Brevet FR2856458A1 — publié le 20041224

Domaine de l'invention La présente invention concerne une soupape de commande d'un fluide, comprenant un boîtier de soupape, une unité d'actionnement électromagnétique avec une bobine, un induit au moins par zones en 5 forme de tube, muni de perçages de sortie radiaux, en étant, précontraint par un ressort et guidé en coulissement axial dans un manchon de guidage, cet induit comportant un organe d'obturation de soupape qui coopère avec un siège de soupape et commande une veine de fluide entre un côté d'entrée et un côté de sortie. Etat de la technique On connaît une telle soupape par exemple utilisée dans un moteur à combustion interne à essence d'un véhicule automobile comme soupape d'injection de carburant ou injecteur de carburant intégré dans une conduite d'alimentation en carburant. L'injecteur de carburant connu comprend un boîtier muni d'une unité d'actionnement électromagnétique d'un induit. L'unité d'actionnement électromagnétique comprend une bobine qui agit sur un induit guidé en coulissement axial dans un manchon de guidage. L'induit comporte au niveau de sa face frontale libre un organe d'obturation de 20 soupape de forme sphérique coopérant avec un siège de soupape en forme de siège conique. L'induit est au moins en partie de forme tubulaire et comporte des perçages de sortie, radiaux, allant de l'intérieur de l'induit vers une chambre de pression délimitant radialement l'induit, pour que l'organe d'obturation de soupape ouvert permette au carburant de passer 25 vers le côté de sortie de la soupape. En aval du siège de soupape on a en outre une rondelle ou disque à orifices d'éjection, muni de buses, permettant de pulvériser le carburant. L'injecteur de carburant, connu, ne permet que de faibles débits massiques de sorte qu'il ne peut être utilisé comme soupape à gaz 30 d'une pile à combustible ou d'un moteur à gaz. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne une soupape du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que les perçages de sortie sont réalisés et l'induit effectue une course tels qu'il règne entre le côté d'entrée et le siège 35 de soupape, une résistance aéraulique plus faible qu'au niveau du siège de soupape. La soupape de commande d'un fluide selon la définition cidessus a l'avantage de permettre de régler des débits massiques même importants nécessaires pour des applications utilisant un gaz. Les perçages de sortie ont une forme telle et l'induit une course telle qu'il règne entre le côté d'entrée et le siège de soupape, une résistance aéraulique plus faible qu'au niveau du siège de soupape. Il apparaît que dans la soupape 5 selon l'invention, pour des différences de pression élevées, entre le côté d'entrée et le côté de sortie, et qui peuvent atteindre jusqu'à 10 bars, on aura une augmentation pratiquement linéaire du débit massique en fonction de la durée d'ouverture. La soupape selon l'invention a une structure compacte et permet ainsi un réglage simple du débit et pour des gaz la 10 soupape aura un comportement d'ouverture stable jusqu'à des pressions élevées. La soupape selon l'invention est notamment destinée à des applications de soupapes à gaz pour une pile à combustible ou pour un moteur à combustion interne fonctionnant avec du gaz, et elle peut servir 15 à réguler le débit de gaz combustible par exemple le débit d'hydrogène ou celui d'un gaz naturel comprimé (gaz CNG). Selon un mode de réalisation préférentiel de la soupape selon l'invention, l'induit a une course supérieure à 150 pm et de préférence supérieure à 250 fm; la bobine est une bobine faiblement ohmique dont 20 la résistance se situe par exemple entre 2 Q et 3,5 Q. L'utilisation d'une bobine faiblement ohmique permet d'obtenir des forces magnétiques beaucoup plus grandes par comparaison aux courses importantes des injecteurs d'essence, habituels. Pour un siège de soupape d'un diamètre par exemple de 25 l'ordre de 2,1 mm, il est intéressant que l'induit comporte au moins quatre et de préférence six perçages de sortie ayant de préférence chacun au moins un diamètre d'au moins 1 mm. En principe, le nombre des perçages de sortie et leur alignement sur l'induit correspond aux exigences dans de telles applications. On peut les fixer par des calculs par simulation ou en30 core par des essais. L'organe d'obturation de soupape a principalement une forme sphérique et coopère avec un siège de soupape en forme de siège conique. Le diamètre de l'organe d'obturation de soupape en forme de bille est par exemple égal à 3 mm. Dans ce cas, le siège de soupape, c'est-à-dire 35 la section de passage libre au niveau du siège de soupape, aura un diamètre par exemple de l'ordre de 1,6 mm. En plus, pour augmenter le débit massique au niveau du siège de soupape, on peut utiliser une pièce formant le siège de soupape et ayant des canaux débouchant directement en amont du siège de soupape et favorisant un écoulement supplémentaire au niveau du siège de soupape. La pièce formant le siège de soupape peut être réalisée selon le procédé de moulage par injection de métal (procédé MIM) pour réaliser les 5 canaux. Les canaux peuvent avoir une section ronde, ovale ou une section de rognon. Pour la protection contre l'usure, l'organe d'obturation de soupape en forme de bille peut avoir une couche résistante aux chocs par exemple en carbone ou en vernis lubrifiant. En variante ou en plus, le i0 siège de soupape peut également comporter une couche anti-usure. Pour réduire le bruit à la fermeture de l'organe d'obturation de soupape, l'induit comporte un moyen d'amortissement fonctionnant comme moyen d'amortissement de choc lors de la fermeture de l'organe d'obturation. Le moyen d'amortissement est constitué par exemple par un 15 ressort hélicoïdal entourant l'induit et qui, à la fermeture de l'organe d'obturation de soupape, s'appuie contre une pièce formant le siège de soupape. Ce ressort, qui peut également être revêtu d'un vernis lubrifiant, sert en outre à éviter le basculement de l'induit ou à permettre un guidage avantageux de l'induit. De plus, dans les applications au gaz il peut être intéressant de munir l'organe d'obturation de soupape d'un joint de préférence en élastomère ou en matière plastique au niveau de la zone d'étanchéité. Le joint sert également de butée pour la fermeture de l'organe d'obturation de soupape. Pour réduire encore plus les bruits de fonctionnement, la soupape selon l'invention peut comporter un silencieux formé d'un manchon par exemple engagé de force ou soudé. Le manchon a une longueur définie par simulation et/ou par des mesures expérimentales pour être optimisé en fonction des conditions. Si la soupape selon l'invention présente, en aval du siège de soupape, un disque à orifices d'éjection, celle-ci aura un perçage important permettant des débits massiques de n'importe quel ordre de grandeur, nécessaires pour les applications au gaz. Dans le cas de la soupape selon l'invention, pour les applications au gaz on peut en général suppri35 mer le disque à orifices d'éjection. La soupape selon l'invention peut également faire partie d'un répartiteur de gaz, intégré. Elle peut aussi comporter un silencieux Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de trois exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale simplifiée d'une soupape à gaz selon l'invention, - la figure 2 montre une variante de réalisation d'une soupape à gaz avec un amortisseur de rebondissement selon une variante de réalisation, - la figure 3 montre une vue à échelle agrandie de l'amortisseur de re10 bondissement de la soupape à gaz de la figure 2, - la figure 4 est une coupe longitudinale d'une soupape à gaz munie d'un silencieux. - la figure 5 montre un insert pour une soupape Description de modes de réalisation La figure 1 montre une soupape à gaz 10 destinée à être appliquée à une pile à combustible ou à un moteur à gaz d'un véhicule automobile, pour servir à réguler un débit de gaz combustible, par exemple un débit d'hydrogène ou un débit d'un gaz naturel sous pression (gaz CNG) entre un côté d'entrée 1 1 et un côté de sortie 12. La soupape à gaz 10 comprend un boîtier 13 en une ou plusieurs parties muni d'une bobine électromagnétique 14 faiblement ohmique ayant une résistance électrique de l'ordre de 3 et faisant partie d'une installation d'actionnement électromagnétique. La bobine électromagnétique 14 entoure un manchon de guidage 15 obtenu par emboutis25 sage profond; dans ce manchon est bloqué un bouchon 16 essentiellement tubulaire fonctionnant comme noyau polaire et réalisé pour servir d'appui à un ressort hélicoïdal 17 constituant un ressort de précontrainte; ce ressort développe une force d'environ 2,5 N. Un induit de soupape 18 est appliqué contre le côté du res30 sort hélicoïdal 17 à l'opposé du côté d'entrée 11. Cet induit est revêtu dans sa partie de grand diamètre d'un vernis lubrifiant de manière à guider l'induit en coulissement axial dans le manchon de guidage 15; la zone de diamètre réduit de l'induit, du côté de la face frontale, comporte un organe d'obturation de soupape 19 en forme de bille. Cet organe 35 d'obturation 19 et l'induit 18 sont soudés l'un à l'autre. L'organe d'obturation de soupape 19, dont les surfaces de guidage sont revêtues d'un vernis lubrifiant, coopère avec un siège de soupape 20 en forme de siège conique; ce siège est réalisé dans un insert 21 essentiellement de forme tubulaire, enfoncé de force dans l'extrémité du manchon de guidage 15 à l'opposé du côté d'entrée 11. L'insert 21 a un orifice de sortie 22 arrivant du côté de sortie 12; cet orifice de sortie a un diamètre d'environ 1,6 mm; l'organe d'obturation de soupape de forme sphérique a un diamètre d'environ 3 mm. Le diamètre de l'orifice de sortie s 22 peut également avoir un diamètre par exemple égal à 2,1 mm. Dans ce cas, l'organe d'obturation de soupape 19 aura un diamètre plus grand, approprié. L'induit 18 a une forme essentiellement tubulaire et comporte un volume intérieur 23 communiquant avec le côté d'entrée 1 1; six 0 perçages de sortie 24 répartis à la périphérie partent du volume d'entrée pour aboutir à une chambre de pression 25, entre l'induit 18 et le manchon de guidage 15. Les perçages de sortie 24 sont prévus dans la zone de diamètre réduit de l'induit 18 et ils ont chacun un diamètre d'au moins 1 mm. Lors de l'ouverture de l'organe d'obturation de soupape 19, le gaz 15 concerné passe de la chambre de pression 25 par l'orifice de sortie 22 de l'insert 21 pour arriver du côté de sortie 12 de la soupape 10. En variante, l'induit 18 peut également avoir plus de six perçages de sortie d'un diamètre plus petit, égal ou même plus grand, pour obtenir un débit massique optimisé ou augmenté. L'induit 18 a une course d'environ 250 [am définie par un entrefer 26 entre l'induit 18 et le bouchon 16; cette course permet de courtcircuiter la bobine faiblement ohmique 14. Le nombre de perçages de sortie 24 et leur diamètre, la course de l'induit 18 et le diamètre du siège de soupape 20 sont choisis 25 pour que la résistance aéraulique entre le côté d'entrée 11 et le siège de soupape 20 soit inférieure à celle au niveau du siège de soupape 20 pour permettre de commander des débits massiques importants à la soupape 10. Les figures 2 et 3 montrent une variante de réalisation 30 d'une soupape 30 pour réguler un débit de gaz d'une pile à combustible ou d'un moteur à gaz. La soupape à gaz 30 correspond pour l'essentiel à la soupape de la figure 1, mais s'en distingue néanmoins en ce qu'elle comporte un ressort 31 optimisé pour un montage en biais; ce ressort entoure le noyau magnétique 18 à l'endroit de son plus faible diamètre et évite un 35 basculement de l'induit 18 tout en servant à amortir le choc de rebondissement lors de la fermeture de l'organe d'obturation de soupape 19. Le ressort 31, optimisé pour une position en biais, coopère à cet effet avec une face frontale de l'insert tubulaire 21 muni du siège de soupape 20. Pour le reste, la construction de la soupape à gaz 30 correspond à celle de la soupape à gaz de la figure 1. La figure 4 montre un autre mode de réalisation d'une soupape 40 pour réguler une veine de gaz d'une pile à combustible ou d'un 5 moteur à gaz. La soupape à gaz 40 correspond également pour l'essentiel à la soupape de la figure 1 mais elle s'en distingue en ce qu'elle comporte un silencieux 41. Le silencieux en forme de manchon est pressé sur le côté du manchon de guidage 15 à l'opposé du côté d'entrée 11. En variante, le manchon 41 peut également être soudé au manchon de guidage 10 15. Pour le reste, la structure de la soupape à gaz 40 correspond à la structure de la soupape à gaz de la figure 1. La figure 5 montre un insert 51 utilisable dans les soupapes des figures 1, 2 et 4 à la place de l'insert 21 permettant d'augmenter encore plus le débit massique au niveau du siège de soupape 20 égale5 ment en forme de siège conique. L'insert 51 est fabriqué selon le procédé de moulage par injection de métal (procédé MIM); il comporte un corps de base 52 également de forme essentiellement tubulaire et son volume intérieur comporte le siège de soupape 20 réalisé en forme de siège conique. En aval du siège 20 conique 20 débouchent plusieurs canaux 53A, 53B communiquant avec la chambre de pression 25 et fournissant le fluide complémentaire ou le gaz lorsque l'organe d'obturation de soupape est ouvert, au niveau du siège de soupape 20; cette veine passe alors par l'orifice de sortie 22 pour arriver du côté de sortie de la soupape respective. Les canaux 53A, 53B ont cha25 cun une section en forme de rognon. REVENDICATIONS 1 ) Soupape de commande d'un fluide, comprenant un boîtier de soupape (13) , une unité d'actionnement électromagnétique avec une bobine (14), un induit (18) au moins par zones en forme de tube, muni de perçages de 5 sortie (24) radiaux, en étant, précontraint par un ressort (18) et guidé en coulissement axial dans un manchon de guidage (15), cet induit (18) comportant un organe d'obturation de soupape (19) qui coopère avec un siège de soupape (20) et commande une veine de fluide entre un côté d'entrée (11) et un côté de sortie (12), 10 caractérisée en ce que les perçages de sortie (24) sont réalisés et l'induit (18) effectue une course tels qu'il règne entre le côté d'entrée (11) et le siège de soupape (20), une résistance aéraulique plus faible qu'au niveau du siège de soupape (20). 2 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'induit (18) a une course supérieure à 150 ftm, de préférence supérieure à 250 tm, et la bobine (14) est une bobine faiblement ohmique. 3 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'induit (18) comporte au moins quatre et de préférence six perçages de sortie (24). 4 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les perçages de sortie (24) ont chacun un diamètre d'au moins 1 mm. 5 ) Soupape selon la revendication 1, 30 caractérisée en ce que l'organe d'obturation de soupape (19) est essentiellement de forme sphérique. 6 ) Soupape selon la revendication 5, 35 caractérisée en ce que l'organe d'obturation de soupape de forme sphérique (19) est muni d'une couche résistante aux chocs. 7 ) Soupape selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'organe d'obturation sphérique et l'induit sont réalisés en une seule pièce. 8 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'induit (18) est muni d'un moyen d'amortissement (31) fonctionnant comme moyen d'amortissement de choc lors de la fermeture de l'organe d'obturation de soupape (19). 10 9 ) Soupape selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'installation d'amortissement (31) est un ressort hélicoïdal entourant l'induit (18) et s'appuyant à la fermeture de l'organe d'obturation (19) 15 contre une pièce (21) formant le siège de soupape (20). 10 ) Soupape selon la revendication 9, caractérisée en ce que le ressort hélicoïdal (31) est revêtu d'un vernis lubrifiant. 20 11 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe d'obturation de soupape est muni, dans la zone d'étanchéité, d'un joint de préférence en un élastomère ou en matière plastique. 25 12 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le siège de soupape est muni, dans la zone d'étanchéité, d'un joint de préférence en élastomère ou en matière plastique. 30 130) Soupape selon la revendication 1, caractérisée par un silencieux (41) .