FR2713717A1 - Pompe à actionnement électromagnétique à collision élastique de l'équipage mobile. - Google Patents

Abstract

Pompe dont le piston (ou la membrane) est actionné(e) par un électro-aimant caractérisée en ce qu'un élément élastique (6) est interposé dans l'équipage mobile (2) entre le piston ou la membrane (12) et l'arbre de transmission (5) transmettant la force de l'armature (3) de l'électro-aimant, de façon que la pression dans la chambre de pompage (11) chute brutalement lors de la collision de l'équipage mobile (2) et du chassis (1), alors que l'équipage mobile est renvoyé en arrière à une vitesse appréciable. L'invention s'applique aux pompes comprimant de fluides liquides ou gazeux.

Description

POMPE A ACTIONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE A COLLISION ELASTIQUE
DE L'EQUIPAGE MOBILE.

La présente invention concerne les pompes, à équipage mobile actionné par un électro-aiiant, permettant d'injecter une dose de fluide sous pression dans une canalisation ou directerent dans une chambre d'utilisation.

On connait de multiples débouchés aux systèmes basés sur une poupe à piston ou à membrane, ainsi les moteurs à coabustible à injection ou les chaudières ou les systèmes de découpe par fluide sous pression, etc... Ces systèmes se sont améliorés au fil des années en utilisant par exemple un actionnenent électro-nagnétique pour déplacer le piston ou la membrane de co-pression ou en effectuant la co-ande de façon électrique avec des calculateurs électroniques sophistiqués. Toutefois ces optiaisations n'ont pas apporté de progrès décisifs par rapport à des réalisations mécaniques traditionnelles souvent soins coûteuses. Pourtant il existe une derande constante pour une amélioration des coûts, des nasses et des rendements énergétiques et de production. De plus les normes futures prévoient une réduction drastique de la pollution générée et de la dégradation des gaz de l'atnosphère. Les efforts pour répondre à ces demandes se sont concentrés, entre autres, dans deux directions: l'aiélioration de la dynamique de la fin d'injection et l'injection pilote (ou pré-injection).

L'anélioration de la dynamique de la fin d'injection vise à faire chuter aussi rapidement que possible la pression lors de la fin de l'injection. La solution dominante est aujourd'hui encore l'ouverture d'un canal de délestage (ou de décharge) dans la chambre de pontage, procurant en doyenne des temps de descente de la pression de l'ordre de 500 aicro-secondes. Un des inconvénients de cette solution est que toute l'énergie de pression contenue dans la chanvre de po page au mazent du délestage est perdue sans espoir de récupération, transformée en chaleur dans le fluide. Ainsi les pontes de ce type capables de fournir des pressions im- portantes pour un moteur à explosion ont un rendent nédiocre, sont une charge inportante pour le moteur et augmentent dangereusement la tewpérature du carburant. Une dé arche originale avait pourtant été proposée par la delande de brevet FR 2456858 de la firme LUCAS INDUSTRIES LTD: à la fin de sa course l'armature de l'électro-ainant entrait en collision avec un élément élastique solidaire du chassis qui la repoussait d'une quantité suffisante pour provoquer une réduction de la pression du coibustible. Toutefois la réduction de pression commençait avant meme la phase de retour, dès que l'armature commençait à être ralentie par la force antagoniste de l'élément élastique, ce qui nuisait au résultat escompté. Il est pourtant souhaitable que cet élément élastique procure une course de freinage appréciable, pour éviter une décélération trop violente de l'arature pendant la collision. Il serait avantageux de pouvoir profiter à la fois d'une chute de pression abrupte, d'une décélération progressive de l'armature et d'un retour rapide de celle-ci en position de départ.

L'injection pilote est une injection de très courte durée précédant l'injection principale qui permet d'atténuer les bruits et la température naxinale de coibustion. Mais la poupe doit être capable de fournir avec précision de très faibles doses de fluide, ce qui jusqu'à présent handicapait fortement son coût. Il serait pourtant hautement profitable de pouvoir étendre ce principe en replaçant l'injection unique à haute pression d'une dose de carburant par un groupe d'injections à haute pression consécutives fournissant une dose totale identique nais plus étalée dans le temps. L'injection originale est "découpée" en de multiples aicro-injections. Ce processus qui pourrait autre appelé "injection par paquet" permet en effet théoriquement de réduire, à pulvérisation égale du combustible, les pointes de température et de pression de combustion et les bruits associés et permet une combustion plus complète du carburant.

Dans le cas du moteur DIESEL, ce processus rapproche du cycle idéal à pression constante et du rendement de CARNOT.

Par ailleurs le volume de la charre de pontage n'est plus conditionne par les doses maximales à fournir en régime de surcharge (par exemple les doses de démarrage d'un moteur à corbustion) puisqu' il suffit alors d'augmenter le nombre des micro-injections. Ce processus demande toutefois une poupe capable de compresser de très faibles doses de fluide avec des temps extrêmement brefs de pontée et surtout de descente de la pression, poupe dont le coût serait prohibitif dans l'état actuel de la technique.

Par ailleurs, la plupart des poupes à actionnement électro-sagnétique délivrent leur fluide directement dans la chambre d'utilisation, ne tolérant que de très faibles longueurs de canalisation entre la chambre de compression de la poupe et la chambre d'utilisation. En effet, les injecteurs de la chambre d'utilisation présentent d'ordinaire un débit volumique non proportionnel à la pression à leur entrée, ce qui fait qu'ils ne sont adaptés à l'impédance acoustique de la canalisation que dans une courte ga-e de pression. En dehors de cette gante les ondes de pression sont réfléchies lorsqu'elles rencontrent l'injecteur, suscitant un corporte- ment non prévisible, sinon préjudiciable. Ce défaut s'accroit lorsque, pour une longueur donnée de canalisation, les temps de montée et de descente de la pression sont réduits. Or la plupart des pipez à actionnement électroiagné- tique fournit une pression non constante, hautement dépendante de la position instantanée de l'arnature de l'électro- airant. Pour éviter ces problèmes de propagation d'ondes de pression acoustiques on préfère donc restreindre les longueurs de canalisation au strict minimum. Cette restriction est regrettable dans les applications comportant plusieurs chambres d'utilisation, car il faut alors autant de poupes que d'injecteurs (ils sont appelés injecteurs-poupes). On sait qu'il serait pourtant plus économique et plus fiable de n'utiliser qu'une seule poupe suivie d'un distributeur desservant de multiples canalisations menant chacune à un injecteur. Cette solution assure en outre, par principe, une honogénéité de dosage entre les différentes canalisations.

C'est pourquoi l'invention a pour but un dispositif économique de compression de fluide apte à comprimer préci sèment de petites doses de fluide avec un temps très bref de descente de la pression obtenu sans perte de l'énergie de pression fournie au fluide et apte à fournir une pression quasiment constante entre les phases de pontée et de des cente de l'impulsion de pression.

Ce problème est résolu en interposant un élément élastique entre le piston ou la membrane de compression et l'arbre de transmission de l'armature de son électro-ainant d'actionnement, de telle façon que, lorsque le piston ou la membrane entre en collision au bout de sa course de compres- sion avec le chassis de la pompe et est pratiquement stoppé, la pression dans la chambre de pompage chute presque instan tanément alors me que l'armature est freinée avec odéra- tion par l'élément élastique puis renvoyée en arriere à une vitesse telle qu'elle et très peu de temps à rejoindre sa position initiale.

Dans une caractéristique additionnelle l'électro-ainant d'actionnement du piston (ou de la membrane) de cours pression est co-andé de telle façon que son armature exerce une force quasiment constante sur le piston tout au long de sa course de compression, afin que la pression dans la chambre de pompage, après une croissance rapide, reste ensuite quasiment constante pendant cette course.

Ces deux noyens permettront non seulement d'atteindre les objectifs précéde-ent annoncés nais, joints à des ané- liorations décrites dans la suite de ce document, ils permettront une réduction importante de la nasse de la pompe ainsi qu'une relative insensibilité à la viscosité du fluide à comprimer, caractéristiques déter inantes dans les moteurs de demain, propres , légers, silencieux , et consonant avec un haut rendement différents carburants.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses odes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels:
- Les figures 1 et 2 représentent chacune le principe d'une pompe selon l'invention dont l'armature de l'électro- airant entraine le piston de compression par un arbre de transmission respectivement en compression (pour la figure 1) et en traction (pour la figure 2).

- La figure 3 est une variante de la figure 2 dont l'élément élastique fonctionne,en traction.

- Les figures 4 et 5 montrent des possibilités de réa lisation de l'élément élastique par amincissement local de la section de 1arbre de transmission.

- La figure 6 propose une variante dont l'élément élastique est situé dans la chambre de pompage.

- Les figures 7 et 8 décrivent des moyens aptes à précontraindre l'élément élastique, respectivement en traction pour la figure 7 et en compression pour la figure 8.

- La figure 9 indique une possibilité de réalisation de l'élément élastique sous la forme d'un anneau.

- Les figures 10 à 12 donnent trois exemples de réalisation d'un intervalle d'accélération séparant le piston de l'arbre de transmission en début de cycle de travail.

- La figure 13 donne un exemple d'isolation absolue entre le fluide à comprimer et la chambre de l'électro-ai- nant par joint souple non coulissant.

Pour faciliter la compréhension des diverses figures et mettre en meilleure évidence leurs principes de fonction ne ente certains détails de réalisation pratique et d'assemblage ont été omis, car connus de l'home de l'art.

Ces figures et les explications qui swy rapportent ne décrivent que des systèmes de compression à piston nais l'home de l'art comprendra qu'elles s'appliquent aussi à des systètes de compression à membrane. Le principe de base de l'invention est mis en oeuvre de façon très achénatique dans la figure 1. On décrira d'abord l'ensemble des éléments fixes, comprenant un chassis (1) contenant une chambre de pompage (11) définie par un cylindre (24), la culasse (7) d'un électro-aiunt d'actionnement (21) et une butée (la) de début de parcours éventuellement réglable en position.

L'équipage mobile (2) comprend l'ensemble des éléments en mouvement: l'armature (3) de l'électro-aixant portée par un plateau rigide (4) qui est prolongé par un arbre de transmission (5) qui transmet la force de l'armature par l'intermédiaire d'un élément de butée (13) à un piston (12) permettant de modifier le volume de la chambre de pompage (11). Un élément élastique (6) est interposé entre l'arbre de transmission (5) et l'élément de butée (13). La chambre de pompage (11) possede un canal de sortie (8) et un canal de chargement (9) qui peut être mis en communication avec une source de pression de chargement par une vanne (10).

Cette vanne (10) peut par exemple etre une électrovanne ou un clapet anti-retour s'ouvrant vers la chambre de pompage.

Le canal de sortie (8) peut par exemple etre équipé de dispositifs anti-retour ou de soupape de refoulement ou de réaspiration, suivant les contraintes du circuit de sortie.

L'électro-aisant (21) produit une force portant sur le piston (12) dans un sens réduisant le volume de la chambre de pompage. I1 peut aussi exister des forces tendant à repousser le piston (12) ou l'équipage mobile (2) dans un sens qui augmente le volume de la chambre de pompage, nais nous supposerons qu'elles sont faibles par rapport à la force générée par l'électro-aisant. L'équipage mobile (2) peut évoluer en translation entre une position de début de parcours définie par le contact entre une face de référence C de l'équipage nubile (2) et une face de référence D de la butee (14), cette position correspondant à un volume initial de la chambre de pompage (11), et une position de fin de parcours définie par le contact entre une face de référence B de l'élément de butée (13) et une face de référence A du chassis (1), cette position correspondant à un volume final de la chambre de pompage (11) inférieur à son volume initial.

La différentiation des divers éléments de l'équipage mobile (2) a été faite dans un but de simplicité pédagogique nais n'indique pas que ces éléments sont distincts dans l'application réelle. De même e la position des différentes butées et faces de références n'est donnée qu'à titre d'exemple sur les différentes figures et peut se situer au trempent suivant les applications.

Le principe de fonctionnement de la pompe d'injection va maintenant être décrit de façon détaillée
Le cycle de fonctionnement débute lorsque la face de référence C de l'équipage mobile (2) est en contact avec la face de référence D de la butée (14). Le bobinage de lélectro-aimant d'actionnement (21) est excité franchement, ce qui génère une force tendant à rapprocher l'armature (3) de la culasse (7). Cette force est transmise à l'équipage mobile (2) qui se et en mouvement dans un sens réduisant le volume de la chambre de pompage, sens qui est choisi arbi trairement copte "en avant", la direction inverse étant référencée corse "en arrière". La vanne (10) est fermée de fa çon que le canal (8) soit la seule issue notable pour le fluide contenu dans la chambre de pompage (11). La pression du fluide augmente rapidement et il est transmis par le canal (8) à un organe d'utilisation non représenté. L'équipage mobile (2) continue son mouvement jusqu'à ce qu'il entre en collision avec le chassis (l), lors du contact de la face de référence B de l'élément de butée (13) avec la face de référence A du chassis. A cet instant référencé corse l'instant de la collision, ou très peu de temps avant si cela est possible, le courant d'excitation dans le bobinage de l'électro-ainant est interrompu complètement ou presque cours plate en et il n'y a plus de force notable d'origine électromagnétique agissant sur l'équipage mobile. Le centre de gravité de celui-ci continue toutefois son mouvement, par inertie, en sollicitant progressivement l'élément élastique (6), jusqu'à ce que l'énergie cinétique de l'équipage mobile soit annulée, presque intégralement convertie en énergie élastique dans cet élément élastique (6). Puis l'élément élastique retrouve progressivement sa forme initiale jusqu'à ce qu'il ait restitué son énergie élastique, presque intégralement convertie en énergie cinétique de l'équipage no- bile dont le centre de gravité repart "en arrière" (le rendevent énergétique de la collision élastique dépend en partie du matériau choisi pour réaliser l'élément élastique (6)). A un instant, référencé comme l'instant de la séparation, la face B de l'élément de butée (13) se sépare de la face A du chassis, l'équipage mobile (2) continuant en arrière en direction de son point de départ. Entre l'instant de la collision et l'instant de la séparation les faces de référence B de l'élément de butée (13) et A du chassis (1) sont restées constamment en contact. Si nous supposons dans un premier temps que le piston (12) et l'élément de butée (13) sont solidaires, cela implique que le piston est bruta liement stoppé à l'instant de la collision, le volume de la chambre de pompage ayant atteint sa valeur minimale dénommée classiquement le volume mort. Dès lors la pression dans la chambre de pompage baisse très rapidement par détente du fluide dans le canal (8) en suivant une loi de descente approximativement exponentielle. La vanne (10) est ensuite ouverte (autonatiquesent si elle est du type clapet anti-retour ouvert vers la chambre de pompage) de façon que la pression de chargement puisse refouler du fluide dans la chambre de pompage pendant que l'équipage nubile repart en arrière se placer en position de début de parcours, sa course étant progressivement freinée par un dispositif externe, par exemple de type visqueux, de façon à réduire ou annuler les oscillations de rebond sur la butée (14).

I1 existe toutefois la possibilité de freiner l'équipage mobile de façon plus précise, rapide et sans perte d'énergie: à un instant déterminé de la course en ar rière de l'équipage mobile, l'excitation franche du bobinage de l'électro-aimant est rétablie pendant une durée calculée précisément, puis annulée, de façon à freiner progressivement l'équipage mobile pour que sa vitesse soit presque nulle à l'instant où la face C de l'équipage mobile atteint la face D de la butée (14). Il est meme possible de récupé- rer presque intégralement l'énergie cinétique de l'équipage mobile en la convertissant en énergie électrique avec le circuit de commande du bobinage de l'électroainant (21).

Cette méthode nécessite de connaître la vitesse de l'armature à un instant voisin de celui de la collision de la face A sur la face B, vitesse que l'on peut obtenir au troyen d'un capteur dédié ou bien en dérivant le courant du bobinage de 1'électro-aisant lorsque celui-ci est commandé à champ magnétique constant dans l'entrefer. Si nécessaire un système d'amortissement supplémentaire, par exemple visqueux ou électro-magnétique ou piézo-électrique, limite les rebonds dus à cette seconde collision de faible énergie de la face C sur la face D.

Dans certaines applications le débit de chargement à travers la canalisation (9) risque d'être insuffisant pour combler l'augmentation du volume de la chambre de compres- sion engendrée lors du retour de l'équipage mobile (2), particulièrement lorsque la vanne (10) est en train de s'ouvrir. Il y a donc lieu, pour éviter la création inopportune de bulles de vapeur de fluide, que le piston (12) et l'élément de butée (13) soient indépendants. La dynamique du piston est alors légèrement différente: juste après l'instant de collision le piston a tendance par inertie à continuer sur sa lancée, ce qui a pour effet de prolonger un peu la pression dans la chambre de pompage, puis il est repoussé en arrière sous l'effet nêne de cette pression et retrouve le contact avec l'élément de butée (13). Ce retour oscillatoire en arrière augmente légèrement le volume de la chambre de pompage, ce qui accélère la décroissance de la pression. Ainsi, de façon surprenante, la décroissance de la pression peut etre accélérée par rapport à une configuration solidaire du piston (12) et de l'élément de butée li3), ceci toutefois si la nasse du piston est inférieure à une valeur critique, pour un volume mort donné. Quand la vanne (10) est ouverte le piston est repoussé en arrière par la pression de chargement de façon qu'il ait retrouvé le contact avec l'élément de butée (13) lorsque l'équipage nubile a regagne sa position de début de parcours.

Le volume de fluide fourni à l'extérieur est proportionnel à la course parcourue par l'équipage nubile, entre sa position de début de parcours et celle de fin de parcours. Ce volume peut donc être ajusté en modifiant la position de la face A1 ou plus facilement encore, en modifiant la position de la butée (14) qui subit des efforts faibles pendant le fonctionnement. La position de cette butée peut être contrôlée par exemple par un dispositif à came, ou piézoélectrique, ou électro-nagnétique. La plupart de ces dispositifs emploie des asservissements utilisant dans leur boucle de contre-réaction l'information de position fournie par un capteur de position. Cette information est en fait disponible au tout début de l'accélération en avant de l'équipage mobile en dérivant le courant dans le bobinage de l'électro-aimant. Dans le cas où la poupe alimente plusieurs chambres d'utilisation distinctes il est conseillé de situer l'élément distributeur (par exemple rotatif) dans la poupe nêne pour diminuer les problèmes de désadaptation d'impédance acoustique.

La figure 2 est une adaptation de l'invention pour un équipage mobile (2) dont l'arbre de transmission (5) fonc tionne en traction et non en compression. Cette configuration peut etre intéressante car elle évite à l'arbre de transmission (5) de devoir traverser la culasse (7) de l'électro-ainant (21) conte dans la figure 1. L'arbre de transmission doit alors soit contourner par l'extérieur la chambre de pompage (11) pour transmettre son mouvement au piston (12), soit passer dans la chambre de pompage elle rêne. C'est le cas de la figure 2, la chambre de pompage (11) et le piston (12) étant de forme annulaire et entourant l'arbre de transmission (5). Cette figure conserve un élément élastique (6) fonctionnant en compression nais il est bien sûr possible d'utiliser un élément élastique fonctionnant en traction, permettant dans ce cas de raccourcir l'arbre de transmission. C'est le cas de la figure 3, qui illustre l'exemple d'un arbre de transmission (5) fonctionnant en traction doté d'un élément élastique (6) fonctionnant en traction. Bien entendu 'homme de l'art pourra mettre en oeuvre des solutions mixtes, dont une partie de l'élément élastique fonctionne en compression et l'autre en traction. De même, l'électro-ainant (21) et la butée (14) sont dans deux chambres différentes nais il serait possible de les réunir dans une unique chambre contenant les butées de début et de fin de parcours.

On a vu qu'il pouvait être avantageux que l'amplitude de la pression soit la plus constante possible entre les phases de montée et de descente de l'impulsion de pression, par exemple quand les injecteurs accouplés à la pompe selon l'invention présentent une caractéristique débit/pression non linéaire. Ceci n n'est pas possible si le bobinage de l'électro-ainant est commandé copte traditionnellement à courant constant car la force générée sur l'armature est alors inversement proportionnelle à l'entrefer électrique de l'électro-ainant, ce qui provoque une augmentation graduelle de la pression au fur et mesure de l'avancée du piston. Pour éviter ce phénomène et assurer une force quasiment constante sur l'armature pendant la course en avant de l'équipage no- bile il faut commander le bobinage de l'électro-aimant à champ magnétique constant dans l'entrefer. Cette technique nécessite une commande en 3 phases, une première phase d'activation où une première tension U1 est appliquée aux bornes du bobinage de l'électro-ainant pendant une durée calculée précisément pour que le champ magnétique dans l'entrefer atteigne la valeur désirée, une seconde phase d'exploitation où une deuxième tension U2 de valeur faible comparativement à la première tension est appliquée aux bornes du bobinage de façon à limiter la dérive du champ na- gnétique, et une troisième phase de désactivation consistant à appliquer aux bornes du bobinage une troisième tension U3 de polarité inverse de celle de U1 jusqu'à ce que le courant dans ce bobinage se soit annulé ou jusqu'à ce que le bobinage soit réexcité.

Dans les figures 1 à 3 l'élément élastique (6) est représenté par un ressort hélicoldal, ce qui n'est pas forcément la forme la plus appropriée à l'application. Dans certains cas ltélésent élastique peut être réalisé simplement par un amincissement de la section de 1'arbre de transris- sion (5) au voisinage de l'élément de butée (13). Cette solution est avantageusement simple car 1'arbre de transmis- sion (5), l'élément élastique (6) et l'élément de butee (13) peuvent alors etre usinés dans la même pièce. La figure 4 représente un arbre de transmission (5) travaillant en cours pression, correspondant au cas de la figure 1, dont l'élément élastique est réalisé par amincissement dans la nasse de l'arbre de transmission. On pourra mettre en paral lèle un autre matériau élastique (23) pour profiter par exemple de son meilleur rendement élastique. De néme la figure 5 applique ce procédé à l'arbre de transmission de la figure 3 et son élément élastique, fonctionnant tous deux en traction. Les autres portions de l'équipage mobile presentent inévitablement une certaine élasticité nais l'homme de l'art veillera à ce que celle de l'élément élastique (6) soit prédominante.

On peut utiliser la déformation de l'élément élastique (6) comme facteur supplémentaire de la chute de pression.

Ainsi dans la figure 6 une partie au noins d'un élément élastique travaillant en traction réside dans la chambre de pompage elle-même. Au début de la collision cet élément élastique se déforme en s'allongeant et en se rétrécissant, ce qui augmente le volume de la chambre de pompage et y fait donc chuter la pression. Il est souhaitable que la vanne (10) ait eu le temps de s'ouvrir notablement avant que l'élément élastique ne retrouve ses dimensions initiales.

On a compris que l'élément élastique (6) procure deux avantages; d'une part il réduit la décélération à l'instant de la collision à une valeur acceptable; d'autre part il permet de faire repartir en arrière l'équipage mobile avec une vitesse appréciable sans nécessiter une force extérieure supplémentaire. Toutefois cet élément élastique a tendance à se déformer aussi pendant la phase de montée de la pression dans la chambre de pompage (11), ce qui a pour effet de ralentir quelque peu la vitesse de cette montée en pression.

Cet effet, habituellement masqué par l'élasticité dominante du fluide contenu dans la chambre de pompage, peut devenir appréciable quand le volume de la chambre de pompage est très faible. I1 peut être corrigé en utilisant un élément élastique (6) précontraint par des moyens de maintien, tel que sa précontrainte soit de même polarité et si possible de valeur supérieure à celle que génère la force de l'electro- aimant excité franchement. Ainsi l'élément élastique subira peu de déformation pendant la phase de montee en pression nais jouera son rôle dès listant de la collision, où les forces mises en jeu seront supérieures à sa précontrainte.

Un autre avantage de cette précontrainte est que, à énergie cinétique égale de l'équipage mobile à l'instant de la collision, l'amplitude de la déformation de collision est plus faible ainsi que sa durée.

La figure 7 représente un exemple de ce procédé appli qué à un élément élastique travaillant en traction: un moyen (15) soumet l'élément élastique (6) & à une élongation sta- tique, le seul degré de liberté de cet élément étant une élongation supplémentaire.

La figure 8 représente un exemple de ce procédé appliqué à un élément élastique travaillant en compression: l'élément élastique (6) est maintenu en pression statique dans sa cavité par des griffes ne permettant qu'un seul degré de liberté à l'élément de butée (13). Cet élément ne pourra se rapprocher de l'arbre de transmission (5) que Si la force dynamique qu'il subit est supérieure à la précontrainte statique de l'élément élastique (6). Ici encore l'élément élastique (6) a été représenté par souci de sir- plification par un ressort hélicoïdal nais il pourrait par exemple être réalisé, comme dans la figure 9, sous la forme d'un anneau de dimensions très précises. Ce type d'élément élastique annulaire offre en effet des caractéristiques non linéaires très intéressantes et reproductibles.

La vitesse de la montée de la pression dans la chambre de pompage est affectée, on l'a vu, par l'élasticité de l'arbre de transmission, nais elle l'est aussi par l'inertie de l'équipage mobile. En effet, la pression désire dans la chambre de pompage correspond à une certaine "vitesse limite" de translation du piston (12), et cette vitesse limite n'est bien entendu pas acquise instantanément par l'équipage mobile. I1 faut au contraire un certain temps à la force de l'électro-ainant pour vaincre la force d'inertie de l'équipage mobile, d'autant plus que la pression croissante dans la chambre de pompage crée une force croissante antagoniste transmise par le piston (12). I1 est possible d'obtenir une montée de pression beaucoup plus rapide dans la chambre de pompage en séparant le processus d'accélération de l'équipage mobile de celui du refoulement du fluide, plus exactement en permettant à l'équipage mobile d'acquérir une vitesse proche de sa vitesse limite avant que le piston ne reçoive la pleine force générée par ltélectro- aimant et qu'il ne commence g.,se déplacer à une vitesse notable. La montée en pression devient alors beaucoup plus franche car elle n'est plus liée à l'inertie de l'équipage mobile mais presque uniquement à l'élasticité du volume de fluide à comprimer. Pour cela il suffit que , lorsque l'équipage mobile est en position de début de parcours, le piston soit séparé de larbre de transmission par un intervalle dit "d'accélération", cet intervalle permettant à l'arbre de transmission d'acquérir une vitesse proche de la vitesse limite lorsque la pleine force de l'électro-aisant lui est appliquée, avant d'entrer en contact avec le piston (12) à un instant dit "instant de contact" puis de l'entraîner dans sa route.

Parmi les nombreuses possibilités pour l'homme de l'art de réalisation de cet intervalle d'accélération, trois exemples sont décrits dans les figures 10, 11 et 12, où l'intervalle d'accélération apparaît sous la référence GA.

Dans ces figures, la pression de chargement dans la chambre de pompage exerce sur le piston t12) une force tendant à le repousser en arrière, en direction de la position de début de parcours.

Dans la figure 10 la butée (14) présente une face de contact D contre laquelle vient reposer la face de contact C de l'arbre de transmission (5) sous la pression d'un moyen de rappel (16) en compression. La butée (14) possède une face de contact supplémentaire contre laquelle vient reposer le piston (12) de telle façon qu'un intervalle GA est ménagé entre l'élément de butée (13) et le piston. Quand l'électro- airant est excité, la force de l'armature met d'abord en mouvement l'équipage mobile (2) (piston non compris), qui a le temps d'acquérir une vitesse proche de la vitesse limite avant de buter sur le piston (12) et de l'entraîner avec lui dans sa course.

Dans la figure 11 le piston (12) repousse l'élément de butée (13) en appui par sa face C sur la face D de la butée (14) et il écarte simultanément l'arbre de transmission (5) de l'élément de butée (13) d'un intervalle CA par l'entremise d'un élément élastique (16). Quand l'arbre de transmission commence à se déplacer juste après que l'électro-aicant soit excité, l'élément élastique (16) transmet sa force de poussée au piston (12) et tend à le déplacer aussi. Mais cette force est choisie faible comparée à celle de l'électro-aixant si bien que le déplacement parasitaire du piston sera infime avant que l'arbre de transsis- sion ne percute franchement l'élément de butée (13). Ce phé noumène parasite n'existe que si la force de l'élément élastique (16) est supérieure à la force antagoniste transmise par le piston (12).

Dans la figure 12 l'élément élastique (16) sépare l'arbre de transmission (5) et l'élément de butée (13) d'un intervalle CA avec une force qui doit etre légèrement supé rieure à la force antagoniste transmise par par le piston (12), pour assurer le plein écart GA. Le piston (12) repousse l1ensemble de l'équipage mobile en position de début de parcours, lorsque la face C de L'arbre de transmission est en contact avec la face D de la butée (14).

Dans ces trois exemples l'élément élastique (16) procure une force de rappel supplémentaire, nécessaire du fait de la création de l'intervalle GA. Cette force de rappel pourrait aussi bien être d'origine électro-magnétique ou na- gnétique. Ainsi dans la figure 10 la butée (14) pourrait etre magnétisée, par exemple au voisinage de la collerette (17), pour attirer l'équipage mobile en direction de sa position de début de parcours. Ou bien dans les figures il et 12 la collerette (18) pourrait être de nature magnétique pour attirer en contact l'élément de butée (13). Ce type de dispositif est doublement adapté car il permet aussi, conve nable en employé, de limiter les rebonds de la collision de retour de l'équipage mobile sur la butée (t4).

Dans la plupart des pompes actuelles à actionnement électromagnétique 1'électro-aixant (21) et son arbre de transmission (5) baignent dans un fluide relativement visqueux qui est le fluide à comprimer ou plus rarement un autre fluide de lubrification. Cette disposition peut devenir un facteur limitatif dans le cas d'une pompe ultra-rapide selon l'invention. En effet la viscosité du fluide freine considérablement l'armature de l'électro-aimant lorsque l'entrefer devient étroit ou bien influe sur la collision et la séparation entre le chassis et l'équipage mo- bile ou bien diminue l'efficacité de l'intervalle d'accélération GA. I1 serait donc souhaitable que le fluide baignant 1'éîectro-ainant (21) soit un liquide peu visqueux ou un gaz. Cela pose un sérieux problème d'étanchéité, sur tout au niveau de la chambre de pompage en raison des pres sions mises en jeu. La plupart des joints à contact coulissant laisse infiltrer, tôt ou tard, un débit infime de fluide, ce qui peut représenter une pollution inacceptable par exemple pour l'entrefer ide l'électro-aimant (21). Le problème peut être résolu par un ou plusieurs joints à contact non coulissant isolant totalerent l'électro-aimant (21) et son arbre de transmission de toute pollution né faste. On peut alors utiliser un joint totalement étanche nais acceptant par sa souplesse propre la faible amplitude du mouvement de va et vient du piston ou de l'arbre de transmission, ainsi qu'un léger désalignement. La figure 13 donne un exemple de réalisation de joint étanche, correspondant à une variante de la figure 1: les fuites de la chambre de pompage sont toujours limitées par un jeu très étroit entre le piston (12) et le cylindre (24) nais elles débouchent ensuite dans une chambre de drainage portée à basse pression par une issue communiquant par exemple ici avec la pression de chargement. Un joint en matériau élastique (19) est interposé de manière totalement étanche entre cette chambre de drainage et la chambre de l'électro-aimant, fixé sur le piston (12) d'un côté et sur le chassis (1) de l'autre côté (les moyens de fixation ne sont pas représen- tés). Il est à noter que ce joint contribue à rappeler le piston en direction de la position de début de parcours, car il est soumis à la pression de chargement sur sa face donnant sur la chambre de drainage.

Cette étanchéité absolue permet éventuellement de faire travailler l'électro-aimant dans un gaz à pression plus basse que la pression atmosphérique, ce qui devient nécessaire lorsque l'entrefer de l'électro-aimant est très mince. Ce type de dispositif peut bien sûr etre adapté au cas d'un arbre de transmission travaillant en traction co-e dans les figures 2 et 3, en étanchant la chambre de l'électro-aimant (21). Il est de même avantageux d'étancher ainsi la (ou les) chambre < s) contenant les faces de référence fixant les positions de début et de fin de parcours.

Dans certains cas ce type d'étanchéité peut etre réalisée avec un joint torique classique, en silicone par exemple, encastré avec une pression suffisante pour éviter toute possibilité de coulissement opérationnel.

Lorsque la vanne (10) est du type électrovanne, il pourra etre avantageux d'isoler de la même façon son élec tro-aimant (20) du fluide pompé par un ou plusieurs joints non coulissants.

Quand la vanne (10) est commandée par un électro-ai mant (20) on la choisira de préférence normalement ouverte sous l'action d'un élément élastique de rappel. Le temps d'ouverture de ce type d'électrovanne est fonction d'une constante de temps électrique, liée au temps de désexcitation du bobinage de l'électro-aicant de l'électrovanne et aux courants induits parasites, et d'une constante de temps mécanique liée à l'inertie des parties mobiles et à la force de l'élément élastique de rappel. On peut éliminer l'influence de la constante de temps électrique en autorisant une interruption prématurée de l'excitation de l'électro-aimant. Il faut pour cela que le clapet de l'électrovanne (10) puisse rester maintenu en position de fermeture par un déséquilibre interne quand la pression dans la chambre de pompage (11) est élevée. L'homme de l'art connait de nombreuses techniques pour arriver à ce résultat.

La néthode de commande de l'électro-aimant d'une telle électrovanne déséquilibrée en fermeture est alors la suivante:
- Fermer l'électrovanne (10) en excitant son électroaimant et attendre que le mouvement en avant du piston (ou de la membrane) (12) ait fait monter la pression dans la chambre de pompage (11) au dessus d'un certain seuil.

- L'électro-aimant de l'électrovanne (10) peut ensuite etre désexcité puisque son clapet reste ferme par la haute pression présente dans la chambre de pompage.

- La chute de la pression dans la chambre de pompage en dessous d'un certain seuil cause automatiquement l'ouverture du clapet de l'électrovanne, sans faire intervenir de constante de temps électrique.

L'home de 1'art se souviendra que 1'invention s'applique aussi à des pompes à membrane ou à piston étanché par une membrane.

L'invention s'applique aux pompes permettant d'injecter une dose de fluide gazeux ou liquide dans une canalisation ou directement dans une chambre d'utilisation.

Claims (10)

REVEND I CAT IONS

1- Pompe, dont le piston (ou la membrane) (12) est actionné(e) par un électro-aicant (21), constituée d'une part d'une partie fixe comprenant un chassis (1) contenant une chambre de pompage (11), la culasse (7) de ltelectro-ai ant d'actionnement (21) et une butée (14) de début de parcours et constituée d'autre part d'un équipage mobile (2) compre- nant l'armature (3) de l'électro-aimant prolongée par un arbre de transmission (5) transmettant la force de l'armature à un piston ou à une membrane (12) par l'intermédiaire d'un élément de butée (13), le piston (ou la membrane) (12) et l'élément de butée (13) pouvant être indépendants, le piston ou la membrane (12) permettant de modi- fier le volume de la chambre de pompage (11), la chambre de pompage possédant un canal de sortie (8) et un canal de chargement (9) pouvant être mis en communication avec une source de pression de chargement par une vanne (10), l'électro-aimant produisant une force sur le piston ou la membrane (12) dans un sens référencé comme "en avant" tendant à réduire le volume de la chambre de pompage, la direction inverse étant référencée comme "en arrière", l'équipage mobile (2) pouvant évoluer en translation entre une position de début de parcours définie par le contact entre une face de référence C de l'équipage mobile et une face de référence

D de la butée (14) et une position de fin de parcours défi- nie par le contact entre une face de référence B de l'élément de butée (13) et une face de référence A du chassis (1), la position de la face A ou de la face B étant éventuellement modifiable, pompe caractérisée en ce qu'un élément élastique (6), réalisé par exemple par un arincisse- ment de l'arbre de transmission (5) au voisinage de l'élément de butée (13), est interposé dans l'équipage mo- bile (2) entre l'arbre de transmission (5) et l'élément de butée (13) de telle façon que, lorsque l'équipage mobile entre en collision avec le chassis (1) lors du contact de la face B de l'élément de butée (13) et de la face A du chassis, la pression dans la chambre de pompage baisse très ra ridement alors que le centre de gravité de l'équipage mobile continue son mouvement en avant, convertissant progressivement son énergie cinétique en énergie élastique dans l'élément élastique (6) puis que le centre de gravité de l'équipage mobile reparte en arrière lorsque l'élément élastique restitue son énergie élastique en la convertissant en énergie cinétique de l'équipage mobile, l'équipage mobile étant ensuite progressivement freiné par un dispositif externe, par exemple de type visqueux, de façon à atteindre sa position de début de parcours avec peu ou pas d'oscillations de rebond sur la butée (14).

2- Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que, à un instant déterminé de la course en arrière de l'équipage mobile, l'excitation franche du bobinage de l'électro-aimant est rétablie pendant une durée calculée précisément, puis annulée, de façon à freiner progressivement l'équipage mobile pour que sa vitesse soit presque nulle à l'instant où la face C de l'équipage mobile atteint la face D de la butée (14), un système d'amortissement, par exemple visqueux ou électro-magnétique ou piézo-électrique, limitant si nécessaire les rebonds dus à cette seconde collision de faible énergie de la face C sur la face D.

3- Poupe selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la force générée sur le piston ou la membrane (12) par son électro-aimant d'actionnement (21) est rendue pratiquerent constante pendant la course en avant de l'équipage mobile en commandant le bobinage de cet électro-aisant en trois phases, une première phase d'activation où une prefière tension U1 est appliquée aux bornes du bobinage de l'électro-aimant pendant une durée calculée précisément pour que le champ magnétique dans l'entrefer atteigne la valeur désirée, une seconde phase d'exploitation où une deuxième tension U2 de valeur faible comparativement à la première tension est appliquée aux bornes du bobinage de l'électro- aimant de façon à limiter la dérive du champ magnétique, et une troisième phase de désactivation consistant à appliquer aux bornes du bobinage une troisième tension U3 de polarité inverse de celle de U1 jusqu'à ce que le courant dans ce bobinage se soit annulé ou jusqu'à ce que le bobinage soit réexcité.

4- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 caractérisée en ce que une partie au moins de l'élément élastique (6) travaillant en traction réside dans la chambre de po- page, procurant un facteur supplémentaire de chute de pression.

5- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ca caractérisée en ce que l'élément élastique (6) est précontraint par des moyens de maintien, sa précontrainte étant de nême polarité et si possible de valeur supérieure à celle que génère la force de lélectro-aisant (21) excité franchement.

6- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisée en ce que l'élément élastique (6) est réalisé sous la forme d'un anneau de dimensions très précises.

7- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 caractérisée en ce que le piston ou la membrane (12) est séparé(e) de l'arbre de transmission par un intervalle dit "d'accélération", permettant à l'arbre de transmission d'acquérir lorsque la pleine force de 1électro-aivant lui est appliquée une vitesse proche de la vitesse limite correspondant à la pression désirée dans la chambre de pompage, avant d'entrer en contact avec le piston ou la membrane (12) puis de l'entraîner dans sa route.

8- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7 caractérisée en ce que la force de rappel attirant l'équipage mobile vers sa position de début de parcours est d'origine magnétique ou électromagnétique.

9- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7 ou 8 caractérisée en ce que la chambre de l'électro-aixant d'actionnement (21) du piston (ou de la membrane) (12) ou la (ou les) chambre(s) contenant les faces de référence fixant les positions de début et de fin de parcours ou la chambre de l'électro-aimant (20) de l'électrovanne (10) est (ou sont) isolée(s) du fluide à cours primer par un (des) joint(s) étanche(s) non coulissant acceptant par sa(leur) souplesse propre une faible amplitude de va et vient, de façon que cette (ces) chambre(s) puisse(nt) contenir un fluide peu visqueux, éventuellement un gaz à pression plus basse que la pression atmosphérique.

10- Pompe selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7 ou 8 ou 9 caractérisée en ce que lorsque la vanne (10) est du type électrovanne commandée par un élec tro-airant (20), normalement ouverte sous l'action d'un élément élastique de rappel et déséquilibrée en fermeture lorsque la pression dans la chambre de pompage est élevée, l'influence de la constante de temps électrique de désexcitation du bobinage de l'électro-ainant (20) est éliminée dans le temps d'ouverture de cette électrovanne en corran- dant son électro-aimant de la façon suivante:

- Fermer l'électrovanne (10) en excitant son électroaimant et attendre que le mouvement en avant du piston (ou de la membrane) (12) ait fait monter la pression dans la chambre de pompage (11) au dessus d'un certain seuil.

- L'électro-aimant de l'électrovanne (10) peut ensuite être désexcité puisque son clapet reste fermé par la haute pression présente dans la chambre de pompage.

- La chute de la pression dans la chambre de pompage en dessous d'un certain seuil cause automatiquement l'ouverture du clapet de l'électrovanne, sans faire intervenir de constante de temps électrique.