EP1902214B1 - Limiteur de pression - Google Patents

Description

• 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. Des dispositifs comme celui divulgué dans le document US-4 062 336 , avec un clapet sans bille, ne conviennent pas pour les pressions de fonctionnement requises.
• 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 au surplus 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 méplats axiaux permettant le passage 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 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 de la pression lorsque le débit à décharger augmente.
• Selon l'invention, pour parvenir à cet objectif, le poussoir, classiquement dépourvu de voies de passage axiales pour le fluide et coulissant avec un faible jeu fonctionnel dans la chemise, est de plus dimensionné pour obstruer partiellement chaque ouverture d'échappement, dont au moins une est reliée à une ouverture également pratiquée dans la chemise et débouchant au moins partiellement du côté opposé du poussoir, de manière à fournir une contre-pression.
• Le recouvrement des ouvertures d'échappement crée une restriction hydraulique aux droits desdites ouvertures. Et, sous l'effet du débit de décharge, cette restriction et l'absence de voies de passage dans le poussoir crée 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 concomitante d'une ouverture pratiquée dans la chemise de l'autre côté du poussoir et reliée aux ouvertures d'échappement permet en fait la création d'un différentiel de pression de part et d'autre du poussoir.
• En somme, la surpression provoquée par le débit de décharge du côté des restrictions hydrauliques d'une part, et la pression de retour de l'autre côté du poussoir d'autre part, aboutissent à générer sur ce dernier un effort qui s'oppose à l'action du ressort et diminue sa charge en fonction du débit de décharge.
• 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 hémisphérique 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 une action de direction axiale sur elle.
• Cette excroissance, outre sa fonction de transmission du mouvement du poussoir à la bille, est particulièrement bien adapté à la configuration qui fait l'objet de l'invention. De préférence, le siège hémisphérique est en effet disposé au fond d'un puits axial débouchant dans la chambre aval, qui prolonge l'orifice reliant les chambres et est apte à loger l'excroissance dépassant du poussoir.
• L'existence du puits est rendue quasi nécessaire par les performances du dispositif de l'invention, qui aboutissent à mieux compenser l'action des moyens de rappel lorsque le débit augmente, ce qui peut impliquer un déplacement plus important du poussoir lorsqu'il s'écarte du siège de la bille.
• Pour ne pas perdre la bille, il est alors important que l'excroissance axiale dépassant dudit poussoir plonge dans le puits mentionné, pour y maintenir la bille même lorsqu'elle s'éloigne du siège.
• Selon une alternative possible, l'excroissance axiale dépassant du poussoir et la bille sont d'une seule pièce.
• Pour des raisons de fabrication, la chambre 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 l'alésage 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 d'un bouchon fermant l'extrémité de la chemise à l'opposé de la chambre à haute pression.
• En termes de fabrication, ledit bouchon obéit à la même logique que la pièce dans laquelle est réalisé le siège de la bille.
• Selon une configuration préférentielle, la chambre aval comporte deux ouvertures d'échappement, comme déjà mentionné, qui permettent de renvoyer le fluide déchargé du circuit à haute pression vers par exemple un réservoir de carburant.
• 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 une telle configuration ;
• la figure 4 est une vue en coupe de la configuration qui fait l'objet de la présente invention ; et
• la figure 5 représente la courbe des pressions en fonction des débits obtenue avec cette nouvelle configuration.
• 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 : $${\mathrm{F}}_{\mathrm{RO}}\mathrm{+}{\mathrm{K}}_{\mathrm{R}}{\mathrm{x\; X}}_{\mathrm{b}}\mathrm{=}\left({\mathrm{P}}_{\mathrm{rail}}\mathrm{-}\mathrm{\Delta }{\mathrm{P}}_{\mathrm{hydrodynamique}}\right){\mathrm{x\; S}}_{\mathrm{F}}$$

  
• Avec : F_RO : effort initial du ressort sur la bille ;
• K_R : raideur du ressort ;
• X_b : levée de la bille ;
• P_rail : pression du système ;
• ΔP_{hydrodynamique} : diminution de pression au droit de la section de fermeture due à la mise en vitesse ;
• S_F : section de fermeture.
• ΔP_{hydrodynamique} dépend directement du débit et donc de la section de fermeture ainsi que de la levée de la bille. $$\mathrm{\Delta }{\mathrm{P}}_{\mathrm{hydrodynamique}}\mathrm{=}\mathrm{K}{\mathrm{P}}_{\mathrm{hydrodynamique}}\mathrm{/}{\mathrm{S}}_{\mathrm{F}}{\mathrm{xX}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{Q}\right)$$

  

  avec KP_{hydrodynamique} : raideur hydrodynamique du sous-ensemble bille/siège. En remplaçant dans (1), nous obtenons: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{rail}}\mathrm{=}\mathrm{1}\mathrm{/}{\mathrm{S}}_{\mathrm{F}}\left[{\mathrm{F}}_{\mathrm{RO}}\mathrm{+}{\mathrm{X}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{Q}\right)\left({\mathrm{K}}_{\mathrm{R}}\mathrm{+}\mathrm{K}{\mathrm{P}}_{\mathrm{hydrodynamique}}\right)\right]$$

  
• 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.
• La configuration modifiée qui fait l'objet de l'invention, et apparaît en figure 4, améliore un certain nombre de dispositions constructives pour remédier à cet inconvénient.
• Dans cette nouvelle configuration, 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.
• Par rapport à cette dernière, les modifications majeures concernent le poussoir (3), le positionnement du siège (8) et l'existence d'une ouverture supplémentaire (15) dans le corps de la chemise (4).
• Le poussoir (3), à présent dépourvu de passages axiaux pour le fluide, est de surcroît dimensionné de telle sorte que, lorsqu'il maintient la bille (2) contre son siège (8), il empiète sur les surfaces des ouvertures (12, 12'), créant ainsi une restriction hydraulique aux droits de ces ouvertures. Sous l'effet du débit de décharge, il se crée une surpression dans la chambre (10). L'ouverture (15), reliée à au moins une des ouvertures (12, 12'), impose sur le côté du poussoir (3) au niveau duquel elle débouche une pression identique à la pression du fluide en échappement telle qu'elle se trouve au niveau des ouvertures (12, 12').
• Les deux sections transversales opposées du poussoir (3) reçoivent donc une pression différente. Ce différentiel crée sur le poussoir (3) un effort qui tend à s'opposer à l'action du ressort, et permet de diminuer, en fonction du débit de décharge, la charge du ressort (5) sur la bille (2).
• Dans ce cas, l'effort que reçoit la bille (2) du poussoir (3) est : $${\mathrm{F}}_{\mathrm{RO}}\mathrm{+}{\mathrm{K}}_{\mathrm{R}}{\mathrm{x\; X}}_{\mathrm{b}}-{\mathrm{P}}_{\mathrm{A}}\left(\mathrm{Q}\right){\mathrm{x\; S}}_{\mathrm{p}}$$

  
• Avec : F_RO : effort initial du ressort sur la bille ;
• K_R : raideur du ressort ;
• X_b : levée de la bille ;
• P_A : pression différentielle dans la chambre (10) générée par le recouvrement poussoir/corps ;
• S_p : section du poussoir.
En considérant l'équation (1), nous obtenons : $${\mathrm{P}}_{\mathrm{rail}}\mathrm{=}\mathrm{1}\mathrm{/}{\mathrm{S}}_{\mathrm{F}}\left[{\mathrm{F}}_{\mathrm{RO}}\mathrm{+}{\mathrm{X}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{Q}\right)\left({\mathrm{K}}_{\mathrm{R}}\mathrm{+}\mathrm{K}{\mathrm{P}}_{\mathrm{Phydrodynamique}}-{\mathrm{\beta }}_{\mathrm{A}}\right)\right]$$

• Avec _βA=P_A(X_b)xS_P, fonction de la pression dans la chambre aval (10) générée par le débit de décharge.
• La nouvelle valeur de P_rail aboutit à une courbe caractéristique de pression dans le rail en fonction du débit telle que représentée en figure 5.
• Il apparaît dès lors clairement que la nouvelle configuration permet de diminuer la pression dans le circuit de haute pression même lorsque les débits augmentent, ce qui est fidèle à la finalité du produit.
• Compte tenu du différentiel de pression qui existe entre la chambre aval (10) et le côté du poussoir (3) coopérant avec le ressort (5), le déplacement dudit poussoir (3) peut être sensiblement plus important que dans les versions de l'art antérieur. Afin de ne pas perdre la bille (2), son siège (8) a alors été disposé au fond d'un puits (16) qui guide et centre au surplus l'excroissance (11) dépassant du poussoir (3) au moment de la fabrication. L'excroissance (11) empêche dans tous les cas la sortie de la bille (2).
• La configuration de l'invention permet notamment une réduction importante des dimensions du limiteur de l'invention. Elle ne constitue cependant qu'un exemple possible de mise en oeuvre de l'invention.

Claims (7)

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), ladite chambre aval (10) comportant au moins une ouverture (12, 12') d'échappement 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), le poussoir (3) étant dépourvu de voies de passage axiales pour le fluide et coulissant avec un faible jeu fonctionnel dans la chemise (4), caractérisé en ce qu'il est dimensionné pour obstruer partiellement chaque ouverture (12, 12') d'échappement, dont au moins une est reliée à une ouverture (15) également pratiquée dans la chemise (4) et débouchant au moins partiellement du côté opposé du poussoir (3), les moyens d'obturation consistant 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), ladite bille (2) coopérant avec une excroissance (11) dépassant axialement du poussoir (3) et qui exerce une action de direction axiale sur la bille (2).
2. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le siège hémisphérique (8) est disposé au fond d'un puits axial, débouchant dans la chambre aval (10), qui prolonge l'orifice (9) reliant les chambres (7, 10) et est apte à loger l'excroissance (11) dépassant du poussoir (3).
3. Limiteur de pression (27) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'excroissance axiale (11) dépassant du poussoir (3) et la bille (2) sont d'une seule pièce.
4. Limiteur de pression (27) selon l'une des revendications 1 à 3, 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).
5. 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.
6. Limiteur de pression (27) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les extrémités du ressort (5) sont fixées sur deux plots axiaux (13, 14) dépassant respectivement du poussoir (3) et d'un bouchon (6) fermant l'extrémité de la chemise (4) à l'opposé de la chambre (7) à haute pression.
7. Limiteur de pression (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre aval (10) comporte deux ouvertures d'échappement (12, 12').

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