FR2912485A1 - Soupape pour commander un fluide, notamment un gaz - Google Patents

Abstract

Soupape pour commander un fluide, notamment un fluide gazeux, comprenant un siège de soupape (2) avec au moins un orifice traversant (5), un organe de soupape (3), mobile, pour libérer l'orifice de passage dans le siège de soupape (2) ou le fermer, un élément d'étanchéité (4) porté par l'organe de soupape (3) ou le siège de soupape (2) et un élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18, 25) limitant le mouvement de l'organe de soupape (3) en direction du siège de soupape (2) pour qu'à l'état fermé de la soupape, l'élément d'étanchéité assure l'étanchéité entre le siège de soupape (2) et l'organe de soupape (3) et qu'alors l'élément d'étanchéité ne subisse qu'une faible déformation.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne une soupape pour

commander un fluide, notamment un fluide gazeux, telle que par exemple la soupape d'alimentation en combustible gazeux d'un moteur à combus- tion interne ou d'une pile à combustible. Etat de la technique On connaît de multiples réalisations de soupapes pour commander des fluides selon l'état de la technique. Dans le domaine des véhicules automobiles on utilise depuis peu à côté des carburants liquides, de plus en plus des combustibles gazeux tels que par exemple le gaz naturel. Pour cela, on utilise fréquemment les injecteurs connus servant aux liquides, sans les modifier, pour injecter des fluides gazeux. Souvent, les injecteurs utilisés pour les liquides ne répondent pas aux exigences particulières des fluides gazeux. De plus, dans le cas des in- jecteurs ou soupapes de gaz on utilise des élastomères pour réaliser l'étanchéité. Les interactions entre l'élastomère et le siège de soupape métallique, c'est-à-dire entre les deux matériaux, produisent un collage de l'élastomère contre le siège de soupape. De plus, il y a une déformation viscoélastique de l'élastomère qui augmente la surface de contact de l'élastomère contre le siège de soupape. En particulier aux basses températures à 0 C et en dessous, on a constaté que le temps d'ouverture de la soupape était trop court car l'élastomère ne peut pas se relaxer suffisamment rapidement. C'est pourquoi il est nécessaire d'appliquer une force d'ouverture plus importante pour soulever l'élastomère du siège de soupape. Appliquer une telle force plus importante pour ouvrir la soupape nécessite des unités d'actionnement plus grandes, ce qui augmente le volume de l'encombrement de la soupape. Or, cela n'est pas souhaitable. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet une soupape pour commander un fluide, notamment un fluide gazeux, comprenant un siège de soupape avec au moins un orifice traversant, un organe de soupape, mobile, pour libérer l'orifice de passage dans le siège de soupape pour le fermer, un élément d'étanchéité porté par l'organe de soupape ou le siège de soupape et un élément de butée limitant le mouvement de l'organe de soupape en direction du siège de soupape pour qu'à l'état fermé de la soupape, l'élément d'étanchéité assure l'étanchéité entre le siège de soupape et l'organe de soupape et qu'alors l'élément d'étanchéité ne su-bisse qu'une faible déformation. La soupape selon l'invention pour fournir le fluide, notamment un fluide gazeux, présente l'avantage vis-à-vis de l'état de la technique d'avoir une construction plus simple et une fabrication plus économique même pour les basses températures de 0 C et des températures en dessous de celle-ci, en permettant l'ouverture sans difficultés de la soupape. L'organe de soupape mobile peut être soulevé sans difficulté par rapport au siège de soupape pour libérer le passage. Le rappel de l'organe de soupape en position fermée est possible sans difficultés. L'élément d'étanchéité est installé sur l'organe de soupape ou le siège de 15 soupape. Selon l'invention, il est prévu un élément de butée qui, lors de l'opération de fermeture, limite le mouvement de l'organe de soupape en direction du siège de soupape pour que l'élément d'étanchéité assure l'étanchéité de la soupape contre le siège en position de fermeture mais que cet élément d'étanchéité ne subisse qu'une faible déformation. On 20 évite ainsi, d'une part, que l'élément d'étanchéité ne se déforme trop fortement sous l'effet de la force de fermeture importante appliquée à l'élément d'étanchéité, ce qui augmenterait la surface de contact avec le siège de soupape. D'autre part, comme la déformation est très faible, le temps de relaxation de l'élément d'étanchéité est très réduit. La soupape 25 peut ainsi être ouverte rapidement et sans qu'il soit nécessaire d'appliquer une force d'ouverture excessive. L'existence de la butée pour limiter la course de fermeture de l'organe de soupape est un moyen très simple et économique mais qui offre de manière surprenante, des avantages importants pour l'ouverture de la soupape. Ainsi, selon 30 l'invention, il n'est pas nécessaire de prévoir un encombrement important que demanderait un moyen d'ouverture de grandes dimensions. Pour une construction particulièrement simple, l'étanchéité entre l'élément d'étanchéité et le siège de soupape est de forme annulaire. De manière particulièrement avantageuse, l'élément d'étanchéité est ainsi de forme annulaire et de préférence on réalise une étanchéité linéaire. De façon avantageuse, l'élément de butée est prévu sur l'organe de soupape. Cela permet une construction particulièrement économique. L'élément de butée est de préférence en une seule pièce avec l'organe de soupape. En variante, l'élément de butée est prévu sur le siège de soupape et d'une manière particulièrement avantageuse, l'élément de butée est en une seule pièce avec le siège de soupape. Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'élément de butée est prévu sur l'organe de soupape de façon que l'élément d'étanchéité se trouve sur le côté de l'organe de soupape, au voisinage immédiat de l'élément de butée. L'élément d'étanchéité touche ainsi l'élément de buté. L'élément de buté assure dans ces conditions non seulement le rôle d'un moyen de limitation du mouvement de l'organe de soupape mais également une fonction d'appui latéral pour l'élément d'étanchéité. Cela permet de limiter notamment la déformation de l'élément d'étanchéité lorsqu'il est appliqué contre le siège de sou-pape. Pour entourer complètement ou au moins partiellement l'élément d'étanchéité, l'élément de butée est de préférence en forme d'arc de cercle ou de cercle complet. L'élément d'étanchéité s'applique sur une longueur d'arc prédéfinie ou complètement par sa périphérie extérieure contre l'élément de butée. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'élément de butée est situé radialement à l'extérieur de l'élément d'étanchéité et/ou radialement à l'intérieur de celui-ci. On a ainsi une déformation aussi réduite que possible de l'élément d'étanchéité lorsque la soupape est en position fermée dans laquelle l'élément d'étanchéité s'applique contre le siège de soupape car l'élément de butée, de forme annulaire, est situé radialement à l'extérieur et radialement à l'intérieur de l'élément d'étanchéité. En d'autres termes, les deux éléments de butée de forme annulaire définissent entre eux une gorge recevant l'élément d'étanchéité.

De manière particulièrement avantageuse, le siège de soupape comprend une première région de siège et une seconde région de siège, toutes deux de forme annulaire. Les deux régions de siège du siège de soupape sont en saillie en direction de l'organe de soupape et entre ces deux régions de forme annulaire il y a plusieurs orifices traversants. Si l'élément d'étanchéité assure l'étanchéité des deux zones de siège de forme annulaire, après l'ouverture de l'élément d'étanchéité le fluide à commander peut passer à la fois du côté radial extérieur et du côté radial intérieur dans les orifices de passage du siège de soupape.

Ainsi, notamment dans le cas de soupapes de gaz, on arrive à un débit massique plus important au cours du cycle d'ouverture de la soupape. Pour une construction particulièrement simple de la sou-pape, l'organe de soupape a un perçage d'alimentation central pour fournir le fluide et plusieurs perçages latéraux qui dérivent du perçage d'alimentation ; les perçages latéraux débouchent dans une chambre de pression entourant l'organe de soupape. En particulier, en liaison avec les deux régions de siège de forme annulaire sur le siège de soupape, cette réalisation de l'organe de soupape garantit un débit massique particulièrement important lors de l'ouverture de la soupape.

La soupape convient tout particulièrement comme sou-pape de gaz pour un fluide gazeux, notamment pour le gaz naturel, l'hydrogène ou tout autre combustible à l'état gazeux. La soupape de gaz selon l'invention est utilisée de préférence comme soupape d'injection de gaz dans des moteurs à combustion interne ou comme soupape de commande de gaz dans des piles à combustible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier exemple de réalisation d'une soupape, - la figure 2 est une vue en coupe schématique selon la ligne II-II de la figure 1, -la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un second exemple de réalisation d'une soupape selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un troisième exemple de réalisation d'une soupape selon l'invention, et - la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un quatrième exemple de réalisation d'une soupape selon l'invention.

Description de modes de réalisation préférentiels de l'invention Selon les figures 1 et 2, on décrira ci-après un premier mode de réalisation de la soupape 1 selon l'invention. La soupape 1 est une soupape d'injection ou d'introduction de gaz servant à insuffler un combustible à l'état gazeux dans un moteur à combustion interne. La soupape d'injection de gaz selon l'invention est utilisable pour former le mélange de manière interne ou externe. Selon la figure 1, la soupape 1 comprend un siège de soupape 2 muni de plusieurs orifices traversants 5. La soupape 1 comporte également un organe de soupape 3 mobile dans la direction axiale X-X de la soupape et portant un élément d'étanchéité 4. Selon la figure 1, le siège d'étanchéité 4 assure l'étanchéité au niveau d'une région de siège 20 intérieure de forme annulaire et d'une région de siège 21 de forme annulaire, extérieure. Les orifices traversants 5 sont prévus entre la région de siège intérieure et la région de siège extérieur 21. La ré- gion de siège intérieure et la région de siège extérieure 21 sont en saillie par rapport à une surface de base 12 du siège de soupape, en direction de l'organe de soupape 3. Comme cela apparaît notamment à la figure 1, les orifices traversants 5 sont disposés dans la direction radiale entre la région de siège intérieure 20 et la région de siège extérieure 21. Les orifices traversants 5 ont une forme courbe. On remarque toutefois qu'en variante, les orifices traversants 5 peuvent être des perçages cylindriques et plusieurs orifices traversants en forme d'orifices annulaires sont répartis concentriquement à l'axe X-X. Comme cela apparaît notamment à la figure 2, l'élément d'étanchéité 4 a également une forme annulaire. Il s'agit d'un élément d'étanchéité plat. L'élément d'étanchéité 4 est fixé à l'organe de soupape 3, par exemple par collage. L'organe de soupape 3 de cet exemple de réalisation comporte un induit, la soupape 1 étant une soupape électromagnétique. Le siège de soupape 2 est fixé à un boîtier cylindrique 7 par un cordon de soudure 8. Le boîtier 7 sert en outre d'élément de gui- dage à l'organe de soupape 3. L'organe de soupape 3 comporte un perçage d'alimentation 9, central, par lequel arrive le fluide gazeux à commander. Quatre perçages latéraux 10 partent de l'orifice central d'alimentation 9 pour passer dans la zone inférieure de l'organe de sou- pape 3. Les perçages latéraux 10 sont perpendiculaires aux perçages d'alimentation centrale 9. Comme le montre en particulier la figure 1, le fluide gazeux sous pression arrive à la fois au niveau de l'orifice inférieur du perçage d'alimentation centrale 9 et dans la zone annulaire B à côté et autour de l'organe de soupape 3.

La soupape 1 comporte également un élément de butée 6. Selon la figure 1, l'élément de butée 6 est réalisé radialement à l'extérieur de l'élément d'étanchéité 4. L'élément de butée 6 dépasse de l'élément d'étanchéité 4 en direction du siège de soupape 2 et forme à l'état fermé de la soupape, une butée du mouvement de fermeture de l'organe de soupape 3. Comme cela apparaît notamment à la figure 2, l'élément de butée 6 comporte quatre zones de butée 6a, 6b, 6c, 6d en forme d'arcs de cercle. Entre les différentes zones de butée 6a, 6b, 6c, 6d en forme d'arcs de cercle il subsiste quatre dégagements 11. Les zones de butée 6a, 6b, 6c, 6d sont des arcs de même longueur et les zones de butée voisines sont écartées de la même distance dans la direction périphérique. Comme cela apparaît notamment à la figure 2, l'élément d'étanchéité 4 est appliqué directement contre le côté intérieur des zones de butée. Les zones de butée 6a, 6b, 6c, 6d tiennent ainsi l'élément d'étanchéité 4 et de plus, elles évitent que l'élément d'étanchéité 4 se déforme de façon trop importante de manière viscoélastique lorsqu'il est appliqué sur la zone de siège intérieure et la zone de siège extérieure 20, 21 par l'organe de soupape 3 appliqué avec une force prédéfinie. L'élément de butée 6 évite ainsi d'une part que lorsque la soupape est fermée, l'élément d'étanchéité 4 soit pressé avec une force trop impor- tante contre la région de siège intérieure et la région de siège extérieure 21, ce qui se traduirait par une trop grande déformation viscoélastique de l'élément d'étanchéité et notamment à des surfaces de contact trop grandes entre l'élément d'étanchéité et les régions de siège intérieures et extérieures 20, 21. L'élément de butée 6 a également pour fonction de limiter la déformation de l'élément d'étanchéité 6 vers l'extérieur. La soupape selon l'invention, permet ainsi d'éviter malgré l'utilisation d'un élément d'étanchéité en élastomère, que des forces d'adhérence trop importantes s'établissent entre l'élément d'étanchéité et le siège de sou-pape qui nécessiteraient des forces d'ouverture importantes pour ouvrir l'organe de soupape 3. La soupape peut en conséquence être construite avec de petites dimensions. De plus, la soupape selon l'invention peut s'utiliser sans difficultés à des températures autour et en dessous du point de congélation. Notamment, si l'on utilise une soupape d'insufflation de gaz on garantit le démarrage à froid du moteur à corn- bustion interne. La déformation de l'élément d'étanchéité 4 contre le siège de soupape 2, définie par l'élément de butée 6, permet de garantir la vitesse de relaxation nécessaire à l'ouverture de la soupape. La forme de l'élément d'étanchéité à l'état fermé de la soupape sera toujours reproductible et il n'y aura pas de variation en fonction de la durée de vie de la soupape. Le contact entre l'élément d'étanchéité 4 et la première et la seconde région de siège 20, 21 est de préférence un contact linéaire. En référence à la figure 3 on décrira ci-après une sou-pape 1 correspondant à un second mode de réalisation de l'invention pour une description détaillée. Les mêmes éléments ou fonctionnelle-ment identiques à ceux du premier exemple de réalisation portent les mêmes références. Selon la figure 3, à la différence du premier exemple de réalisation, dans le cas du second exemple de réalisation, l'élément de butée 16 est situé radialement à l'intérieur de l'élément d'étanchéité 4. De plus, l'élément de butée 16 de cet exemple de réalisation a une forme annulaire complète. Comme dans le premier exemple de réalisation, à l'état de fermeture de la soupape, l'élément de butée 16 s'applique sur la surface de base 12 du siège de soupape 2 et limite ainsi le mouve- ment de fermeture de l'organe de soupape 3. La fonction de la soupape 1 de ce second exemple de réalisation correspond pour l'essentiel à celle du premier exemple de réalisation et la disposition de l'élément de butée 16 radialement à l'intérieur de l'élément d'étanchéité 4 évite une déformation viscoélastique de l'élément d'étanchéité 4 dans la direction tour- née radialement vers l'intérieur. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond au premier exemple de réalisation et on se reportera à la description déjà faite. La figure 4 montre un troisième exemple de réalisation d'une soupape 1 selon l'invention. Dans cette figure, on a utilisé les mêmes références que dans les exemples précédents pour désigner les mêmes éléments ou les éléments fonctionnement identiques. Selon la figure 4, l'élément de soupape 3 du troisième exemple de réalisation comporte un premier élément de butée 17 et un second élément de butée 18. Les deux éléments de butée 17, 18 font corps avec l'organe de soupape 3 et ont une forme annulaire complète. Ainsi, les deux éléments de butée 17, 18 forment une rainure périphérique 19 recevant l'élément d'étanchéité 4. Les deux éléments de butée 17, 18 du troisième exemple de réalisation garantissent ainsi que l'élément d'étanchéité 4 ne peut se déformer radialement ni vers l'intérieur ni vers l'extérieur. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond aux exemples de réalisation précédents et on se reportera à la description déjà faite. En référence à la figure 5 on décrira ci-après le détail d'un quatrième exemple de réalisation dans lequel à la différence des exemples de réalisation précédents, l'élément d'étanchéité 24 est porté par le siège de soupape 2. Une butée 25 fait corps avec le siège de sou-pape 2. L'élément d'étanchéité 24 a une forme annulaire et comporte plusieurs orifices traversants 24a. Par son côté tourné radialement vers l'extérieur, l'élément d'étanchéité 24 vient contre la butée annulaire 25.

Pour garantir l'étanchéité entre les sièges de soupape 2 et l'organe de soupape 3, l'organe de soupape 3 comporte une région de siège intérieure 22 et une région de siège extérieure 23. Ainsi, entre la région de siège intérieure et la région de siège extérieure 22, 23 et l'élément d'étanchéité 24 on réalise deux étanchéités annulaires, les orifices tra-versants 24a étant situés entre les deux régions de siège de forme annulaire 22, 23. La figure 5 montre la soupape à l'état ouvert. Pour le reste, cet exemple de réalisation correspond aux exemples de réalisation précédents et on se reportera à la description déjà faite. Il convient de remarquer à propos du quatrième exemple de réalisation qu'il est également possible de prévoir un élément de bu- tée seulement le long de la périphérie intérieure de l'élément d'étanchéité 24 sur le siège de soupape 2 ou de prévoir un élément de butée à la fois à la périphérie intérieure et à la périphérie extérieure. De plus, l'élément d'étanchéité 24 n'a pas nécessairement une forme an- nulaire mais peut être composé de plusieurs zones partielles de forme annulaire. io

Claims (10)

REVENDICATIONS

1 ) Soupape pour commander un fluide, notamment un fluide gazeux, comprenant un siège de soupape (2) avec au moins un orifice traversant (5), un organe de soupape (3), mobile, pour libérer l'orifice de passage dans le siège de soupape (2) ou le fermer, un élément d'étanchéité (4) porté par l'organe de soupape (3) ou le siège de soupape (2) et un élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18, 25) limitant le mouvement de l'organe de soupape (3) en direction du siège de soupape (2) pour qu'à l'état fermé de la soupape, l'élément d'étanchéité assure l'étanchéité entre le siège io de soupape (2) et l'organe de soupape (3) et qu'alors l'élément d'étanchéité ne subisse qu'une faible déformation.

2 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que 15 l'étanchéité entre l'élément d'étanchéité (4) et le siège de soupape (2) est de forme annulaire, notamment linéaire.

3 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que 20 l'élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18) est prévu sur l'organe de soupape (3) et notamment fait corps en une seule pièce avec l'organe de soupape (3).

4 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que 25 l'élément de butée (25) est prévu sur le siège de soupape (2) et fait notamment corps en une seule pièce avec le siège de soupape (2).

5 ) Soupape selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que 30 l'élément d'étanchéité (4) est directement voisin de l'élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18, 25) et touche notamment l'élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18, 25).

6 ) Soupape selon la revendication 1, 35 caractérisée en ce queIl l'élément de butée (6) comporte plusieurs zones de butées (6a, 6b, 6c, 6d) en arc de cercle, ou l'élément de butée (6, 16, 17, 18) est annulaire.

7 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de butée (6 ; 16 ; 17, 18, 25) est prévu radialement au-delà de l'élément d'étanchéité (4) et/ ou radialement à l'intérieur de l'élément d'étanchéité (4).

8 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le siège de soupape (2) comporte une première région de siège de forme annulaire (20) et une seconde région de siège de forme annulaire (21) qui sont en saillie par rapport à la surface de base (12) du siège de soupape (2) en direction de l'organe de soupape, et entre les régions de siège (20, 21) il y a plusieurs orifices de passage (5).

9 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de soupape (3) comporte un perçage d'alimentation (9) central pour l'arrivée du fluide et plusieurs perçages latéraux (10) dérivant du perçage d'alimentation (9), les perçages latéraux (10) débouchant dans une chambre de pression (B) autour de l'organe de soupape.

10 ) Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la soupape est une soupape de gaz pour commander un fluide gazeux, notamment du gaz naturel ou un autre conductible gazeux.30