Brevet FR2909432A1 — publié le 20080606

Domaine de l'invention La présente invention concerne une soupape pour injecter un milieu, notamment une soupape pour injecter un carburant liquide ou gazeux. Etat de la technique Selon l'état de la technique on connaît de multiples for-mes de réalisations de soupapes pour injecter des milieux. Récemment, pour l'injection de l'essence et du gazole on recherche de plus en plus des pressions élevées pour l'injection. Cela augmente notamment les contraintes concernant les soupapes d'injection ou injecteurs. En particulier, pour assurer l'étanchéité de l'injecteur ou de la soupape lorsqu'il n'y a pas d'injection, il faut fabriquer les différents composants de l'injecteur ou de la soupape avec la précision la plus élevée possible. Mais cela est relativement compliqué et coûteux. En particulier, pour réduire la consommation et les émissions nocives on utilisera prochainement des pressions de plus en plus élevées pour les petits moteurs et ainsi avoir des véhicules plus économiques. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne une soupape du type défini ci- dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de soupape ayant au moins un orifice de passage et un siège de soupape, un élément de soupape fixe ayant une cavité intérieure, un actionneur placé dans la cavité, un liquide à l'intérieur de la cavité, un élément d'étanchéité souple très résistant sur l'élément de soupape, en communication par son côté intérieur avec le liquide de la cavité et dont le côté extérieur ferme ou libère l'orifice de passage du siège du corps de soupape. La soupape d'injection selon l'invention offre l'avantage, vis-à-vis de l'état de la technique, de pouvoir être fabriquée d'une façon relativement économique tout en s'appliquant à des pressions élevées avec l'étanchéité requise. La soupape selon l'invention comporte un nombre minimum de pièces en mouvement pour être d'une fabrication particulièrement économique. Ce résultat s'obtient selon l'invention en ce que la soupape comporte comme déjà indiqué un corps avec un orifice de passage et un siège de soupape et un élément de soupape fixe. L'élément de soupape possède une cavité recevant un actionneur et du 2909432 2 liquide. La cavité est fermée de manière étanche du côté extérieur par un élément d'étanchéité souple et très résistant ; le côté intérieur de l'élément d'étanchéité est en contact avec le liquide dans la cavité. Le côté extérieur de l'élément d'étanchéité assure ainsi l'étanchéité au ni- 5 veau du siège de soupape du corps de soupape et libère l'orifice de pas-sage pour le liquide à injecter ou ferme cet orifice. L'utilisation de l'élément d'étanchéité souple et très résistant garantit que la soupape convienne même pour des applications utilisant des pressions très élevées telles que par exemple une injection de carburant liquide ou 10 l'insufflation de carburant gazeux sous pression. Selon l'invention, les soupapes ou injecteurs peuvent ainsi être réalisés d'une manière très économique. L'élément d'étanchéité souple, le plus résistant, peut assurer une étanchéité parfaite ainsi qu'une certaine élasticité à l'élément d'étanchéité. De plus, la soupape selon l'invention a un très faible en- 15 combrement et en particulier des formes sont possibles pour lesquelles le corps de soupape a une grande longueur et un petit diamètre, ce qui n'était possible selon l'état de la technique qu'avec des difficultés extrêmes et des coûts très élevés. De manière préférentielle, l'élément de soupape fixe est 20 une aiguille de soupape ou d'injecteur ou un tiroir. Cela permet d'utiliser notamment les concepts et les développements existants de soupapes qui, à la différence de l'état de la technique, peuvent être fa-briquées de manière beaucoup plus économique tout en pouvant recevoir des pressions plus élevées. 25 Suivant une autre caractéristique préférentielle, l'élément d'étanchéité a pratiquement la forme d'un capuchon fixé à une extrémité d'un élément de soupape en forme d'aiguille de soupape ou d'aiguille d'injecteur. Cela permet ainsi de réaliser une structure très simple, analogue à celle des injecteurs à aiguille et d'autre part l'élément 30 d'étanchéité sera fabriqué très simplement. La forme de l'élément d'étanchéité présente en coupe une forme de préférence en U. En outre, de manière préférentielle, le côté intérieur de l'élément d'étanchéité, au niveau de sa zone plane, est notamment perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'élément de soupape. 35 Cela permet notamment d'exercer une pression symétrique sur 2909432 3 l'élément d'étanchéité pour une déformation régulière de l'élément d'étanchéité. Selon une variante de réalisation de l'invention, en coupe, la forme de l'élément d'étanchéité correspond pratiquement à une forme 5 de V. En particulier, cela permet d'assister une position de rappel de l'élément d'étanchéité après la libération de l'orifice de passage par la forme de l'élément d'étanchéité. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, entre le corps de soupape et l'élément de soupape il y a au 10 moins une zone d'alimentation pour fournir le milieu à injecter à l'élément d'étanchéité. D'une manière particulièrement préférentielle, la zone d'alimentation comporte des cavités en forme de canaux sur le côté intérieur du corps de la soupape et/ou sur le côté extérieur de l'élément de soupape. Cela permet une construction particulièrement compacte 15 de la soupape. De manière préférentielle, l'actionneur logé dans la cavité de l'élément de soupape est un actionneur piézo-électrique. Les actionneurs piézo-électriques conviennent tout particulièrement car ils sont miniaturisés. En variante, on peut également utiliser un actionneur 20 électromagnétique ou mécanique. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, la soupape comporte en outre une membrane souple dans la cavité de l'élément de soupape, reliée à l'actionneur. Lorsqu'on commande l'actionneur, la forme de la membrane change de sorte que 25 l'élément d'étanchéité se soulève du siège de soupape. La membrane se déforme à partir de la cavité, vers l'extérieur. Cela permet une construction particulièrement compacte si l'actionneur est placé entre l'élément d'étanchéité et la membrane, de sorte que l'élément d'étanchéité et la membrane se font face. 30 Selon une autre caractéristique, la course de l'actionneur est démultipliée par une installation de démultiplication. Cela permet d'exercer des efforts particulièrement importants sur le liquide emprisonné dans l'élément de soupape. L'élément d'étanchéité est de préférence en un métal très 35 élastique, en particulier en un alliage de verre métallique ou acier 2909432 4 amorphe encore appelé verre métallique en vrac (verre BMG). En va-riante, l'élément d'étanchéité est fabriqué dans un alliage de titane ou en une matière plastique très résistante. L'élément d'étanchéité est fixé à l'élément de soupape, de préférence par collage ou soudage. 5 La soupape selon l'invention présente ainsi seulement un faible nombre de pièces en mouvement de sorte que l'usure sera faible et qu'il n'y aura pratiquement pas de coût d'entretien. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide io d'exemples de réalisation préférentiels de l'invention représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une soupape correspondant à un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, 15 - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une soupape corres- pondant à un second exemple de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une soupape corres- pondant à un troisième exemple de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4., 20 - les figures 6a-6f sont des vues en coupe schématiques de différents éléments d'étanchéité appliqués à une soupape selon l'invention, - la figure 7 est une vue en coupe schématique d'une soupape corres- pondant à un quatrième exemple de réalisation de l'invention. Description de modes de réalisation préférentiels de l'invention 25 En référence aux figures 1 et 2 on décrira ci-après une soupape 1 correspondant à un premier exemple de réalisation de l'invention. Comme le montre la figure 1, la soupape 1 comporte un corps 2 dont une extrémité est munie d'une orifice de passage 2a. Le 30 dessin ne montre qu'un orifice de passage 2a mais en réalité il y en a plusieurs. Le corps 2 de la soupape est en outre muni d'un siège de soupape 2b, de forme annulaire, réalisé sur le côté intérieur du corps de soupape 3. La soupape 1 comprend en outre un élément d'aiguille 3 (aiguille d'injecteur) non mobile réalisé en deux parties dans cet exemple. 35 L'élément d'aiguille de soupape 3 comprend une première partie 3a et 2909432 5 une deuxième partie 3b. Une cavité fermée 3c est réalisée dans l'élément d'aiguille de soupape. La cavité 3c reçoit un actionneur qui, dans cet exemple de réalisation, est un actionneur piézo-électrique. Le restant de la cavité 3c reçoit un liquide 5. 5 Comme cela apparaît à la figure 1, la première partie 3a de l'élément d'aiguille de soupape 3 est en forme d'aiguille proprement dite avec un canal intérieur 3d ouvert à l'extrémité de l'élément d'aiguille 3. La cavité 3c et le canal 3d sont toutefois fermés de manière étanche du côté sortant, par un élément d'étanchéité 6 en forme de ca- lo puchon. L'élément d'étanchéité 6 est fixé à l'élément d'aiguille 3 par collage, soudage ou brasage. L'élément d'étanchéité 6 a des caractéristiques souples et très résistantes ; il est formé de préférence en des parties très élastiques comme par exemple un alliage de titane (Nitinol) ou un alliage de verre métallique (alliage BMG). Comme cela 15 apparaît à la figure 1, lorsque la soupape est fermée, l'élément d'étanchéité est appliqué de manière étanche contre le siège de soupape 2b de forme annulaire du corps de soupape 2. Comme cela apparaît en outre à la figure 2, le côté intérieur du corps de soupape 2 comporte un grand nombre de canaux de guidage 2c, allongés, pour conduire le 20 fluide à injecter jusqu'au siège de soupape 2b. Le premier exemple de réalisation présenté aux figures 1 et 2 est une soupape pour injecter du carburant mis sous pression dans les canaux d'alimentation 2c. La figure 1 montre la soupape 1 ou injecteur en position 25 fermée. En activant l'actionneur piézo-électrique 4, comme l'indique la flèche A, une pression élevée est exercée par l'actionneur piézo-électrique 4 sur le liquide 5 comme l'indiquent les flèches B qui produit une déformation élastique locale de l'élément d'étanchéité 6 très élastique. Ainsi, l'élément d'étanchéité 6 assure l'étanchéité au niveau du 30 siège de soupape 2b. Cette étanchéité est très importante car le fluide à injecter peut être sous une pression très élevée. Pour ouvrir la soupape, on commande l'actionneur piézo-électrique 4 pour qu'il se raccourcisse, ce qui permet de réduire la pression agissant sur l'élément d'étanchéité 6 qui libère par élasticité le siège de soupape 2b. La matière de l'élément 35 d'étanchéité 6 ne doit pour cela n'avoir qu'un module d'élasticité relati-2909432 6 vement faible. Le fluide qui se trouve dans les canaux d'alimentation 2c peut ainsi passer par l'orifice 2a du corps de soupape 2 et être par exemple injecté dans la chambre de combustion. Pour refermer la sou-pape, on actionne l'actionneur piézo-électrique 4 pour qu'il s'allonge et 5 exerce une pression par le liquide 5 sur l'élément d'étanchéité 10 qui s'applique de nouveau contre le siège de soupape 2b. Selon l'invention, la soupape comporte un nombre très réduit de pièces mobiles ce qui permet une fabrication très économique. Grâce à la forte élasticité de l'élément d'étanchéité 6 on peut réaliser 10 dans une certaine zone, une étanchéité par la forme entre l'élément d'étanchéité 6 et le siège de soupape 5b. Comme liquide 5 on utilise par exemple de l'huile ou une composition fluide (pâteuse) de silicone. Pour la soupape selon l'invention, on peut réaliser des soupapes par exemple avec un élément d'aiguille long et de petit diamètre. 15 En référence à la figure 3, on décrira de manière détaillée un second exemple de réalisation de l'invention pour lequel les éléments identiques ou de même fonction porteront les mêmes références que dans le premier exemple de réalisation. A la différence du premier exemple de réalisation, la sou- 20 pape 1 du second exemple de réalisation comporte en outre une membrane 7. La membrane 7 ferme un côté de la cavité 3c de l'élément d'aiguille 3. La membrane 7 est reliée à l'actionneur 4 qui dans cet exemple de réalisation est également un actionneur piézo-électrique placé dans la cavité 3c. La figure 3 montre la soupape à l'état fermé. En 25 commandant l'actionneur 4 comme l'indique la flèche A, on déforme la membrane 7 selon la position du trait interrompu 7'. L'élément d'étanchéité 6, dont le côté intérieur est en liaison avec le liquide 5, se soulève du siège de soupape 2b. Cela correspond à l'injection du fluide à travers l'orifice de passage 2a du corps de soupape 2. Pour permettre 30 à la membrane 7 de se déformer, la cavité 3c comporte une zone 3e remplie de gaz. Comme le montre la figure 3, la membrane 7 est en outre installée entre la première partie 3a et la seconde partie 3b de l'élément de soupape 3. Selon la figure 3, le côté de la membrane 7 tourné vers la 35 cavité 3c est en contact avec le liquide 5, des orifices de passage 4a 2909432 7 étant réalisés dans l'actionneur 4. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond au premier exemple et on se réfèrera à la description déjà faite. Selon les figures 4 et 5 on décrira ci-après un troisième 5 exemple de réalisation de l'invention pour lequel les éléments identiques ou de même fonction portent les mêmes références que dans l'exemple de réalisation précédent. Selon la figure 4, la soupape 1 du quatrième exemple de réalisation correspond pour l'essentiel au premier exemple de réalisation à la différence toutefois qu'il est prévu une installation de démultiplication 8 dans l'élément d'aiguille 3. L'installation de démultiplication 8 démultiplie la course de l'actionneur 4 qui est un actionneur piézo-électrique. Cela permet d'exercer une pression plus élevée sur le liquide 5, à l'intérieur de l'élément d'étanchéité 6. Ainsi la soupape 1 de ce troi- 15 sième exemple de réalisation peut s'appliquer à des pressions plus élevées. En outre, l'élément d'aiguille est seulement en une seule partie et l'actionneur 4 assure l'étanchéité à l'extrémité opposée de l'élément d'étanchéité 6 par un joint 9. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond aux 20 exemples précédents et on se reportera à la description déjà faite. Les figures 6a-6f montrent en coupe, différentes possibilités de réalisation de l'élément d'étanchéité 6 très élastique. Tous les éléments d'étanchéité 6 présentés sont symétriques par rapport à l'axe X-X de la soupape 1. L'élément d'étanchéité 6 présenté à la figure 6a a 25 en coupe une forme de U et se réalise d'une manière particulièrement simple et économique. L'élément d'étanchéité 6 présenté à la figure 6b a en coupe une forme de U et une zone plate 6a. La zone plate 6a a pour fonction d'assurer une répartition de pression régulière à l'extrémité de l'élément d'étanchéité 6. Cela permet une étanchéité particulièrement 30 régulière au niveau du siège de soupape. L'élément d'étanchéité de la figure 6c présente, en plus de la zone plane 6a, à son côté intérieur, également un rétrécissement périphérique 6b. La figure 6d montre en coupe une forme de réalisation en V de l'élément d'étanchéité 6 qui favorise le rappel de l'élément d'étanchéité. L'élément d'étanchéité 6 de la 35 figure 6e a une partie rétrécie 6c dans la direction axiale X-X et une 2909432 8 zone d'extrémité 6d se terminant en pointe. Cela permet de réaliser une étanchéité, notamment en surface, par l'élément d'étanchéité 6. L'élément d'étanchéité 6 de la figure 6f est un élément analogue à celui de la figure 6c mais la partie rétrécie 6b est plus accentuée et le côté 5 extérieur est en partie en forme sphérique. En principe, on remarque que la réalisation de la surface d'étanchéité extérieure de l'élément d'étanchéité 6 dépend chaque fois du siège de soupape 2b du corps de soupape 2. La figure 7 montre une soupape 1 correspondant à un 10 quatrième exemple de réalisation de l'invention pour lequel les parties identiques ou analogues aux exemples de réalisation précédents portent les mêmes références. A la différence des exemples de réalisation précédents, la soupape 1 du quatrième exemple de réalisation a la forme d'une sou- 15 pape à tiroir dont le tiroir 13 est prévu comme élément de soupape. Mais le tiroir 13 est installé de manière fixe dans le corps de soupape 12. Selon la figure 7, le tiroir 13 comporte deux zones 13a, 13b de forme annulaire, venant en saillie. La première zone annulaire 13a comporte un premier élément d'étanchéité 16a et la seconde zone annulaire 13b 20 comporte un second élément d'étanchéité 16b. Les traits interrompus 16a', 16b' montrent les déformations des éléments d'étanchéité 16a, 16b à la figure 7 représentant l'état étanche. Le premier et le second élément d'étanchéité 16a, 16b réalisent l'étanchéité des sièges de sou-pape 12b qui sont de forme annulaire. Le tiroir 13 comporte un premier 25 canal 17a et un second canal 17b. Comme dans les exemples de réalisation précédents, les canaux 17a, 17b sont replis d'un premier fluide 15a et d'un second fluide 15b. Une extrémité des canaux débouche du côté intérieur du premier élément d'étanchéité 16a ou du second élément d'étanchéité 16b et l'autre extrémité des canaux se termine cha- 30 que fois au niveau d'un actionneur 14a, 14b ; dans cet exemple, les actionneurs sont également des actionneurs piézo-électriques. Le fonctionnement de ce quatrième exemple de réalisation de la soupape est analogue à celui des exemples de réalisation précédents. Lorsque le premier actionneur 14a ou le second actionneur 35 14b sont commandés, il exerce une pression sur le fluide 15a, 15b pro- 2909432 9 duisant une déformation élastique du premier élément d'étanchéité 16a ou du second élément d'étanchéité 16b mis dans les positions 16a' ou 16b'. Dans ces positions, les orifices de passage 12a du corps de sou-pape 12 sont fermés. Aucun fluide ne peut sortir alors des orifices de 5 passage 12a. Dans l'état ouvert représenté à la figure 7, le fluide peut toutefois passer sur le côté extérieur des éléments d'étanchéité 16a, 16b et sortir par les orifices de passage 12a pour être injecté dans un volume, par exemple dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Cet avantage de la soupape réalisée comme soupape à 10 tiroir selon ce quatrième exemple de réalisation, est de pouvoir ouvrir ou fermer séparément les orifices de passage 12a. Toutefois, les moyens constructifs, du fait de l'utilisation de deux actionneurs 14a, 14b et de deux volumes fermés de liquide 15a, 15b sont plus importants. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond à l'exemple de réalisation 15 précédent et on se reportera à la description déjà faite. 20 REVENDICATIONS 1 ) Soupape pour injecter un milieu, comprenant un corps de soupape (2 ; 12) ayant au moins un orifice de passage (2a ; 12a) et un siège de soupape (2b ; 12b), un élément de soupape fixe (3 ; 13) ayant une cavité intérieure (3c ; 17a, 17b), un actionneur (4 ; 14a, 14b) placé dans la cavité (3c ; 17a, 17b), un liquide (5 ; 15a, 15b) à l'intérieur de la cavité, un élément d'étanchéité souple très résistant (6 ; 16a, 16b) prévu sur l'élément de soupape (3 ; 13), en communication par son côté intérieur avec le liquide (5 ; 15a, 15b) de la cavité et dont le côté extérieur ferme io ou libère l'orifice de passage (2a) du siège de soupape (2b ; 12b) du corps de soupape (2 ; 12). 2 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que 15 l'élément de soupape fixe (3 ; 13) est une aiguille d'injecteur fixe ou un tiroir fixe. 3 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que 20 l'élément d'étanchéité (6) pratiquement en forme de chapeau est fixé à une extrémité de l'élément de soupape fixe (3 ; 13). 4 ) Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce qu' 25 une forme de l'élément d'étanchéité (6) en coupe correspond pratique-ment à une forme de U. 5 ) Soupape selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que 30 le côté intérieur de l'élément d'étanchéité (6) a une zone plane (6a) notamment perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X de l'élément de sou-pape (3 ; 13). 6 ) Soupape selon la revendication 3, 35 caractérisée en ce qu' 2909432 11 en coupe la forme de l'élément d'étanchéité (6) correspond pratiquement à une forme de V. 7 ) Soupape selon la revendication 1, 5 caractérisée en ce que l'élément d'étanchéité (6) est fabriqué en un alliage de verre métallique ou un alliage de titane. 8 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée par au moins une zone d'alimentation (3e, 3f) entre le corps de soupape (2) et l'élément de soupape (3), pour fournir le milieu à injecter à l'élément d'étanchéité (6). 9 ) Soupape selon la revendication 8, caractérisée en ce que la zone d'alimentation comporte des cavités en forme de canaux sur le côté intérieur du corps de soupape (2) et/ou des cavités en forme de canaux sur le côté extérieur de l'élément de soupape (3). 10 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'actionneur (4) est un actionneur piézo-électrique. 11 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle comprend en outre une membrane souple (7) placée dans la cavité (3c) intérieure de l'élément de soupape (3) et reliée à l'actionneur (4), et lorsque l'actionneur (4) est commandé, la forme de la membrane (7) change pour éloigner l'élément d'étanchéité (6) du siège d'étanchéité (2b).35