Brevet FR2894641A1 — publié le 20070615

Limiteur de pression La présente invention s'applique à un limiteur de pression utilisable dans un circuit de fluide à haute pression pour limiter la pression en cas de défaillance d'un des composants du circuit. Il s'agit en fait d'un clapet de décharge en pression utilisé par exemple dans des systèmes d'injection de carburant à rail commun. Le dispositif a en l'espèce une fonction de sécurité et de protection du système en réduisant la pression en cas de problème de fonctionnement de l'un des composants de contrôle (injecteur, capteur de pression, régulateur de débit). Dans cet exemple, qui constituera le fil conducteur de la présente description, le clapet limiteur de pression est soumis à la haute pression du système d'injection, celle qui existe à l'intérieur des rails communs utilisés pour l'injection dans les moteurs. Cette pression peut aller de 200 à 2000 bars selon les systèmes. Ce type de clapet de décharge est classiquement constitué d'une chemise, formant l'enveloppe externe, à l'intérieur de laquelle coulisse un poussoir sollicité axialement par des moyens de rappel et actionnant des moyens d'obturation d'un orifice faisant communiquer dans certaines conditions une chambre amont d'admission du fluide à haute pression avec une chambre aval d'échappement. Cette dernière est délimitée par la paroi de la chemise, un côté du poussoir et la paroi en regard dans laquelle est pratiqué l'orifice obturable. La chambre aval comporte ensuite au moins une ouverture d'échappement du fluide, par exemple à destination du réservoir du véhicule. Pour pouvoir jouer son rôle de clapet de déchargement uniquement en cas de problème, les moyens d'obturation sont maintenus en position d'obturation de l'orifice par les moyens de rappel en deçà d'un seuil prédéterminé de pression dans la chambre amont. Ce seuil est déterminé par l'emploi de moyens de rappel de calibre adapté. Dans les dispositifs de l'art antérieur, les moyens d'obturation sont en général constitués d'une bille qui vient obturer un siège conique pratiqué dans la paroi percée de l'orifice de communication entre les chambres, la bille étant alors plaquée contre ledit siège par l'action du ressort sur le poussoir. Lorsque l'action due à la pression existant dans le circuit à haute pression (c'est-à-dire dans le rail commun) devient supérieure à la charge initiale du ressort, la bille se déplace et permet en principe la limitation de la pression par décharge du débit excédentaire vers la chambre aval, puis échappement vers un réservoir. Dans les dispositifs de limitation connus, le poussoir comporte une excroissance lui permettant d'exercer une action sur la bille. Dans la position d'obturation, cette excroissance est prévue de longueur telle que la ou les ouvertures d'échappement du fluide existant dans la chambre aval ne sont pas recouvertes par le poussoir, ce qui laisse ces ouvertures totalement fonctionnelles en toutes circonstances. Le poussoir comporte par ailleurs des passages axiaux permettant l'écoulement du fluide vers le côté opposé du poussoir, celui sur lequel agit le ressort. Cette configuration aboutit cependant en réalité à faire croître la pression de décharge lorsque le débit augmente, sous l'effet combiné de la raideur hydraulique, qui est liée à la dynamique du fluide dans la phase de détente, et de la raideur du ressort. En d'autres termes, et le calcul de l'équation de cette courbe le confirme, la pression de décharge suit une courbe caractéristique qui voit la pression augmenter lorsque le débit augmente à partir de la valeur seuil d'ouverture de l'orifice. Or, ce dispositif est un organe de sécurité, supposé limiter l'augmentation de la pression pour ne pas endommager les composants du système. Pour qu'il remplisse sa fonction correctement, il faudrait donc que, quand les moyens d'obturation s'ouvrent, la pression diminue ou, au pire, reste constante. Ce n'est pas le cas pour les dispositifs employés jusqu'ici, qui consacrent un effet inverse puisque la pression continue à monter lorsque le débit augmente. La présente invention se propose de remédier à cet inconvénient, et de promouvoir une solution permettant d'aboutir à une décroissance réelle de l'augmentation de la valeur de la pression dans le circuit à haute pression lorsque le clapet de décharge est ouvert. La disposition constructive qui fait l'objet de l'invention permet à cet effet une compensation de l'effet hydrodynamique qui n'était pas pris en compte dans les dispositifs antérieurs. Cette compensation vise principalement à réduire le gradient d'augmentation de la pression lorsque le débit à décharger augmente. Selon l'invention, pour parvenir à cet objectif, la chambre aval est à titre principal dépourvue d'ouvertures d'échappement du fluide, une ou plusieurs ouvertures étant en revanche prévue(s) du côté du poussoir opposé à ladite chambre. Les voies de passage axiales sont de plus dimensionnées de manière à créer, en présence d'un débit de décharge, une surpression dans la chambre aval qui agit sur le poussoir et diminue l'action du ressort en fonction de l'intensité du débit. L'augmentation de pression dans le circuit à haute pression est ainsi maîtrisée dans le sens d'une limitation lorsque le débit augmente. L'existence d'une ouverture pratiquée dans la chemise de l'autre côté du poussoir permet l'échappement du fluide, qui n'est plus assuré au niveau de la chambre aval. Selon une configuration possible, la périphérie du poussoir comporte au moins un méplat axial permettant le passage du fluide. La section de passage du fluide résultant du ou des méplat(s) est prévue pour que la surpression provoquée par le débit de décharge aboutisse à créer sur le poussoir une force variable en fonction du débit, qui s'oppose à l'action des moyens de rappel, laquelle diminue à mesure que la force augmente. Selon l'objectif affiché, le gradient d'augmentation de la pression quand le débit augmente s'en trouve réduit. De préférence, le poussoir comporte deux méplats disposés symétriquement par rapport à l'axe du poussoir. Le jeu fonctionnel existant entre le poussoir et la paroi interne de la chemise joue également un rôle dans la fonction de limitation de la pression quand le débit augmente, puisqu'il laisse passer du fluide. Il est de préférence compris entre 80 m et 130 1,m. Plus la valeur du jeu se rapproche de la borne supérieure de l'intervalle, mieux cette fonction est assurée. Au-dessus de cette borne, il y a risque que le poussoir vibre. Jusqu'à cette valeur, il résulte d'essais que le poussoir ne vibre pas du fait de l'existence d'un manchon de fluide sous pression interposée entre lui et la paroi interne du limiteur. Selon une possibilité, le limiteur de l'invention comporte au moins une ouverture radiale pratiquée dans la chemise, et de préférence deux ouvertures coaxiales. Dans cette configuration à ouvertures radiales, chacune est positionnée de manière à être au débouché du méplat. Selon une variante, l'ouverture peut aussi être axiale et pratiquée dans la paroi d'extrémité du limiteur opposée à la chambre à haute pression. Le limiteur peut en fait comporter un bouchon fermant cette extrémité de la chemise, et dans lequel est alors pratiquée l'ouverture axiale. De préférence, comme c'était déjà le cas dans ses devanciers, le limiteur de pression de l'invention comporte des moyens d'obturation consistant en une bille logée dans un siège tronconique dont le fond est percé de l'orifice de communication entre les chambres amont et aval. La bille coopère d'ailleurs également avec une excroissance dépassant axialement du poussoir et qui exerce sur elle une action de direction axiale. Selon une possibilité, ladite excroissance et la bille sont d'une seule pièce. Pour des raisons de fabrication, la chambre à haute pression amont, l'orifice reliant les chambres amont et aval, ainsi que le siège des moyens d'obturation sont agencés dans une unique pièce fermant l'une des extrémités de la chemise. Cette pièce, fabriquée à part, est simplement fixée à l'une des extrémités de la chemise, obstruant le volume cylindrique dans lequel coulisse le poussoir. De préférence, les moyens de rappel consistent en un ressort de compression. Dans ce cas, les extrémités du ressort sont fixées sur deux plots axiaux dépassant respectivement du poussoir et du bouchon fermant l'autre extrémité de la chemise. Le limiteur de pression de la présente invention, dont le poussoir est muni de méplat(s) de passage axial du fluide et d'ouvertures d'échappement côté ressort, est économiquement très favorable, notamment parce qu'il est simple à réaliser et permet le cas échéant de supprimer un ou plusieurs joints de montage. L'invention va à présent être décrite en référence aux figures disposées en annexe, pour lesquelles : la figure 1 représente le schéma général d'un système d'injection de carburant doté d'un limiteur de pression selon l'invention ; la figure 2 montre un limiteur de l'art antérieur, avec un agrandissement de la bille d'obturation et de son siège ; la figure 3 représente la courbe de la pression dans le circuit à haute pression en fonction du débit obtenue avec la configuration de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe de la configuration qui fait l'objet de la présente invention ; et - la figure 5 représente, toujours en coupe, une variante à la configuration de la figure 4. En référence à la figure 1, le rail commun (20) contenant les injecteurs (21) est alimenté en carburant par une pompe à haute pression (22) extrayant l'essence d'un réservoir (23) via une électrovanne (24) de régulation du débit d'entrée. Un capteur de pression (25), également disposé dans le rail commun (20), est relié à une unité centrale électronique (26) qui contrôle notamment l'électrovanne (24). La pression du système est limitée, en cas de défaillance de l'un des composants de contrôle du circuit, par décharge du débit vers le drain de retour de la pompe (22). Cette décharge se fait dans le limiteur de pression (27) qui constitue l'invention. Le carburant ainsi évacué est renvoyé vers un réservoir (28). Le limiteur de pression (27) est en l'occurrence un composant purement mécanique. Ceux qui sont utilisés aujourd'hui, dont un exemple est montré en figure 2, sont basés sur une chemise (4) formant l'enveloppe extérieure du limiteur, et dotée d'un alésage central dans lequel peut coulisser un poussoir (3). Elle est obturée à ses extrémités d'une part par une pièce (1) au niveau de laquelle se fait la connexion au circuit à haute pression, et d'autre part par un bouchon (6). L'action du fluide à haute pression est symbolisée par la flèche P. Ce fluide est d'abord admis dans une chambre à haute pression amont (7) pratiquée dans la pièce (1), qui communique avec le siège (8) de la bille (voir agrandissement) via un orifice (9). Le siège (8) de la bille (2) s'évase vers une chambre (10) aval délimitée par la paroi intérieure de la pièce (1), un des côtés du poussoir (3) et la paroi interne de la chemise (4). La bille (2), qui fait office de moyen d'obturation, est plaquée contre son siège (8) par une excroissance axiale (11) dépassant du poussoir (3). En position de fermeture de l'orifice (9), telle que représentée à la figure 2, cette excroissance (11) a une longueur telle que la dimension axiale de la chambre aval (10) ainsi créée suffit à empêcher tout recouvrement des ouvertures d'échappement (12, 12') par le poussoir (3). L'état d'équilibre en position d'obturation résulte de l'existence d'un ressort (5) qui rappelle le poussoir (3), et par conséquent la bille (2), en position d'obturation. Ce ressort (5) est centré à ses deux extrémités respectivement au poussoir (3) et au bouchon (6) par des plots axiaux (13, 14) qui en dépassent. Le fluide déchargé du circuit à haute pression vers la chambre aval (10) lorsque la bille (2) cesse d'obturer l'orifice (9) s'échappe à destination d'un réservoir, ce que symbolise la flèche T. Dans cette configuration, l'équilibre de la bille lors d'une phase de décharge est régi par la relation suivante : FRO + KR X Xb = (Prail - 6'Phydrodynamique) X SF Avec : FRO : effort initial du ressort sur la bille ; KR : raideur du ressort ; Xb : levée de la bille ; Prao : pression du système ; APhydrodynamique : diminution de pression au droit de la section de fermeture due à la mise en vitesse ; S F : section de fermeture. APhydrodynamique dépend directement du débit et donc de la section de fermeture ainsi que de la levée de la bille. APhydrodynamique= (KPhydrodynamique/SF) X Xb(Q) avec KPhydrodynamique : raideur hydrodynamique du sous-ensemble bille/siège. (1) En remplaçant dans (1), nous obtenons: Praia = 1/SF[FRO+Xb(Q)(KR+KPhydrodynamique)] La courbe caractéristique qui correspond à cette équation est celle qui apparaît en figure 3. Il en résulte clairement qu'à partir d'une valeur seuil d'ouverture de la bille (2), la pression de décharge suit une loi caractéristique telle qu'elle croît à mesure que le débit augmente. Ceci résulte, comme cela apparaît dans l'équation (1), de la raideur hydraulique et de la raideur du ressort. Un tel fonctionnement n'est pas compatible avec l'exigence sécuritaire qui s'attache à ce type de dispositif. Les configurations modifiées qui font l'objet de l'invention, et apparaissent en figures 4 et 5, améliorent un certain nombre de dispositions constructives pour remédier à cet inconvénient. Dans ces nouvelles configurations, les numéros de référence ont été conservés lorsqu'ils s'appliquent à des composants ou éléments qui se trouvaient déjà dans la configuration de l'art antérieur. En figure 4, les modifications majeures concernent le poussoir (3) et le positionnement des ouvertures d'échappement (12, 12') dans le corps de la chemise (4). Le poussoir (3) est à présent pourvu de passages axiaux (15, 15'), en l'espèce des méplats, facilitant l'évacuation du fluide derrière le poussoir (3) et permettant ainsi de diminuer la pression dans la chambre (10) aval. Une réduction du gradient d'augmentation de ladite pression s'effectue corollairement quand le débit augmente. Cette solution s'obtient à des conditions économiquement intéressantes, puisqu'il n'y a pratiquement pas de surcoût par rapport à l'art antérieur et qu'il est dans cette hypothèse possible de supprimer le joint de la chambre amont (7), comme d'ailleurs dans la configuration présentée en figure 2. Les ouvertures (12, 12') d'échappement du fluide sont situées en l'espèce au voisinage de l'épaulement du poussoir (3) situé à la naissance du plot (13) de centrage / fixation du ressort (5). Dans la version illustrée en figure 5, économiquement encore plus favorable car elle permet de s'affranchir de tous les joints, y compris celui du bouchon (6), l'ouverture d'échappement (16) du fluide est en l'occurrence constituée d'un canal traversant le bouchon (6) d'extrémité. La sortie du fluide par l'intérieur du bouchon (6) facilite, comme dans la configuration précédente, l'évacuation du fluide, et l'effet sur le gradient d'augmentation de la pression en cas d'augmentation du débit est le même. Hors les méplats (15, 15'), le jeu fonctionnel est supérieur à 80 [,m, et inférieur à 130 m, et il participe par conséquent au passage axial du fluide et a sa fonction dans l'invention, en optimisant d'ailleurs cette fonction à mesure que l'on s'approche de la borne supérieure. Au delà, comme indiqué auparavant, des vibrations parasites affectant le bon fonctionnement de l'ensemble sont possibles. 8 REVENDICATIONS 1. Limiteur de pression (27) utilisable dans un circuit de fluide à haute pression pour limiter la pression en cas de défaillance d'un des composants du circuit, constitué d'une chemise (4) à l'intérieur de laquelle coulisse un poussoir (3) sollicité axialement par des moyens de rappel (5) et actionnant des moyens d'obturation (2) d'un orifice (9) faisant communiquer une chambre amont (7) d'admission du fluide à haute pression avec une chambre aval (10) délimitée par la chemise (4), un côté du poussoir (3) et la paroi percée dudit orifice (9), ledit poussoir (3) comportant au moins une voie de passage axial du fluide et les moyens d'obturation (2) étant maintenus par les moyens de rappel (5) en position d'obturation de l'orifice (9) en deçà d'un seuil prédéterminé de pression dans la chambre amont (7), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ouverture d'échappement du fluide située du côté du poussoir (3) opposé à la chambre aval (10). 2. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la périphérie du poussoir (3) comporte au moins un méplat axial permettant le passage du fluide. 3. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le poussoir (3) comporte deux méplats (15,15') disposés symétriquement par rapport à l'axe de poussoir (3). 4. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jeu fonctionnel existant entre le poussoir (3) et la paroi interne de la chemise (4) est compris entre 80 Rm et 130 m. 5. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ouverture radiale pratiquée dans la chemise (4). 6. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte deux ouvertures radiales coaxiales. 7. Limiteur de pression (27) selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que chaque méplat (15,15') débouche au niveau d'une ouverture radiale (12,12'). 8. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente une ouverture axiale (16) pratiquée dans la paroi d'extrémité opposée à la chambre (7) à haute pression. 9 2894641 9. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un bouchon (6) fermant l'extrémité de la chemise (4) et dans lequel est pratiquée l'ouverture axiale (16). 10. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'obturation consistent en une bille (2) logée dans un siège hémisphérique (8) dont le fond est percé de l'orifice (9) de communication entre les chambres amont (7) et aval (10). 11. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la bille (2) coopère avec une excroissance (11) dépassant 10 axialement du poussoir (3) et qui exerce une action de direction axiale sur la bille (2). 12. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'excroissance axiale (11) dépassant du poussoir (3) et la bille (2) sont d'une seule pièce. 15 13. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la chambre amont (7), l'orifice (9) reliant les chambres amont (7) et aval (10) et le siège (8) des moyens d'obturation (2) sont agencés dans une pièce (1) fermant l'une des extrémités de la chemise (4). 20 14. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de rappel consistent en un ressort (5) de compression. 15. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les extrémités du ressort (5) sont fixées sur deux plots axiaux (13, 25 14) dépassant respectivement du poussoir (3) et du bouchon (6) fermant l'extrémité de la chemise (4) à l'opposé de la chambre (7) à haute pression.