Brevet FR3092378A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : CLAPET ANTI-RETOUR [0001] La présente invention a pour objet un clapet de commande de fluide, et notamment un clapet anti-retour utilisable dans un circuit de carburant de moteur à combustion interne, par exemple un moteur diesel, comportant des injecteurs du type à chambre de commande hydraulique. L'invention permet d'obtenir un réglage précis du débit de carburant injecté par les injecteurs dans les cylindres du moteur, en maîtrisant la pression en aval de la chambre de commande des injecteurs. [0002] La figure 1 illustre un circuit de carburant 1 d'un moteur, dans lequel peut être mise en oeuvre l'invention. [0003] Le carburant provient d'un circuit d'approvisionnement, non représenté, comprenant un réservoir de carburant et une pompe à basse pression. Le carburant est porté à haute pression par une pompe à haute pression 2, puis il est envoyé dans une rampe commune d'injection à haute pression 3 (« common rail » en langue anglaise) qui dessert des injecteurs 4, ici au nombre de quatre. La pression est ajustée en fonction du point de fonctionnement du moteur, par exemple entre 400 et 2500 bar, généralement en réglant le débit de carburant débité par la pompe à haute pression 2. Le sens de circulation du carburant dans les différentes parties du circuit 1 est indiqué par les flèches 6. [0004] La rampe commune 3 peut comporter, à son autre extrémité, un régulateur de pression ou un limiteur de pression, qui est relié à un conduit de retour 5 représenté en pointillé. [0005] Le carburant est délivré par la rampe commune 3 aux injecteurs 4 qui sont ty- piquement du type « à chambre de commande hydraulique ». Leur fonctionnement sera décrit ci-dessous. [0006] Le carburant est injecté sous haute pression clans des chambres de combustion du moteur, non représentées, en dessous des quatre injecteurs 4 sur la figure 1. [0007] Les injecteurs 4 sont en outre reliés à un circuit de retour du carburant à basse pression, pour l'évacuation du débit de carburant provenant des chambres de commande des injecteurs 4. Cc circuit est équipé d'un clapet 7 dont le rôle est, par son ouverture, de maîtriser la pression du carburant sortant dc la chambre de commande des injecteurs 4, de manière à maîtriser le réglage du débit de carburant injecté dans les cylindres. [0008] Un injecteur dit « à chambre de commande hydraulique » comprend typiquement un corps d'injecteur alésé dans lequel coulisse une aiguille d'injecteur dont une extrémité est logée dans une chambre d'injection reliée à un conduit 8 d'alimentation en carburant à haute pression. 2 [0009] L'aiguille coopère avec un siège de soupape ménagé dans le corps d'injecteur, de manière à permettre ou à empêcher l'expulsion du carburant vers une chambre de combustion, via au moins un orifice d'injection percé à travers l'extrémité du corps d'injecteur débouchant dans la chambre de combustion. L'expulsion du carburant est matérialisée sous les injecteurs 4 par des flèches verticales 6 dirigées vers le bas dc la figure 1. [0010] Dans le cas d'un injecteur à chambre de commande hydraulique, la chambre d'injection est séparée d'une chambre de pression commandée, située à l'autre extrémité du corps d'injecteur. La chambre dc pression commandée, également appelée chambre dc commande, est généralement reliée, d'une part, au conduit 8 d'alimentation en carburant à haute pression, et, d'autre part, à une canalisation de décharge contenant une vanne de commande ou vanne de décharge, et débouchant dans une zone dc basse pression dans un conduit de retour de carburant 9, via des connecteurs 10, des conduits 11, et des connecteurs inter-tuyaux 12. Un capteur de température 13, un conduit de retour à basse pression 14, un connecteur 15 vers le circuit de retour à basse pression, et un conduit 16 acheminant le carburant dans le circuit de retour à basse pression complètent le circuit 1. [0011] Quand l'injecteur 4 est fermé, la vanne de décharge est en position fermée, si bien que les pressions régnant dans la chambre d'injection et la chambre de commande sont identiques. L'aiguille d'injecteur est maintenue plaquée sur son siège dc soupape grâce à l'effort exercé par un ressort taré. L'expulsion de carburant est empêchée. [0012] Lors de la phase d'ouverture de l'injecteur 4, l'aiguille de l'injecteur se soulève de son siège, provoquant la libération du carburant. Elle est soumise à l'action du carburant sous haute pression dans la chambre d'injection, tandis qu'à son autre extrémité la chambre de pression commandée est mise à la décharge brutalement grâce à l'ouverture de la vanne de commande. Cette vanne peut être actionnée grâce à un actionneur solénoïde ou piézoélectrique par exemple. [0013] Les figures 2 et 3 illustrent un tel injecteur à chambre de commande hydraulique. [0014] Le carburant est acheminé depuis la rampe commune 3 (figure 1) par le conduit 8. Il alimente par deux branches distinctes 17 une chambre d'injection 18 et une chambre de commande 19, visible sous la référence 23 de la figure 3, et située au-dessus d'une aiguille d'injection 20. La chambre de commande 19 est alimentée ici via un premier gicleur 21 et l'expulsion du carburant vers le circuit de retour de carburant se fait via un deuxième gicleur 22 lorsqu'une vanne de commande, appelée vanne de décharge, dont l'extrémité 24 est visible sur la figure 3, est déplacée vers le bas grâce à Factionnement d'un solénoïde ou d'un piézoélectrique. [0015] Quand la vanne de décharge est en position fermée (position « en haut » sur les figures 2 et 3), le carburant dans la chambre de commande 19 est à la pression délivrée 3 par la rampe commune, c'est-à-dire typiquement entre 400 et 2500 bar, selon le point de fonctionnement du régime-charge du moteur, et la chambre de commande 19 est sensiblement étanche. Il y a toutefois, en raison des jeux entre les différents composants de l'injecteur 4 et de la haute pression, un débit non nul de fuites statiques de carburant qui s'écoulent vers le circuit de retour du carburant. [0016] Quand on ouvre la vanne de décharge (position « en bas » sur les figures 2 et 3), comme la pression régnant à l'autre extrémité de la vanne est à basse pression, un débit de carburant s'écoule de la chambre de commande 19 vers le circuit de retour de carburant. Ceci provoque la remontée de l'aiguille 20 de l'injecteur vers la partie supérieure de la chambre de commande 19 et libère le carburant de la chambre d'injection 18 vers la chambre de combustion. [0017] Le débit de carburant qui s'écoule vers la zone de basse pression est la somme du débit de fuites statiques et du débit de fuites dynamiques qui résulte de l'ouverture de la vanne de décharge. Plus précisément, au moment de l'ouverture de la vanne de décharge, le débit de carburant s'écoulant de l'injecteur 4 est encore égal au seuil de débit de fuites statiques. Le clapet 7 (figure 1) est fermé. A mesure que la vanne de décharge s'ouvre, la pression dans le circuit de retour du carburant en amont du clapet anti-retour 7 commence à augmenter sous l'effet de la poussée du carburant mais le clapet 7 reste fermé tant que la pression n'est pas suffisamment élevée. La pression en amont du clapet anti-retour 7 continue à augmenter jusqu'à ce que le clapet 7 s'ouvre. A partir de l'ouverture, le débit traversant le clapet 7 augmente progressivement jusqu'à atteindre le débit de fuite total, c'est-à-dire le débit dit «(le commande » de l'injecteur 4 correspondant à la somme du débit statique et du débit dynamique. [0018] L'équilibre des forces au niveau de la vanne de décharge de l'injecteur, ou ancre, prend en compte la force de l'actionneur, la force du ressort, la force du carburant sous haute pression dans l'injecteur, la force du carburant sous la vanne dans la chambre, et la force du carburant au-dessus de la vanne dans le circuit de retour du carburant. [0019] La précision du pilotage de l'injecteur dépend donc de la pression dans le circuit de retour du carburant, cette pression devant être maîtrisée. Pour réguler cette pression, la solution la plus courante est l'emploi d'un clapet sur la ligne de retour. [0020] Par l'expression « précision du pilotage de l'injecteur », on entend le fait que, en fonction de chaque point de fonctionnement régime-charge du moteur, un calculateur du moteur pilote les instants d'ouverture et de fermeture de l'injecteur ainsi que la haute pression du carburant délivrée par la rampe commune, de manière à injecter une quantité bien déterminée de carburant pour réaliser la combustion dans les cylindres. [0021] Cette quantité, ou débit, est une fonction de la durée de la levée de l'aiguille d'injecteur et aussi de la différence de pression qui règne entre d'une part la chambre d'injection (correspondant à la haute pression) et d'autre part la chambre de décharge commandée. Cette dernière pression correspond, aux pertes de charge près entre la vanne de décharge et le clapet 7, à la pression régnant en amont du clapet 7 dans le conduit 9. [0022] La haute pression est bien maîtrisée grâce au réglage du débit de carburant entrant dans la pompe à haute pression. La durée de levée de l'aiguille d'injecteur est également bien maîtrisée grâce à des actionneurs précis, par exemple électriques, qui sont très réactifs. [0023] En conséquence, il est nécessaire de pouvoir maîtriser la pression en amont du clapet de manière à régler très précisément le débit de carburant injecté dans le cylindre. Idéalement, il conviendrait d'assurer une pression constante connue pendant toute la durée de l'ouverture de la vanne de décharge de l'injecteur, de manière que la différence de pression entre la chambre de commande et la chambre d'injection soit également constante pour un point de fonctionnement donné du moteur, le débit de carburant injecté dans les chambres de combustion étant alors ajustablc en ajustant la durée d'injection en proportion. [0024] Tel qu'illustré à la figure 4, un clapet 7 comprend classiquement une bille 71 poussée par un ressort 72 contre une ouverture du circuit basse pression situé en amont du clapet 4, c'est-à-dire à la droite du clapet 7 sur la figure 1, et qui achemine vers le clapet 7 le débit de fuite de carburant depuis la chambre de décharge de l'injecteur. Le sens de circulation du carburant est illustré par les flèches 6. [0025] Lorsque la pression de carburant atteint un certain seuil, la bille 71 est repoussée vers la droite par le carburant qui comprime le ressort. Le carburant peut alors s'écouler vers le circuit basse pression situé en aval du clapet 7, à gauche du clapet 7 sur la figure 1, puis être renvoyé dans le réservoir de carburant. [0026] Ce seuil de pression correspond à l'ouverture du clapet anti-retour 7. La pression dans le circuit basse à pression amont, c'est-à-dire la pression dans la chambre de décharge des injecteurs, aux pertes de charge près dans la série des tuyaux qui relient l'injecteur au clapet, est due au clapet anti-retour 7. [0027] Les caractéristiques d'un clapet dépendent du taraudage du ressort, qui donnera la pression d'ouverture, et de la section de passage du fluide, après ouverture du clapet. Plus le débit augmente, plus la pression augmente. Le clapet est donc dimensionné en fonction du débit de retour maximal des injecteurs et d'une pression maximale à ne pas dépasser. [0028] Les clapets connus de l'état de la technique, comme par exemple le clapet décrit dans le document FR-A1-2395440, comportent généralement un corps de clapet logeant le ressort et la bille dans un alésage de section sensiblement constante, notamment de forme cylindrique. Avec une telle section de passage constante, lorsque le débit traversant le clapet augmente, la pression augmente. Il n'est ainsi pas possible d'assurer une pression sensiblement constante en amont du clapet. [0029] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. [0030] L'invention a ainsi pour objet un clapet anti-retour, d'orientation longitudinale, comprenant un corps de clapet, un alésage ménagé à l'intérieur du corps de clapet et définissant un passage longitudinal de fluide depuis l'amont vers l'aval du clapet, un obturateur monté coulissant longitudinalement dans l'alésage entre une position amont pour laquelle le passage de fluide est empêché et des positions aval pour lesquelles le passage de fluide est autorisé, un élément de rappel étant apte à maintenir l'obturateur dans sa position amont lorsque le débit de fluide en amont du clapet est inférieur à une valeur prédéterminée. [0031] Dans le clapet selon l'invention, l'alésage comprend en aval de ladite position amont une portion longitudinale dont la section transversale augmente, par exemple de manière continue, depuis l'amont vers l'aval. [0032] Ainsi, grâce à la section variable de l'alésage, croissante de l'amont vers l'aval, l'augmentation de pression de carburant en amont du clapet, qui est provoquée par une augmentation du débit, est compensée par la baisse de pression provoquée par l'augmentation de la section de l'alésage. On assure ainsi une pression de carburant sensiblement constante en amont du clapet, notamment pendant toute la durée de l'ouverture de la vanne de décharge de l'injecteur, et par suite la différence de pression entre la chambre de commande et la chambre d'injection est maintenue sensiblement constante pour un point de fonctionnement donné du moteur. Le débit de carburant injecté dans les cylindres est alors ajustable en réglant la durée d'injection en proportion. Le réglage précis du débit de carburant conduit à un bon fonctionnement du moteur, notamment en termes de performances et de réduction des émissions polluantes. [0033] La portion longitudinale de l'alésage dont la section transversale augmente depuis l'amont vers l'aval peut présenter une partie de section transversale constante le long de ladite portion longitudinale, prolongée radialement par au moins une rainure dont la section transversale, par exemple rectangulaire, augmente depuis l'amont vers l'aval. [0034] Ladite partie de section transversale constante peut être cylindrique. [0035] Ladite au moins une rainure peut présenter en section longitudinale une forme tri- angulaire rectangle. [0036] La portion longitudinale de l'alésage dont la section transversale augmente depuis l'amont vers l'aval peut comprendre une partie cylindrique de section transversale constante le long de ladite portion longitudinale, prolongée radialement par une pluralité de rainures dont la section transversale est constante le long de ladite portion longitudinale et dont les extrémités amont sont décalées longitudinalement. [0037] Un joint est avantageusement disposé entre l'obturateur et le corps de clapet. 6 [0038] L'obturateur peut être un piston. [0039] Le piston peut être cylindrique et le piston peut être apte à coulisser à l'intérieur de la partie cylindrique de la portion longitudinale de l'alésage dont la section transversale augmente depuis l'amont vers l'aval. [0040] L'invention a également pour objet un ensemble de circulation de carburant de moteur à combustion interne. L'ensemble selon l'invention comprend un clapet antiretour décrit ci-dessus. [0041] Le clapet anti-retour est avantageusement disposé sur un conduit de sortie de carburant issu d'un ou plusieurs injecteurs. [0042] Le conduit de sortie de carburant peut en particulier relier le clapet anti-retour à une chambre de commande d'un ou plusieurs injecteurs. L'injecteur peut être du type à chambre de commande hydraulique décrit ci-dessus. [0043] L'invention a également pour objet un véhicule automobile, comprenant un ensemble décrit ci-dessus. [0044] D'autres caractéristiques et avantages innovants ressortiront de la description ci- après, fournie à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0045] - la figure 1, déjà décrite, illustre de manière schématique un ensemble de circulation de carburant de moteur à combustion interne, [0046] - la figure 2, déjà décrite, est une vue en coupe longitudinale d'un injecteur de l'ensemble de circulation de carburant la figure 1, [0047] - la figure 3, déjà décrite, est une vue de détail de la figure 2, [0048] - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un clapet anti-retour de l'état de la technique mis en oeuvre dans l'ensemble de circulation de carburant de la figure 1, [0049] - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un clapet anti-retour selon l'invention mis en oeuvre dans l'ensemble de circulation de carburant de la figure 1, et [0050] - la figure 6 est une vue en coupe transversale A-A du clapet de la figure 5. [0051] Tel qu'illustré à la figure 5, un clapet and-retour 70 selon l'invention, d'orientation axiale longitudinale, comprend un corps de clapet 73, un alésage 74 ménagé à l'intérieur du corps de clapet 73, un piston 75 et un élément de rappel 72. [0052] Le corps de clapet 73 peut comprendre une zone d'entrée 73a, située du côté amont du clapet 70, une zone de sortie 73b, située du côté aval du clapet, et une zone intermédiaire 73c à l'intérieur de laquelle est réalisée la fonction anti-retour. Les flèches 6 indiquent la direction de circulation du carburant. [0053] La zone d'entrée 73a et la zone de sortie 73b sont cylindriques, avec un alésage intérieur cylindrique 74a et 74b respectivement. [0054] La zone intermédiaire 73c du corps de clapet 73 présente également un diamètre extérieur cylindrique, avec un alésage 74c, 74d intérieur qui accueille un élément 7 d'obturation 75, ici un piston, et un élément de rappel 72, typiquement un ressort. Le diamètre de la partie cylindrique de 74c de l'alésage intérieur 74e, 74d de la zone intermédiaire 73e du corps de clapet 73 est supérieur au diamètre de l'alésage intérieur 74a de la zone d'entrée 73a et au diamètre de l'alésage intérieur 74b de la zone de sortie 73b du corps de clapet 73. [0055] Le piston 75 est globalement cylindrique. Il comprend une partie principale 75a reliée à une partie d'extrémité amont 75b destinée à venir en butée contre la zone amont 73a du corps de clapet 73. La différence de diamètre de l'alésage intérieur entre la zone amont 73a et la zone intermédiaire 73e du corps de clapet 73 implique en effet un épaulement sur lequel va s'appuyer la partie d'extrémité amont 75b du piston 75 sous l'action du ressort 72. De manière à assurer une bonne étanchéité entre le piston 75 et le corps de clapet 73, afin que les fuites internes du clapet 70 soient inférieures au débit minimal des injecteurs, un joint torique 76 est ajouté au piston 75, entre le piston 75 et la zone intermédiaire 73e du corps de clapet 73, sur un pourtour radialement externe de la partie d'extrémité amont 75b du piston. Alternativement, on peut utiliser un joint à lèvres qui est installé dans le corps du clapet 73. [0056] Conformément à l'invention, la section de passage du carburant à l'intérieur du clapet 70 est variable, de manière à garantir une pression élevée en amont du clapet 70 dès les plus faibles débits de fuite de l'injecteur, et à limiter la pression maximale aux forts débits. La section de passage du carburant croît ainsi de l'amont vers l'aval le long d'une portion longitudinale P de l'alésage 74. [0057] A cet effet, une rainure 74d de section croissante depuis l'amont vers l'aval du clapet 70 est formée dans la zone intermédiaire 73c du corps de clapet 73, le long d'une portion longitudinale P de l'alésage. Plus le débit de carburant augmente, plus la pression augmente, créant ainsi un effort supérieur sur le piston 75 qui va se déplacer lorsque l'effort de la pression est supérieur à l'effort du ressort 72. Du fait de la section variable de la rainure 74d, en particulier de la section croissante depuis l'amont vers l'aval, le déplacement du piston 75 de l'amont vers l'aval va augmenter la section de fuite et ainsi provoquer une baisse de la pression. Un nouvel équilibre est donc créé, permettant d'avoir une pression quasi-constante quel que soit le débit, dans la limite de la section maximale de la rainure 74d. [0058] Tel qu'illustré à la figure 6, la rainure 74d peut présenter en section transversale une forme rectangulaire, adjacente à la partie cylindrique 74c de l'alésage intérieur. Elle peut présenter en section longitudinale une forme de triangle rectangle, dont l'hypoténuse s'étend longitudinalement entre un diamètre amont de l'alésage égal au diamètre de la partie cylindrique 74c et un diamètre aval de l'alésage supérieur au diamètre de la partie cylindrique 74c. [0059] En variante, plusieurs rainures peuvent être réalisées pour avoir des sections équi- 8 valentes supérieures. Plutôt qu'une rainure à section variable, il est possible d'utiliser plusieurs rainures de sections constantes dont les entrées sont décalées le long de la course du piston, cc qui créera une pression en fonction du débit qui présentera des paliers de pression. 9