[0001] La présente invention concerne un dispositif de fermeture de soupape, utilisée notamment
dans des dispositifs destinés à assurer une pulvérisation de fluides.
[0002] La présente invention concerne plus particulièrement un type de géométrie pour une
soupape, destinée à la délivrance dosée de fluides, par exemple dans les systèmes
d'injection de carburant d'un véhicule automobile. Un tel dispositif est décrit par
exemple dans la demande de brevet FR2801346.
[0003] Cette demande de brevet décrit un dispositif d'injection de carburant caractérisé
notamment en ce que le dit système d'injection possède une aiguille dite sortante
ou suspendue qui peut se déformer sous l'action d'ondes ultrasonores de manière à
définir une fente annulaire d'éjection par rapport à un siège de soupape.
[0004] Dans tous les cas cependant, on est confronté au délicat problème de réaliser tout
à la fois une excellente étanchéité du siège lorsque le dispositif est au repos sans
pour autant nuire aux autres fonctionnalités que doit assurer l'aiguille, et en particulier
les ouvertures fermetures de la soupape qui permettent la pulvérisation du fluide.
[0005] De plus, l'aiguille doit posséder des caractéristiques mécaniques suffisamment élevées
afin de pouvoir supporter sans risque de rupture les contraintes mécaniques générées
d'une part par les ondes de déformation mais aussi par la pression élevée du fluide
dans lequel baigne l'aiguille.
[0006] Ainsi, la prise en compte de toutes les contraintes fonctionnelles pour l'aiguille
ne permet pas forcément d'optimiser séparément tous les paramètres géométriques et
le choix définitif des formes et des dimensions des différentes parties de l'aiguille
est toujours le résultat d'un compromis entre les performances du système, sa robustesse
et sa fiabilité. Par exemple, la tenue mécanique statique de l'aiguille à la pression
lorsque le système est au repos dépend de la section de la tige. Or ce paramètre influence
également l'ouverture de l'aiguille par l'action des ondes de déformation ultrasonores
car il modifie tout à la fois les propriétés élastiques et inertielles de celle-ci.
[0007] Par ailleurs, le compromis entre la pression d'injection, le débit et la tenue mécanique
du système s'avère un problème majeur à partir du moment ou la section maximale de
l'aiguille est limitée par le problème précité et le diamètre minimal de la tête de
l'aiguille au niveau de la zone d'étanchéité sur son siège est fixée par le débit
minimal souhaité. Dans ce cas en effet, la différence entre les deux sections précitées
définit une section apparente au fluide qui subira des efforts dus à la pression,
efforts qu'il faudra compenser en tirant sur l'aiguille afin de garantir la bonne
étanchéité de la soupape au repos. Ainsi, la pression maximale utilisable dans le
système sera limitée par l'effort maximum de traction acceptable sur l'aiguille au
repos. Pour une section donnée de la tige de l'aiguille, la pression maximale admissible
sera d'autant plus faible que la section apparente au fluide sera importante.
[0008] Dans le cas par exemple de la demande de brevet FR2801346, l'ouverture de la soupape
est générée par les déformations de l'aiguille sous les effets des ondes acoustiques
ultrasonores. Pour ce type d'application dans lequel il est nécessaire de garantir
un débit de fluide suffisant au bon fonctionnement du moteur, la section de la tige
de l'aiguille doit tout à la fois être suffisamment faible pour permettre des déformations
importantes, et la section de la soupape au niveau de la zone d'étanchéité quand à
elle doit être suffisamment élevée pour assurer le débit souhaité.
[0009] La section apparente au fluide sous pression ainsi définie ne permet donc pas de
dépasser une pression maximale en fonctionnement supérieure à une centaine de bars,
afin que la contrainte statique au repos dans la tige générée par l'effort de traction
nécessaire à l'étanchéité ne provoque pas la rupture de l'aiguille. De plus, pour
assurer un fonctionnement correct du système, l'effort de traction doit être réajusté
dans le cas de variations de la pression de fonctionnement.
[0010] La présente invention a pour objectif de perfectionner la réalisation du dispositif
précité, en proposant une géométrie de l'aiguille adaptée, afin que ses caractéristiques
mécaniques répondent mieux aux besoins fonctionnels d'un dispositif destiné à la délivrance
dosée de fluides, et en particulier permettent d'augmenter sensiblement la pression
d'alimentation du dit dispositif, tout en permettant la réduction de l'effort statique
à appliquer à l'aiguille pour assurer l'étanchéité du système au repos et une auto
adaptation de cet effort par rapport à la pression de fonctionnement.
[0011] Ce but est atteint par un dispositif de fermeture de soupape d'un système d'injection
de carburant comprenant une aiguille sortante ou suspendue apte à se déformer sous
l'action d'ondes ultrasonores de manière à définir une fente annulaire d'éjection
par rapport à un siège de soupape caractérisé en ce qu'il comprend une première partie
formant l'aiguille, l'aiguille est formée d'une barre cylindrique creuse non débouchante
à une première extrémité.
[0012] Cette géométrie particulière permet tout à la fois de réduire sensiblement la section
apparente au fluide tout en conservant des caractéristiques mécaniques d'une aiguille
cylindrique pleine de diamètre inférieur comme f celle décrite dans la demande de
brevet FR2801346.
[0013] Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'aiguille comprend deux
parties distinctes, formant un ensemble solidaire.
[0014] Avec ce type de structure hétérogène, on obtient ainsi un avantage essentiel en ce
que chacune des parties de l'aiguille bénéficie d'une plus grande souplesse de réalisation.
[0015] Une fois le diamètre extérieur figé, la section apparente au fluide qui correspond
selon la demande de brevet FR2801346 à la différence de section entre la paroi extérieure
de l'aiguille et l'alésage conformé le long de la buse formant le corps du dit injecteur,
pourra être adaptée afin de réduire le plus possible l'effort statique à appliquer
à l'aiguille pour maintenir la soupape fermée sans pour autant générer trop de pertes
de charges durant le trajet du fluide jusqu'au nez d'éjection destiné à déboucher
à l'intérieur de la chambre de combustion.
[0016] On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après
la description donnée ci-après de différents modes de réalisation, présentés à titre
d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue globale en coupe partielle du dispositif objet de la présente
invention.
La figure 2 est une vue en coupe de la partie inférieure du corps d'aiguille
[0017] En se reportant à la figure 1, nous avons représenté le dispositif de soupape objet
de l'invention.
[0018] Comme indiqué dans le préambule, le dispositif selon l'invention peut s'appliquer
à un système d'injection de carburant possédant une aiguille dite sortante ou suspendue
qui peut se déformer sous l'action d'ondes ultrasonores de manière à définir une fente
annulaire d'éjection par rapport à un siège de soupape. Un tel système est décrit
dans la demande de brevet français FR2801346.
[0019] Ce dispositif selon l'invention est composé de deux parties distinctes solidaires.
La première partie comprend une tige ou aiguille 101, constituée d'une barre cylindrique
creuse à l'extrémité de laquelle sont conformés les moyens obturateurs 102 dont la
géométrie spécifique sera détaillée plus loin. La barre cylindrique creuse est caractérisée
en ce que l'alésage 103 débouche selon une seule de ses extrémités 105 seulement et
coopère selon cette extrémité avec la seconde partie 104 de la soupape qui constitue
les moyens de retenue mécanique de l'aiguille.
[0020] Les moyens de retenue mécanique de l'aiguille 104 est ainsi constituée d'une barre
au moins partiellement cylindrique dont la première extrémité 106 est destinée à venir
coopérer sans jeu avec l'intérieur de l'alésage 103 de l'aiguille. Cette extrémité
106 présente donc une partie cylindrique ajustée avec le diamètre de l'alésage 103
qui s'étend sur une longueur suffisante destinée à assurer un centrage et un guidage
suffisant de la première extrémité 106 des moyens de retenue mécanique 104 à l'intérieur
de l'alésage 103, garants d'une bonne coaxialité entre les axes de révolution des
deux parties constituant la soupape, une fois celle-ci assemblée.
[0021] Le raccordement entre l'extrémité 106 et le reste de la barre cylindrique 104 formant
les moyens de retenue mécanique définit un épaulement 107 destiné à assurer le blocage
en translation de la première extrémité 106 de la barre 104 à l'intérieur l'alésage
103.
[0022] L'épaulement 107 formé par le raccordement des surfaces cylindriques des moyens de
retenue mécanique 104 et de la première extrémité 106 de la barre est adapté de manière
à venir en appui, lors de l'assemblage, sur l'extrémité 105 du corps d'aiguille 101.
Une fois les deux pièces assemblées, la liaison complète entre l'aiguille 101 et les
moyens de retenue mécanique 104 est obtenue par des moyens de soudure mécanique comme
par exemple une soudure au faisceau d'électron ou encore au laser, dont la forme pourra
être adaptée en fonction de la résistance souhaitée, le long d'une surface définie
par la surface extérieure de l'extrémité 105 de l'aiguille 101, en vis-à-vis de la
première extrémité 106 des moyens d retenue mécanique 104.
[0023] En utilisant ainsi l'épaulement 107 assorti d'un montage sans jeu du diamètre de
la première extrémité 106 dans l'alésage 103 de 'aiguille 101 et d'une soudure mécanique,
on obtient tout à la fois une liaison rigide assortie d'une parfaite coaxialité entre
les deux parties constituant la soupape, et une étanchéité entre l'alésage 103 conformé
à l'intérieur du corps d'aiguille 101 et le milieu extérieur.
[0024] La seconde extrémité 108 des moyens de retenue mécanique 104 de l'aiguille 101 présente
une forme conique 109 terminée par un filetage 110. Le cône 109 est de type cône morse,
c'est-à-dire qu'il est destiné à venir à l'intérieur d'une contre pièce présentant
un alésage conique sensiblement du même angle que celui du dit cône 109. Par exemple,
l'angle du cône 109 pourra être de l'ordre de 5 a 6°.
[0025] Cette géométrie permet d'assurer une liaison élastique bidirectionnelle démontable
de type cône morse et contre écrou entre la soupape et une masse assurant une rupture
d'impédance acoustique.
[0026] Afin de permettre le maintien de l'aiguille en rotation lors de la mise en place
de la liaison précitée, un méplat 111 destiné à venir coopérer avec un outil de montage
est conformée à l'extrémité du filetage 110.
[0027] A titre d'exemple, dans le cas d'une structure telle que décrite dans de la demande
de brevet FR2801346 dans lequel la fente d'éjection du fluide est obtenue par une
déformation ultrasonore de l'aiguille et de la pièce supportant le siège, la surface
de section de l'aiguille pourra être comprise par exemple entre 0.7 et 10 mm
2, préférentiellement 0.78 mm2, et le matériau choisi du titane, par exemple de nuance
TA6V, de sorte que sa déformation en fonctionnement ne nécessite pas une trop grande
quantité d'énergie.
[0028] Le diamètre extérieur de la partie cylindrique creuse de l'aiguille 101 quant à lui
sera fixé en fonction de la section maximale souhaitée pour la tige et de la pression
d'alimentation prévue pour le système. Par exemple, dans le cas d'une pression d'alimentation
de l'ordre de 600 bars, le diamètre extérieur de l'aiguille 101 en TA6V pourra être
fixé à 3.1mm et le diamètre intérieur à 2.7 mm.
[0029] En se reportant maintenant à la figure 2, on peut voir la forme particulière des
moyens obturateurs 102 conformés à l'extrémité du corps d'aiguille 101.
[0030] Les moyens obturateurs 102 est ainsi constituée d'une forme partiellement sphérique
112 destinée à venir coopérer avec le siège de la soupape. Ainsi, le long de la zone
de contact 112, un excellent état de surface ainsi qu'un très faible défaut de forme,
garant d'une étanchéité parfaite pour la soupape, sont nécessaires pour assurer une
étanchéité aux fluides.
[0031] En particulier, les défauts de forme de cette partie doivent être inférieurs à 5pm,
préférentiellement de l'ordre du micron. La forme sphérique 112 s'étend ainsi tout
le long de la zone de contact entre la soupape et son siège.
[0032] Le reste de la surface extérieure 113 des moyens obturateurs situés en dehors de
la zone de contact 112 est usinée de manière à présenter un encombrement réduit et
une masse la plus faible possible, notamment dans le cas d'applications telle que
celle décrite dans de la demande de brevet FR2801346. Cette partie doit également
assurer une rigidité suffisante à l'ensemble dé la tête de l'aiguille 102 afin de
réduire les déformations générées par les efforts de contacts exercée par le siège
de soupape le long de la surface 112.
[0033] Le raccordement entre la surface 112 qui définit la zone d'appui de la soupape sur
son siège et la surface extérieure 113, présente un angle de dépouille a dont le rôle
est d'éviter les phénomènes de mouillage de la tête d'aiguille par le carburant lors
de l'injection. Toujours pour les mêmes raisons, il sera préférable de polir la surface
extérieure 113 après usinage de manière à obtenir une rugosité de surface faible,
par exemple Ra<0.5pm.
[0034] Selon l'extrémité inférieure 114 des moyens obturateurs 102, la surface extérieure
définit un évidemment, par exemple en forme de cône rentrant, permettant de réduire
sensiblement le poids de la tête 102 d'aiguille 101 sans toutefois nuire à sa rigidité
globale de la partie 102. Cette forme pourra être adaptée pour ajuster la masse globale
de l'extrémité de la tête 102 et lui conférer, si nécessaire, une valeur de masse
spécifique. Ce paramètre permettant un ajustement de la masse de la partie 102 peut
s'avérer intéressant dans le cas d'un fonctionnement acoustique de l'aiguille tel
que décrit dans la demande de brevet FR2801346.
[0035] De la même manière, le fond 116 de l'alésage 103 présente une forme adaptée de manière
à permettre un allégement de la tête d'aiguille 102 tout en assurant que les déformations
de la partie extérieure 115 sous les efforts du fluide sous pression restent inférieur
à quelques microns, préférentiellement moins de 5 µm. Selon la variante représentée
à la figure 2, le profile de la forme du fond 116 de l'alésage 103 de l'aiguille 101
est un W.
[0036] En amont de la surface de contact 112 est conformé une partie cylindrique 115 de
diamètre extérieur légèrement supérieur à celui du reste du corps de l'aiguille 101.
Cette zone est destinée à coopérer avec un alésage du système d'injection (non représenté)
de manière à assurer un guidage de la soupape de manière à éviter que les mouvements
de translation lors des ouvertures et des fermetures de la soupape ne soient perturbés
par un battement trop prononcé du corps d'aiguille 101.
[0037] La tolérance de guidage de la partie cylindrique 115 et devra être fixée en fonction
des matériaux utilisés et devra prendre en compte les déformations dues aux contraintes
thermiques auxquelles seront soumises les dits matériaux durant le fonctionnement
du dispositif. On choisira par exemple un jeu inférieur à 5pm au diamètre, préférentiellement
2pm.
[0038] Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits
et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.
1. Dispositif de fermeture de soupape d'un système d'injection de carburant comprenant
une aiguille (101) sortante ou suspendue apte à se déformer sous l'action d'ondes
ultrasonores de manière à définir une fente annulaire d'éjection par rapport à un
siège de soupape caractérisé en ce qu'il comprend une première partie formant l'aiguille (101), l'aiguille (101) est formée
d'une barre cylindrique creuse non débouchante à une première extrémité (102).
2. Dispositif de fermeture de soupape selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première extrémité de la barre (101) se termine par une forme évasée de diamètre
supérieur à celui de la barre cylindrique creuse (101) destinée coopérer avec un siège,
formant ainsi les moyens obturateurs du système d'infection de fluide.
3. Dispositif de fermeture de soupape selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens obturateurs sont de forme au moins partiellement hémisphérique de manière
à former lors des contacts avec le siège de soupape une zone de contact annulaire.
4. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens obturateurs (102) comprennent une zone de guidage (115) formée d'une partie
cylindrique (115) de diamètre extérieur légèrement supérieur à celui du reste du corps
de l'aiguille (101).
5. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface extérieure des moyens obturateurs (102) comprennent, dans l'axe de l'aiguille
(101), un évidement (114) de volume déterminé pour assurer une réduction de la masse
de l'aiguille (101) en conservant une résistance suffisante aux déformations générées
par les efforts de contact entre la soupape et sont siège.
6. Dispositif de fermeture de soupape selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'évidement est un cône rentrant.
7. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface (116) intérieure des moyens obturateurs (102) à un profil pour assurer
une réduction de la masse de l'aiguille (101) en conservant une résistance suffisante
aux déformations générées par les efforts de contact entre la soupape et sont siège.
8. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le dispositif comprend une deuxième partie distincte, formant des moyens de retenue
mécanique (104).
9. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la surface de section de l'aiguille (101) est comprise entre 0.7 et 10 mm2, préférentiellement 0.78 mm2, et le matériau choisi du titane, par exemple de nuance
TA6V, de sorte que sa déformation en fonctionnement ne nécessite pas une trop grande
quantité d'énergie.
10. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la barre cylindrique creuse formant l'aiguille (101) est
déterminé en fonction de la section maximale souhaitée pour l'aiguille et de la pression
d'alimentation prévue pour le système, préférentiellement, dans le cas d'une pression
d'alimentation de l'ordre de 600 bars, le diamètre extérieur de l'aiguille est de
l'ordre de 3.lmm et le diamètre intérieur de l'ordre de 2.7 mm.
11. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième partie formant des moyens de retenue mécanique (104) de l'aiguille
(101) et solidarisés mécaniquement à la première partie.
12. Dispositif de fermeture de soupape selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce les moyens de retenue mécanique (104) comprenant une partie au moins partiellement
cylindrique dont la première extrémité (106) coopère selon une liaison solidaire avec
le reste de l'aiguille (101) et l'autre extrémité est destinée à venir coopérer avec
une masse formant une rupture d'impédance acoustique entre l'aiguille (101) et le
reste de la structure du système d'injection.