FR3112186A1 - Régulateur de pression pour la pulvérisation d’un fluide et procédé associé - Google Patents

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Benoit Gresset
Pierre-Antoine Guenot
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Schrader SA
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Abstract

La présente invention a pour objet un régulateur de pression (10) comportant une valve (12) prévue pour réguler le passage d’un fluide sous pression entre une chambre amont (14) et une zone de sortie (16) en aval, la valve (12) comportant un logement (22) dans lequel un élément mobile (24) est monté coulissant axialement entre une position de fermeture (P0) et au moins une position d’ouverture (P1, P2), l’élément mobile (24) comportant une tête (26) formant clapet avec un siège (28) agencé à la sortie du logement (22) en aval, la valve (12) comportant en outre un élément de rappel (30) agissant sur l’élément mobile (24) vers la position de fermeture (P0), la tête (26) comportant une portion d’appui (32) qui est prévue pour être en contact linéique étanche avec un siège (28) dans la position de fermeture (P0), caractérisé en ce que la tête (26) comporte une surface radiale (34) orientée vers l’amont formant déflecteur (36). Figure pour l'abrégé : figure 2

Description

Régulateur de pression pour la pulvérisation d’un fluide et procédé associé
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne les régulateurs de pression.
L’invention concerne plus particulièrement les régulateurs de pression comportant une valve prévue pour libérer un fluide sous pression de manière à réaliser une pulvérisation du fluide.
Arrière-plan technique
On connait différents types de régulateur de pression à base de valve pour la régulation de pression d’un fluide. Il s’agit par exemple de valves de surpression qui permettent de limiter la pression dans un réservoir ou un circuit. De telles valves s’ouvrent pour laisser passer le fluide lorsque sa pression dépasse un seuil prédéterminé. La valve se referme ensuite lorsque la pression est redescendue au-dessous du seuil.
Un régulateur de pression peut aussi être utilisé pour la pulvérisation d’un fluide sous forme de fines gouttelettes, par exemple pour un injecteur d’urée dans une ligne d’échappement de véhicule automobile. Dans ce cas, le régulateur de pression doit permettre la vaporisation du fluide sous une pression différentielle sensiblement constante entre la chambre amont alimentée en fluide sous pression et l’environnement de détente. Plus particulièrement, il est nécessaire que la pression différentielle de vaporisation soit sensiblement constante pour une plage de débits déterminée.
La constance de la pression de pulvérisation peut être obtenue en utilisant une vanne active, qui régule une pression mesurée par un capteur de pression, de préférence un capteur de pression différentielle.
L’inconvénient de cette solution est la mise en œuvre d’un capteur de pression additionnel ainsi que l’ajout d’une vanne active.
Une vanne active peut aussi réguler la pulvérisation en fonction des mesures effectuées par un capteur de température et d’une loi de commande du débit massique.
Les inconvénients de cette solution sont :
- le retard qui peut apparaître dans la commande de la vanne active, du fait du temps de mesure, mais aussi et surtout
- une pulvérisation qui se fait dans des conditions de pression différentielle non gérées, ce qui altère la qualité de la pulvérisation.
Pour remédier aux inconvénients précités, l’invention propose un régulateur de pression comportant une valve prévue pour réguler le passage d’un fluide sous pression entre une chambre amont et une zone de sortie en aval, la valve étant prévue pour s’ouvrir lorsque le différentiel de pression entre la chambre amont et la zone de sortie atteint un seuil prédéterminé, la valve comportant un logement dans lequel un élément mobile est monté coulissant axialement entre une position de fermeture et au moins une position d’ouverture, l’élément mobile comportant une tête formant clapet avec un siège agencé à la sortie du logement en aval, la valve comportant en outre un élément de rappel agissant sur l’élément mobile vers la position de fermeture dans laquelle la tête est en appui sur le siège afin d’obturer le passage de fluide entre la chambre amont et la zone de sortie, la tête comportant une portion d’appui qui est prévue pour être en contact linéique étanche avec le siège dans la position de fermeture, caractérisé en ce que la tête comporte, en aval de la portion d’appui, une surface radiale orientée vers l’amont formant déflecteur.
Ainsi, grâce à l’invention, pour une plage de débits donnée, la pression reste sensiblement constante à la sortie du régulateur. Sans le dispositif selon l’invention, l’augmentation de débit nécessite une augmentation de pression ce qui n’est pas recommandé dans certaines applications, en particulier lorsque l’on souhaite maitriser la pulvérisation du fluide et les conditions de dosage. Le maintien de la pression permet notamment de maîtriser la taille des gouttelettes pulvérisées en sortie et de garantir des conditions de dosage massique constantes.
L’invention garantit une pression différentielle de pulvérisation constante, dans tous les cas et avec un temps de réponse très faible. Ceci, contrairement à une régulation active qui a du retard, du fait de la chaine de mesure, du système de contrôle et de l’inertie des composants mobiles.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention :
- la surface radiale formant le déflecteur est une surface annulaire continue et coaxiale à l’axe de déplacement de l’élément mobile ;
- le siège comporte une partie tronconique dont le diamètre est croissant vers l’aval et qui se prolonge vers l’aval par une surface tronconique de sortie qui s’étend axialement au-delà du déflecteur ;
- l’angle formé par la surface tronconique de sortie avec un cône imaginaire passant par la portion d’appui et par l’extrémité radiale externe du déflecteur est compris entre 5 et 20 degrés, de préférence entre 10 et 15 degrés, lorsque la valve est dans sa position de fermeture ;
- la surface radiale formant le déflecteur possède un diamètre supérieur de 10 à 30% au diamètre de la portion d’appui de la tête ;
- le déflecteur comporte un embout d’extrémité axiale de forme tronconique et de diamètre décroissant vers l’aval ;
- le déflecteur est relié à la portion d’appui de la tête par un tronçon cylindrique de même diamètre que ladite portion d’appui ;
- l’élément de rappel est agencé à l’intérieur du logement et est interposé axialement entre une extrémité axiale amont de l’élément mobile et une surface en vis-à-vis du logement.
L’invention propose aussi un procédé de régulation d’un fluide sous pression au moyen d’un régulateur de pression selon l’une des caractéristiques précédentes, le procédé comportant les étapes suivantes :
- alimentation d’une chambre amont avec un fluide sous pression avec un premier débit,
- ouverture de la valve lorsque la pression dans la chambre amont atteint une valeur de seuil déterminée jusqu’à une première position d’ouverture,
caractérisé en ce qu’il comporte au moins une étape d’augmentation du débit d’alimentation jusqu’à au moins un second débit supérieur au premier débit,
et en ce que l’augmentation du débit provoque le déplacement de l’élément mobile vers une seconde position d’ouverture.
Selon d’autres caractéristiques du procédé :
- la valeur de seuil est prévue pour provoquer la pulvérisation du fluide dans la zone de sortie à l’ouverture de la valve ;
- la pression de pulvérisation dans la première position d’ouverture et la pression de pulvérisation dans la seconde position d’ouverture sont sensiblement identiques.
Brève descriptions des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
– la figure 1 est une vue en coupe axiale qui représente schématiquement le régulateur de pression selon l’invention dans une position de fermeture ;
– la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente schématiquement le régulateur de pression dans une première position d’ouverture ;
– la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente schématiquement le régulateur de pression dans une seconde position d’ouverture ;
Description détaillée de l'invention
Sur la figure 1, on a représenté un régulateur de pression 10 selon l’invention. Le régulateur de pression 10 comporte une valve 12 qui est prévue pour réguler le passage d’un fluide sous pression entre une chambre amont 14 et une zone de sortie 16 en aval.
Dans la suite de la description, on utilisera à titre non limitatif une orientation axiale de l’amont vers l’aval suivant l’axe principal A1 de la valve 12, conformément au sens d’écoulement du fluide.
Le régulateur de pression 10 comporte ici un corps principal 18 globalement cylindrique d’axe A1 qui délimite la chambre amont 14. Un dispositif d’alimentation 20 en fluide est agencé en amont de la chambre amont 14 pour alimenter la chambre 14 avec un débit déterminé.
Selon une variante de réalisation (non représentée), le corps principal 18 peut être réalisé venu de matière avec les parois du dispositif d’alimentation 20, et/ou avoir une forme non cylindrique.
La valve 12 est prévue pour s’ouvrir lorsque le différentiel de pression entre la chambre amont 14 et la zone de sortie 16 atteint un seuil S1 prédéterminé, c’est-à-dire quand la différence entre la pression p1 dans la chambre amont 14 et la pression p2 dans la zone de sortie 16 dépasse la valeur de seuil S1.
La valve 12 comporte un logement 22 dans lequel un élément mobile 24 est monté coulissant axialement entre une position de fermeture P0, qui est représentée sur la figure 1, et une première position d’ouverture P1, qui est représentée sur la figure 2.
L’élément mobile 24 comporte une tête 26 formant clapet avec un siège 28 agencé à la sortie du logement 22 en aval. Le siège 28 a ici la forme d’une surface tronconique dont le diamètre est croissant vers l’aval.
La valve 12 comporte un élément de rappel 30, ici un ressort de compression hélicoïdal, agissant sur l’élément mobile 24 pour le tirer vers la position de fermeture P0 dans laquelle la tête 26 est en appui sur le siège 28 afin d’obturer le passage de fluide entre la chambre amont 14 et la zone de sortie 16.
L’élément de rappel 30 est ici agencé à l’intérieur du logement 22 et est interposé axialement entre une extrémité axiale amont 29 de l’élément mobile 24 et une surface 31 en vis-à-vis du logement 22.
On note que le tarage de l’élément de rappel 30 est choisi en fonction de la valeur de seuil S1, de manière que lorsque la valeur de seuil S1 est atteinte, le différentiel de pression entre la chambre amont 14 et la zone de sortie 16 provoque l’ouverture de la valve 12 à l’encontre de la force de rappel de l’élément de rappel 30.
Avantageusement, dans le mode de réalisation représenté, l’élément de rappel 30 comporte une spire élargie 33 qui sert au guidage de la partie arrière de l’élément mobile 24. D’autres moyens de guidage pourraient également être prévus selon des variantes de réalisation.
La tête 26 comporte une portion d’appui 32 qui est prévue pour être en contact linéique étanche avec le siège 28 dans la position de fermeture P0.
Avantageusement, la tête 26 comporte, en aval de la portion d’appui 32, une surface radiale 34 orientée vers l’amont formant déflecteur 36. La surface radiale 34 formant le déflecteur 36 est ici une surface annulaire continue et coaxiale à l’axe A1 de déplacement de l’élément mobile 24.
De préférence, la surface radiale 34 formant le déflecteur possède un diamètre externe D1 supérieur de 10 à 30% au diamètre D2 de la portion d’appui 32.
Le déflecteur 36 est ici relié à la portion d’appui 32 par un tronçon cylindrique 38 de même diamètre que ladite portion d’appui 32. Ainsi la portion d’appui 32 est ici formée par une arête circulaire à l’extrémité axiale amont du tronçon cylindrique 38. On note que le déflecteur 36 a ici la forme d’un épaulement aménagé dans la tête 26 de l’élément mobile 24.
Le siège 28 se prolonge ici vers l’aval par une surface tronconique de sortie 40 qui s’étend axialement au-delà du déflecteur 36.
Avantageusement, l’angle a1 formé par la surface tronconique de sortie 40 avec un cône imaginaire 42 passant par la portion d’appui 32 et par l’extrémité radiale externe 44 du déflecteur 36 est compris entre 5 et 20 degrés, de préférence entre 10 et 15 degrés, lorsque la valve 12 est dans sa position de fermeture P0.
La surface radiale 34, qui forme un écran à la sortie du fluide, permet d’utiliser l’énergie cinétique du fluide pour augmenter la section de passage lorsque le débit augmente. Ladite surface radiale 34 a une dimension radiale adaptée à la nature du fluide, selon qu’il soit liquide ou gazeux, et aux conditions de pression. Ceci permet, dans la plage de débit requise, une pression régulée sensiblement constante ainsi qu’une pression de fermeture acceptable.
Selon une autre caractéristique avantageuse, le déflecteur 36 comporte, du côté opposé à la surface radiale 34, un embout 46 de forme tronconique et de diamètre décroissant vers l’aval. Cet embout 46 forme ici l’extrémité axiale aval de l’élément mobile 24.
Selon une variante de réalisation, l’embout 46 pourrait avoir une autre forme, par exemple en fonction de la pulvérisation recherchée, la forme tronconique pourrait être croissante vers l’aval, ou bien l’embout 46 pourrait comporter des cannelures ou autres formes adaptées.
On décrit maintenant le fonctionnement du régulateur de pression 10 selon l’invention, notamment en relation avec la figure 2 qui représente l’élément mobile 24 dans une première position d’ouverture P1 et avec la figure 3 qui représente l’élément mobile 24 dans une seconde position d’ouverture P2.
A partir de la position de fermeture P0 illustrée par la figure 1, la chambre amont 14 est alimentée en continu en fluide sous pression par le dispositif d’alimentation 20. Le fluide est par exemple un liquide tel qu’un produit à base d’urée prévu pour être pulvérisé dans une ligne d’échappement de véhicule automobile.
La pression p1 augmente progressivement dans la chambre amont 14 jusqu’à atteindre une valeur de seuil S1 correspondant au différentiel de pression prédéterminé entre la pression p1 dans la chambre amont 14 et la pression p2 dans la zone de sortie 16.
Lorsque le seuil S1 est atteint, le tarage de l’élément de rappel 30 fait que la force de rappel n’est plus suffisante pour maintenir la valve 12 fermée. L’élément mobile 24 se déplace alors axialement vers l’aval jusqu’à la première position d’ouverture P1 illustrée par la figure 2. Dans cette première position d’ouverture P1, le différentiel de pression provoque une pulvérisation du fluide vers la zone de sortie 16 sous la forme d’un jet constitué d’une multitude de fines gouttelettes. Ce jet forme un cône de pulvérisation 48 dans la zone de sortie 16, le fluide étant propulsé vers l’aval à travers le passage délimité par la portion d’appui 32 et le siège 28, et à travers le passage délimité par la surface tronconique de sortie 40 et l’extrémité radiale externe 44 du déflecteur 36. La circulation du fluide est illustrée par les flèches F1 sur les figures 2 et 3.
Lorsque l’on souhaite augmenter le débit de pulvérisation, il suffit d’augmenter le débit du dispositif d’alimentation 20. Le déflecteur 36, agencé sur la tête 26 après la ligne d’étanchéité, constitue un obstacle à l’écoulement du fluide ce qui permet d’utiliser l’énergie cinétique du fluide pour pousser de plus en plus fort contre le déflecteur 36. Ainsi l’augmentation du débit accroît l’effort axial appliqué sur l’élément mobile 22 vers l’aval. L’augmentation de cet effort axial accroît la compression de l’élément de rappel 30 ce qui provoque un déplacement axial supplémentaire de l’élément mobile 22 jusqu’à la seconde position d’ouverture P2 illustrée par la figure 3.
Ainsi la distance radiale entre la tête 26 et la surface tronconique de sortie 40 augmente ce qui agrandit le passage pour le fluide et ce qui permet une augmentation du débit de pulvérisation tout en conservant une pression de pulvérisation sensiblement constante.
On note que l’élément mobile 22 peut occuper plusieurs positions d’ouverture intermédiaires entre la première position d’ouverture P1 et la seconde position d’ouverture P2, en fonction du débit d’alimentation de la chambre amont 14.
On note que la chambre amont 14 peut dans certaines applications être équipée de moyens de chauffage permettant de placer le fluide dans les conditions optimales pour permettre sa pulvérisation.
On décrit maintenant un procédé de régulation d’un fluide sous pression au moyen du régulateur de pression 10 décrit précédemment.
Le procédé de régulation comporte les étapes suivantes :
- alimentation de la chambre amont 14 avec le fluide sous pression à un premier débit B1,
- ouverture de la valve 12 lorsque la pression p1 dans la chambre amont 14 atteint une valeur de seuil S1 déterminée jusqu’à la première position d’ouverture P1,
- au moins une étape d’augmentation du débit d’alimentation B1 jusqu’à au moins un second débit B2 supérieur au premier débit B1,
- déplacement de l’élément mobile vers la seconde position d’ouverture P2.
Avantageusement, la valeur de seuil S1 est prévue pour provoquer la pulvérisation du fluide dans la zone de sortie 16 à l’ouverture de la valve 12.
Avantageusement, la pression de pulvérisation dans la première position d’ouverture P1 et la pression de pulvérisation dans la seconde position d’ouverture P2 sont sensiblement identiques.
La diminution du débit d’alimentation de fluide vers la chambre amont 14 provoque ensuite une baisse de pression dans la chambre amont 14 jusqu’à atteindre la valeur de seuil S1 dans l’autre sens, c’est-à-dire jusqu’à ce que le différentiel de pression ne soit plus suffisant pour maintenir la valve 12 ouverte. L’élément de rappel 30 provoque alors le retour de l’élément mobile 22 vers l’amont jusqu’à la position de fermeture P0.
On note que l’invention permet de minimiser la sensibilité à l’encrassement du régulateur de pression 10. En effet, le diamètre étanche du clapet sur son siège 28, c’est-à-dire le diamètre de la portion d’appui 32, est défini de manière à assurer une ouverture optimale de la valve 12. Pour cela la course optimale de l’élément mobile 22 est déterminée en considérant la taille des contaminants potentiellement présents dans le fluide. Cette course permet un décolmatage lorsque le débit a atteint le niveau convenu d’une plage de fonctionnement choisie.
On note que l’invention permet d’assurer une pression différentielle de vaporisation sensiblement constante sur la plage de débit, sans avoir à utiliser :
- un capteur de pression,
- une vanne active,
- une ligne de commande.
Ainsi le coût et la robustesse du système équipé du régulateur de pression 10 selon l’invention sont améliorés.
Un autre avantage du régulateur de pression 10 selon l’invention est que, de par sa conception mécanique, contrairement à une vanne active, il n’est pas sensible aux perturbations électromagnétiques qui pourraient apparaitre dans le système. Ainsi, il est envisageable d’utiliser une solution de chauffage du fluide dans la chambre amont 14 par induction, ce qui est plus rapide et moins consommateur d’énergie que des solutions de chauffage résistives.
De plus, le fait de garantir une pression dans la chambre amont 14 sensiblement constante, avec en regard une pression d’alimentation régulée, rend possible le dosage d’un débit massique en boucle ouverte.

Claims (11)

  1. Régulateur de pression (10) comportant une valve (12) prévue pour réguler le passage d’un fluide sous pression entre une chambre amont (14) et une zone de sortie (16) en aval, la valve (12) étant prévue pour s’ouvrir lorsque le différentiel de pression entre la chambre amont (14) et la zone de sortie (16) atteint un seuil (S1) prédéterminé, la valve (12) comportant un logement (22) dans lequel un élément mobile (24) est monté coulissant axialement entre une position de fermeture (P0) et au moins une position d’ouverture (P1, P2), l’élément mobile (24) comportant une tête (26) formant clapet avec un siège (28) agencé à la sortie du logement (22) en aval, la valve (12) comportant en outre un élément de rappel (30) agissant sur l’élément mobile (24) vers la position de fermeture (P0) dans laquelle la tête (26) est en appui sur le siège (28) afin d’obturer le passage de fluide entre la chambre amont (14) et la zone de sortie (16), la tête (26) comportant une portion d’appui (32) qui est prévue pour être en contact linéique étanche avec le siège (28) dans la position de fermeture (P0), caractérisé en ce que la tête (26) comporte, en aval de la portion d’appui (32), une surface radiale (34) orientée vers l’amont formant déflecteur (36).
  2. Régulateur de pression (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface radiale (34) formant le déflecteur (36) est une surface annulaire continue et coaxiale à l’axe (A1) de déplacement de l’élément mobile (24).
  3. Régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le siège (28) comporte une partie tronconique dont le diamètre est croissant vers l’aval et qui se prolonge vers l’aval par une surface tronconique de sortie (40) qui s’étend axialement au-delà du déflecteur (36).
  4. Régulateur de pression (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’angle (a1) formé par la surface tronconique de sortie (40) avec un cône imaginaire (42) passant par la portion d’appui (32) et par l’extrémité radiale externe (44) du déflecteur (36) est compris entre 5 et 20 degrés, de préférence entre 10 et 15 degrés, lorsque la valve (12) est dans sa position de fermeture (P0).
  5. Régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface radiale (34) formant le déflecteur (36) possède un diamètre supérieur de 10 à 30% au diamètre de la portion d’appui (32) de la tête (26).
  6. Régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déflecteur (36) comporte un embout d’extrémité axiale (46) de forme tronconique et de diamètre décroissant vers l’aval.
  7. Régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déflecteur (36) est relié à la portion d’appui (32) de la tête (26) par un tronçon cylindrique (38) de même diamètre que ladite portion d’appui (32).
  8. Régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de rappel (30) est agencé à l’intérieur du logement (22) et est interposé axialement entre une extrémité axiale amont (29) de l’élément mobile (24) et une surface (31) en vis-à-vis du logement (22).
  9. Procédé de régulation d’un fluide sous pression au moyen d’un régulateur de pression (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant les étapes suivantes :
    - alimentation d’une chambre amont (14) avec un fluide sous pression avec un premier débit,
    - ouverture de la valve (12) lorsque la pression dans la chambre amont (14) atteint une valeur de seuil (S1) déterminée jusqu’à une première position d’ouverture (P1),
    caractérisé en ce qu’il comporte au moins une étape d’augmentation du débit d’alimentation jusqu’à au moins un second débit supérieur au premier débit,
    et en ce que l’augmentation du débit provoque le déplacement de l’élément mobile (24) vers une seconde position d’ouverture (P2).
  10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur de seuil (S1) est prévue pour provoquer la pulvérisation du fluide dans la zone de sortie (16) à l’ouverture de la valve (12).
  11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pression de pulvérisation dans la première position d’ouverture (P1) et la pression de pulvérisation dans la seconde position d’ouverture (P2) sont sensiblement identiques.
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