit de cet écoulement est donné par Q= f2(S0 xAp) ou o So =4Po xh Po étant le périmètre de la bouche d'un des trous de communication 28. Si la largeur des trous de communication 28 est relativement faible, leurs diamètres intérieur et extérieur sont peu différents, soit D. Dans ce cas 4Po 2(ir x D) 1s de sorte que So 2(7rxD)xh=2(P est fixé de toute manière convenable au boîtier de l'électrovanne. Le trou de communication 38 unique formé dans l'organe de siège 11' entre les parties amont et aval de l'électrovanne est centré sur l'axe de cet organe de siège et possède ici une section cruciforme. Plus précisément, ce trou est composé de quatre lobes externes 39 reliés chacun à une partie centrale 40 par une branche 41. La section de passage du fluide est donc égale ici au produit de la course du clapet par le périmètre du trou 38 comprenant les lobes 39 et les branches 41. L'organe de siege 11' d'électrovanne possède donc une partie centrale qui permet d'augmenter la section de passage du fluide et donc, à surface égale, de réduire les pertes de charges. 9 2788324 REVENDICATIONS 1 - Siege de clapet d'électrovanne, notamment pour système d'alimentation en mélange combustible de moteur à combustion interne, comportant un trou de communication (28; 38) pour faire communiquer une partie amont (13) et une partie aval (14) de l'électrovanne lorsqu'un clapet (18) de l'électrovanne est en position ouverte, caractérisé par le fait que ledit trou de communication possède, pour une aire donnée, un périmètre de longueur optimale. 2 - Siège de clapet selon la revendication 1, dans lequel ledit trou de communication (28) a sa surface répartie autour d'une surface centrale fermée (31) du siège. 3 - Siège de clapet selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comportant une pluralité de trous de communication (28) répartis autour d'une surface centrale fermée (31) du siège. 4 - Siège de clapet selon la revendication 3, dans lequel lesdits trous de communication (28) possèdent sensiblement une forme de secteurs d'anneau disposés autour de ladite surface centrale (31). 5 - Siège de clapet selon la revendication 4, dans lequel lesdits trous de communication (28) sont constitués par un trou de communication annulaire (31) divisé par des ponts de matière (29). 6 - Electrovanne caractérisée par le fait qu'elle comporte un siège (16) de clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7 - Electrovanne selon l'ensemble des revendications 2 et 6, munie d'un clapet d'électrovanne (18) comportant une ouverture (32) en vis-àvis de ladite surface centrale fermée (31) du siège. 8 - Electrovanne selon la revendication 7 dans laquelle ladite surface centrale du siège comporte un évidemment (33) en vis-à-vis de ladite ouverture (32), de section supérieure à celle de l'ouverture. 9 - Siège de clapet selon la revendication 1, dans lequel ledit trou de communication (38) possède une section de forme étoilée. - Siège de clapet selon la revendication 7, dans lequel ledit trou de communication (38) possède une section cruciforme. 11 - Electrovanne caractérisée par le fait qu'elle comporte un siège de clapet (38) selon l'une quelconque des revendications 9 et 10.