Brevet FR2899664A1 — publié le 20071012

Dispositif limiteur de pression. L'invention objet de cette demande se rapporte à un dispositif de limitation de pression d'un fluide dans un circuit à haute pression, permettant une décharge dudit fluide lorsque la pression atteint un seuil prédéterminé. Ce dispositif peut par exemple être utilisé dans un système d'injection de carburant à rail commun pour moteurs de véhicules automobiles, afin de limiter la pression en cas de défaillance d'un des composants du circuit. II s'agit donc d'un composant de protection, permettant de garantir l'intégrité des composants du système lorsque la pression atteint des niveaux incompatibles avec un fonctionnement correct de l'ensemble. Dans la suite, l'exemple précité sera réutilisé à des fins explicatives. Un tel dispositif est en fait soumis à la pression qui règne à l'intérieur des rails communs, nécessaire à l'injection dans les poussoirs des moteurs, en particulier dans les moteurs diesel. Cette pression peut aller de 200 à 2500-bars, voire plus selon les systèmes. D'une manière générale, ces dispositifs de limitation sont classiquement constitués d'une chemise, formant l'enveloppe externe et 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 le circuit de fluide à haute pression avec un circuit aval de décharge à basse pression. Les moyens de rappel sont alors calibrés de telle sorte que le clapet ne s'ouvre que lorsque la haute pression excède un seuil prédéterminé. Il existe de nombreux exemples de limiteurs de pression comportant des configurations de valves et de clapets offrant des courbes caractéristiques pression / débit de décharge très différentes selon les géométries choisies. C e dispositif étant un organe de sécurité, par conséquent supposé limiter l'augmentation de la pression pour ne pas endommager les composants du système, il faut pour qu'il remplisse sa fonction correctement que, lorsque les moyens d'obturation s'ouvrent, la pression dans le circuit à haute pression diminue ou au pire reste constante. En d'autres termes, ladite pression doit en principe suivre une caractéristique selon laquelle, lorsque le débit augmente, elle ne dépasse jamais la valeur seuil d'ouverture de l'orifice. Des configurations dans lesquelles la pression dans le circuit à haute pression est maîtrisée dans le sens d'une limitation lorsque le débit augmente ont donc été développées. II s'agit notamment de solutions dans lesquelles on applique une pression différente de part et d'autre du poussoir, de manière à générer sur ce dernier un effort différentiel qui s'oppose à l'action du ressort, et à diminuer sa charge en fonction du débit de décharge. En fait, il s'agit de réaliser une compensation qui vise principalement à réduire le gradient d'augmentation de la pression (lorsque le débit à décharger augmente. II se produit alors une décroissance de la valeur de la pression dans le circuit à haute pression lorsque le clapet de décharge est ouvert et que le débit augmente. Selon d'autres configurations, on crée une surpression en amont du poussoir en présence d'un débit de décharge, surpression qui agit sur le poussoir et diminue l'action du ressort en fonction de l'intensité du débit. La maîtrise des paramètres mécaniques aboutissant à la régulation de pression n'est cependant pas évidente, du fait de la dispersion des caractéristiques des composants résultant notamment de la fabrication. Ainsi, la dispersion dans les caractéristiques du ressort a une influence directe sur le seuil d'ouverture de la valve, seuil qui peut alors changer d'un dispositif à l'autre. De même, dans l'hypothèse des valves de l'art antérieur dans lesquelles la configuration était prévue pour maintenir la pression constante ou légèrement déclinante lorsque le débit augmentait après ouverture du clapet, la dispersion de chaque cornposant prenant part à la gestion et au contrôle de la pression joue un rôle plus ou moins maîtrisable dans le résultat d'ensemble. Or, la pression à débit maximal doit toujours être inférieure à un seuil qui correspond à la pression que peut supporter le système. La dispersion totale étant, dans les configurations précitées, la somme des dispersions à la pression d'ouverture et lors des variations de pression après ouverture, il subsiste une incertitude quant aux performances réellement assurées par les dispositifs de limitation de pression de ce type. C'est ce problème que résout la présente invention, en proposant une solution dans laquelle l'ouverture du clapet, après dépassement du seuil prédéterminé de pression dans le circuit à haute pression, provoque une chute de pression maîtrisée dans le circuit. Seule la dispersion influant la pression d'ouverture, c'est-à-dire la dispersion résultant de la fabrication du ressort, doit dès lors être prise en compte. Cela simplifie considérablement la conception globale du dispositif et des différents composants pris individuellement, pour lesquels les tolérances fabricationnelles à appliquer sont de plus bien moins exigeantes. Le dispositif de limitation de pression de l'invention, comportant classiquement une valve dotée d'un orifice de passage entre le circuit à haute pression amont et un circuit à basse pression aval, ledit orifice comportant un siège aval pour un clapet de fermeture mobile plaqué au contact dudit siège par un ressort de rappel jusqu'à dépassement d'un seuil de pression prédéterminé dans le circuit à haute pression, se caractérise à titre principal en ce que : - le clapet comporte une portion, située dans le prolongement irnmédiat de son extrémité au contact du siège, de section supérieure à l'orifice de passage du fluide et coulissant dans un logement du corps de la valve avec un jeu minimal garantissant l'étanchéité entre les circuits respectivement à haute pression et à basse pression jusqu'à expulsion de ladite portion du logement sous l'effet d'une surpression; - ladite portion coulissante du clapet est maintenue axialement et avec un jeu radial par rapport à un poussoir sur la face opposée duquel s'appuie le ressort de rappel et qui coulisse dans une chemise à laquelle est fixé le corps de la valve; - au moins un orifice d'échappement du fluide équipe le dispositif en aval du clapet pour permettre l'évacuation du fluide lorsque la portion coulissante du clapet est hors du logement. Des dispositifs fonctionnant avec une chute de pression après ouverture du clapet sont déjà connus, par exemple par l'intermédiaire du brevet US 6 536 413. La solution proposée ne va cependant pas dans le sens d'une simplification globale et individuelle des composants permettant de limiter les problèmes de dispersion évoqués auparavant. Ainsi, l'utilisation d'une bille, de surcroît au fond d'un orifice de profondeur non négligeable, pour gérer à la fois le guidage de la bille et l'ouverture de la valve, complique la fabrication puisqu'il faut s'assurer d'une bonne étanchéité au fond du puits, au niveau du contact bille-siège, ce qui n'est guère aisé compte tenu de la profondeur du puits. Or, cette profondeur est nécessaire car il convient non seulement de ne pas perdre la bille à l'ouverture, mais il est de plus nécessaire d'assurer un guidage de l'ensemble clapet / poussoir qui ne se fait pas au niveau de ce dernier dans la solution proposée, le fluide s'échappant sur sa périphérie vers un orifice situé en aval du poussoir. Dans cette :solution, le poussoir de la bille ne pouvant évidemment pas être expulsé hors de son logement dans la valve pour ne pas perdre la bille, le fluide ne peut s'échapper vers le poussoir que du fait de l'existence de méplats latéraux pratiqués sur le poussoir. Il faut donc en plus gérer, pour le contrôle de la chute de pression, la longueur axiale de ces méplats et la longueur de la partie du poussoir coulissant dans le logement de la valve et qui maintient l'étanchéité pendant une partie du coulissement. Cette structure est par conséquent complexe à réaliser. A l'inverse, la solution de la présente invention se contente de mettre en oeuvre une unique portion coulissante du clapet, dont le déplacement est géré par le poussoir et auto-guidé dans le logement du fait de l'existence du jeu radial dans le poussoir, ce qui permet une expulsion de ladite portion coulissante de son logement autorisant du même coup une grande souplesse de fonctionnement et de réglage. La variation du diamètre et de la portion coulissante de la portion coulissante permet d'ajuster facilement la chute de pression et d'obtenir un fonctionnement en mode dégradé du moteur, en cas de problème de surpression dans le rail, permettant à l'utilisateur de rejoindre un garage proche en cas de nécessité. De préférence, l'extrémité du clapet fermant la valve est conique, le siège étant constitué au débouché circulaire de l'orifice cylindrique de passage dans le logement. Une telle configuration avec une pointe conique venant s'insérer dans in orifice circulaire, est facile à fabriquer et garantit une excellente étanchéité. L'existence de cette pointe conique permet en combinaison avec la liaison à jeu radial clapet/ poussoir, de gérer le trajet de la portion coulissante du clapet dans et hors du logement sans avoir recours à des pièces compliquées nécessitant un assemblage avec des tolérances fines. Selon une possibilité, le corps de la valve est constitué d'un bouchon d'allure cylindrique serti dans une extrémité de la chemise, et dans lequel sont pratiqués axialement l'orifice de passage et le logement. En termes de fabrication, le corps de valve reçoit le clapet sur lequel est déposé le poussoir puis le ressort, et enfin la chemise. Le montage de l'ensemble ne présente par conséquent aucune difficulté. De préférence, la chemise guidant le déplacement du ressort et du poussoir est d'une seule pièce avec le fond situé à l'opposé du corps de valve. De préférence encore, le ressort apte à maintenir le clapet en position de fermeture de la valve jusqu'à la valeur seuil de pression est disposée directement au contact respectivement du fond de la chemise situé à l'opposé du corps de valve d'une part, et du poussoir d'autre part. Le ressort est calculé à l'avance pour s'opposer au déplacement du clapet tant que la valeur seuil de pression n'est pas atteinte, et il n'y a par conséquent aucun réglage ou de prises de mesures supplémentaires à mettre en oeuvre dans le process, ce qui constitue un autre avantage prépondérant du dispositif de l'invention. Le montage du dispositif de l'invention est, on l'a vu, particulièrement simple et chacun des composants, pris individuellement, est également de conception simplifiée, de manière à permettre une fabrication industriellement la plus facile possible, laquelle s'avère en pratique économiquement très favorable. La portion coulissante du clapet est en fait située dans le prolongement d'un fût disposé avec un jeu radial dans un orifice du poussoir, qui comporte une collerette permettant son blocage axial lors de l'introduction du clapet dans l'orifice du poussoir. La désolidarisation du clapet de fermeture du poussoir est une condition indispensable au fonctionnement à cause de l'exigence de jeu réduit entre le logement et la portion coulissante du clapet. Par ailleurs, selon une possibilité, la chemise comporte de préférence ai moins un orifice d'échappement du fluide localisé entre le poussoir et la paroi du corps de la valve dans laquelle débouche le logement. La gestion de l'échappement se fait par conséquent immédiatement en sortie du corps de valve, et n'implique pas nécessairement de prévoir un écoulement au niveau du poussoir, comme dans l'art antérieur américain précité, où la périphérie du poussoir laisse passer ledit fluide, imposant que le guidage du clapet soit effectué au niveau de la portion coulissante. De préférence, la chemise comporte deux orifices coaxiaux. Selon une configuration possible, le poussoir peut par ailleurs comporter un orifice de passage du fluide. En fait, le principe sur lequel est basée l'invention est celui d'un clapet à deux étages, qui permet dans un premier temps une limitation de pression dans le circuit à haute pression grâce à un premier seuil d'ouverture, et qui stabilise dans un second temps le système à une pression inférieure, que l'on peut voir comme un second seuil de pression. Ce second seuil permet un fonctionnement dégradé d'un véhicule équipé du dispositif selon l'invention. Le fonctionnement détaillé de ce clapet à deux étages est expliqué dans la suite, en référence aux figures annexées, pour lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif de limitation de pression selon l'invention ; les figures 2a à 2c montrent un détail agrandi de la coopération clapet / valve, avec la portion coulissante du clapet en position respectivement de fermeture de la valve, de coulissement dans le logement de cette dernière, et en sortie dudit logement ; et - la figure 3 représente une courbe caractéristique de la pression en fonction du débit dans le dispositif de l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif de l'invention se compose à titre principal d'une chemise (1) formant l'enveloppe extérieure et associée à un corps de valve (2) qui ferme l'une de ses extrémités. Le volume intérieur est occupé par un poussoir (3) dont le déplacement est notamment tributaire d'un ressort (4), qui exerce une force s'appliquant en direction du corps de valve (2). Un clapet (5) est relié au poussoir (3), par un fût (13) inséré dans un orifice (14) 6 avec un jeu radial, et bloqué axialement par une collerette (15). Ce clapet (5) comporte également une portion (6) coulissant dans un logement (7) du corps de valve (2), le jeu radial précité permettant un auto-centrage simple de l'un dans l'autre, encore amélioré par l'extrémité conique de la portion (6), à chaque fois que la portion coulissante arrive en position d'insertion dans le logement (7). Celui-ci est situé dans le prolongement d'un orifice (8) permettant la communication entre le circuit à haute pression amont (9) et les orifices d'échappement (10, 10') envoyant le fluide, en l'espèce le carburant d'un véhicule autonnobile dans l'exemple utilisé comme fil conducteur de cette description, vers un réservoir de carburant (non représenté). Le poussoir peut par ailleurs comporter un orifice (17) de passage du fluide dans la partie de la chemise (1) située au regard du fond (12) En référence aux figures 2a à 2c, qui montrent la configuration de manière schématique puisque le jeu entre l'orifice du poussoir (3) et le clapet (5) n'y est pas représenté, le fonctionnement du dispositif de l'invention est représenté dans ses trois phases principales. Ainsi, en figure 2a, la portion coulissante (6), représentée par une tige terminée par un pointeau conique, est au contact du siège (11) au débouché aval de l'orifice (8). Le clapet (5) est donc fermé, sa portion coulissante (6) totalement enfoncée dans le logement (7), et le liquide, symbolisé par la couleur sombre, est maintenu dans le circuit à haute pression (9). La force exercée par le ressort de rappel (4) est à ce stade supérieure à celle qui résulte de la pression dans le circuit à haute pression (9). Dès que la pression dans ledit circuit (9) excède une valeur seuil prédéterminée, c'est-à-dire que la force exercée sur le pointeau conique par la pression devient supérieure à Ila force rappel du ressort (4), le clapet (5) se déplace en comprimant le ressort (4), ce qui a pour effet de créer un espace entre le siège (11) et l'extrémité du tronçon coulissant (6). Le siège (11) est en fait constitué par l'arête circulaire de l'épaulement séparant l'orifice cylindrique (8) et la portion cylindrique (7) de plus grand diamètre dans laquelle coulisse la portion (6). La combinaison extrémité conique / siège circulaire (11) permet de garantir simplement l'étanchéité lorsque le seuil prédéterminé de pression n'est pas atteint. Dès que le fluide pénètre dans le volume (7), la surface exposée à la pression est plus grande que celle qui est mise en jeu pendant l'obturation. II s'agit en effet pratiquement de la section du volume (7), alors que, en phase d'obturation, il s'agit de la section de l'orifice cylindrique (8). lI en résulte une plus grande force, qui comprime davantage le ressort (4), et on obtient donc un déplacement supplémentaire du pointeau (6) qui coulisse naturellement dans l'alésage de la chambre (7) jusqu'à en sortir, au niveau du débouché du 7 logement (7) dans la surface (16) du corps de valve (2). Il est possible qu'une légère augmentation de pression soit à considérer, en fonction du temps de dépassement et de la fuite entre pointeau (6) et alésage de la chambre (7). La section du pointeau, c'est-à-dire de la portion coulissante (6), a été dimensionnée de sorte que la position apparaissant en figure 2c puisse être maintenue pour une pression inférieure à la pression initiale d'ouverture, en l'espèce la pression d'arrivée P, (voir figure 3) de la chute de pression, qui correspond en quelque sorte à un deuxième seuil. Le clapet (5) est donc maintenu ouvert par le débit de fluide, avec une pression minimale P, qui correspond à ce deuxième seuil de pression. Quand le débit augmente, la portion (6) et le poussoir (3) reculent en principe, et compriment par conséquent davantage le ressort (4). Il en résulte une légère augmentation de la pression, puisqu'il faut plus de force pour comprimer le ressort. Toutefois, la section de fuite et la section du pointeau sur laquelle s'exerce la pression étant beaucoup plus importantes que celles qui existent au déclenchement initial, au moment où la pression excède la première valeur seuil P2 la plus élevée, la variation de pression qui s'exerce sur le pointeau est beaucoup moins élevée. Pour en revenir à l'exemple d'un système d'injection dans un moteur de véhicule automobile, la pression dans le circuit à haute pression, c'est-à-dire dans le rail commun de l'injecteur, peut par exemple monter jusqu'à 2000 bars. Pour une pression plus élevée, la portion coulissante (6) s'écarte du siège (11), ce qui a pour effet comme on l'a vu d'augmenter la force s'exerçant à l'encontre du ressort (4), du fait de l'augmentation de section. Dès lors que ladite portion (6) est expulsée du logement (7), le clapet peut être maintenu ouvert par une pression par exemple de 800 à 1 000 bars s'exerçant sur la surface totale de ladite portion (6). La section de la portion (6) et la longueur du logement (7) sont les paramètres de réglage du second seuil de pression P,. Ladite pression P, est prévue pour que le moteur continue à fonctionner, en mode dégradé, pour que l'utilisateur ne se retrouve pas avec un véhicule immobilisé. Quand il n'y a plus de débit, ou que la pression redescend à un niveau inférieur au second seuil P,, le clapet (5) se referme. On se retrouve donc dans la configuration montrée en figure 2a. La figure 3 montre bien les deux seuils de pression P, et P2, le seuil le plus élevé P2 permettant l'ouverture initiale du clapet (5), et le second seuil P, maintenant le pointeau (6) hors du logement (7) et permettant l'écoulement du fluide vers le réservoir. Le débit est nul tant que le seuil de pression P2 n'est pas atteint. Après la chute de pression de P2 à P,, le débit peut augmenter sans que la pression n'excède sensiblement le seuil P,. Ce seuil P, est réglé, comme on l'a vu, par 8 les dimensions respectives du logement (7) et du pointeau (6). Il ne varie, encore que légèrement, que lorsque le débit augmente fortement. L'exemple de configuration représenté dans les figures ci-dessus n'est bien entendu pas limitatif de l'invention, et n'en représente qu'un aspect possible.5 REVENDICATIONS 1. Dispositif de limitation de pression d'un fluide dans un circuit à haute pression (9), comportant une valve(2) dotée d'un orifice de passage (8) entre ledit circuit à haute pression amont (9) et un circuit à basse pression aval de décharge, ledit orifice (8) comportant un siège aval (11) pour un clapet (5) de fermeture mobile plaqué au contact dudit siège (11) par un ressort de rappel (4) jusqu'à dépassement d'un seuil de pression P2 prédéterminé dans le circuit à haute pression (9), caractérisé en ce que : le clapet (5) comporte une portion (6) située dans le prolongement immédiat de son extrémité au contact du siège (11), de section supérieure à l'orifice de passage (8) du fluide et coulissant dans un logement (7) du corps de la valve (2) avec un jeu minimal garantissant l'étanchéité entre les circuits respectivement à haute pression (9) et à basse pression jusqu'à expulsion de ladite portion coulissante (6) du logement (7) sous l'effet d'une surpression; ladite portion coulissante (6) du clapet (5) est maintenue axialement et avec un jeu radial par rapport à un poussoir (3) sur la face opposée duquel s'appuie le ressort de rappel (4) et qui coulisse dans une chemise (1) à laquelle est fixé le corps de la valve(2) ; - au moins un orifice d'échappement (10, 10') du fluide équipe le dispositif en aval du clapet (5) pour permettre l'évacuation du fluide lorsque la portion coulissante (6) du clapet est hors du logement (7). 2. Dispositif de limitation de pression selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'extrémité du clapet (5) fermant la valve (2) est conique, le siège (11) étant constitué au débouché circulaire de l'orifice (8) cylindrique de passage du fluide dans le logement (7). 3. Dispositif de limitation de pression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de la valve est constitué d'un bouchon (2) d'allure cylindrique serti dans une extrémité de la chemise (1), et dans lequel sont pratiqués axialement l'orifice de passage (8) et le logement (7). 4. Dispositif de limitation de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise (1) guidant le déplacement du ressort (4) et du poussoir (3) est d'une seule pièce avec le fond (12) situé à l'opposé du corps de la valve (2). 5. Dispositif de limitation de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ressort (4) apte à maintenir le clapet (5) en position de fermeture de la valve (2) jusqu'à la valeur seuil de pression P2 est disposé directement au contact respectivement du fond (12) de la chemise (1) situé à l'opposé du corps de valve (2) d'une part, et du poussoir (3) d'autre part. 6. Dispositif de limitation de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion coulissante (6) du clapet (5) est située dans le prolongement d'un fût (13) disposé avec un jeu radial dans un orifice (14) du poussoir (3), qui comporte une collerette (15) permettant son blocage axial lors de l'introduction du clapet (5) dans l'orifice (14) du poussoir (3). 7. Dispositif de limitation de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise (1) comporte au moins un orifice (10 ; 10') d'échappement du fluide, localisé entre le poussoir (3) et la paroi (16) du corps de la valve (2) dans laquelle débouche le logement (7). 8. Dispositif de limitation de pression selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la chemise (1) comporte deux orifices (10 ; 10') coaxiaux. 9. Dispositif de limitation de pression selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le poussoir (3) comporte un orifice (17) de passage du fluide.