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'7~5~
La présente invention concerne un dispositif
permettant de réguler la pression d'un fluide délivré par
une s~urce à un circuit d'alimentation.
Des di~spositifs régulateurs de la pression d'un
fluide produit par une source sont connus de l'art antérieur.
Selon un premier mode de réalisation décrit dans le brevet
des Etats-Unis d'Amérique n 3 020 925 du 13 février 1962,
ayant pour inventeurs Ross D. Randall et Al~on met en oeuvre
un clapet relié en série a~ec la source. Ce clapet est
lQ actionné par une membrane déformable de part et d'autre de
laquelle s'exercent des pressions fonction de la pression du
fluide en amont et en aval du clapet. Un tel dispositif
modifie donc simultanément le débit de fluide délivré par la
source.
D'autres dispositifs utilisant également un organe
disposé en série avec la source d'alimentation en fluide sont
par exemple décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique
N 3 272 227 du 13 septembre 1966, ayant pour inventeur
Carter P. Williams et dans la publication REGELUNGSTECHNISCHE
PRAXIS, vol. 2 N 3 MUNICH Septembre 1960, pages 11 à 114,
sous le titre '~rtliche Druckluftregelungmit Reduzierstationen"
par J. RUSCHENWEYH.
Selon un autre mode de réalisation décrit par
exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2 a83 998
du 28 avril 1959, ayant pour inventeur Arthur E. sroughton
la régulation de pression est obtenue en manoeuvrant un organe
d'obturation d'un circuit de dérivation relié à la source de
fluide en parallèle avec le circuit d'utilisation du fluide.
~es dispositifs antérieurs de ce type ont un
fonctionnement instable au moment de l'ouverture de l'organe
d'obturation, qui se traduit, le plus souvent, par une ouver-
ture prématurée de cet organe d'ohturation.
'~
-- 1 --
'
'7~7
L'invention se rapporte à un dispositif du type
de ceux comportant un circuit de derivation relie à la
source de fluide, et commande par un organe d'obturation
dont l'ouverture limite, à une valeur predeterminee, la
pression du fluide dans le circuit d'utilisation, ce dis-
positif ne présentant pas les inconvenients indiques plus
haut et permettant, en particulier, de realiser une ouver-
ture franche de l'organe d'obturation.
Selon la presente invention, il est prevu un
dispositif permettant de reguler la pression d'un fluide
produit sous pression par une source de fluide alimentant
un circuit d'utilisation, comportant une canalisation de
derivation reliee en parallèle sur le circuit d'utilisation,
un organe d'obturation ayant deux positions, la première
permettant la circulation d'une fraction du fluide dans la
canalisation de derivation et la seconde empêchant toute
circulation du fluide dans la canalisation de derivation, et
un organe de commande adapte a placer automatiquement l'or-
gane d'obturation dans sa première position lorsque la valeur
- 20 de la pression est superieure a une valeur determinee, cet
organe de commande comportant une capsule manometrique reliee
a la source de fluide et ayant une paroi mobile, une tige de
commande de l'organe d'obturation solidaire de la paroi mobile
de la capsule manometrique et un ressort tare destine a
maintenir l'organe d'obturation dans sa deuxième position
lorsque la valeur de la pression est inferieure ~ la valeur
determinee, caracterise en ce que la capsule manometrique
comporte d'une part un premier orifice calibre à travers
lequel elle communique avec la source de fluide et, d'autre
part, un element calibre a travers lequel le fluide contenu
dans la capsule manometrique peut s'echapper, et en ce que
le dispositif comporte des moyens d'obturation de l'element
-- 2
5 7
calibre lorsque la pression dans la capsule manométrique
att;eint en c~oissant une valeur de consigne inferieure a
laclite valeur déterminee.
L'invention pourra etre bien comprise, et tous ses
avantages apparaîtront clairement ~ la lecture de la descrip-
tion qui suit illustrée par les figures annexées parmi les-
quelles:
- la figure 1 montre sch~matiquement un dispositif selon
l'art antérieur,
- la figure 2 represente un premier mode de réalisation de
l'invention,
- la figure 2A est une variante de la figure 2,
- la figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'inven-
tion,
- la figure 4 représente l'application de l'invention a la
regulation d'un turbo-compresseur equipant un moteur a com-
bustion interne,
- la figure 5 indique le fonctionnement de l'ensemble repré-
senté sur la figure 4; la figure 5 se trouve sur la planche
contenant la fig.ure 1.
Sur les différentes figures, les mêmes réferences
ont éte utilis.ees pour designer les memes elements.
La figure 1 représente, schématiquement et en
coupe, un dispositif de régulation selon l'art ant~rieur ré-
gulant la pression du fluide délivré par une source de fluide
1. Ce fluide est, par exemple, mais non exclusivement, de
l'air sous pression alimentant un circuit d'utilisation auquel
la source 1 est reliee par une canalisation principale 2.
Le dispositif de regulation comporte une canalisa-
tion de derivation 3 reliee a la source 1 en parallele sur la
canalisation principale 2 et debouchant, par exemple, dans
l'atmosphere a son extrémité libre 4. Un organe d'obturation,
-- 3 --
qui est ici un clapet 5 cooperant avec un siège de clapet 6,
assure la fermeture de la canalisation 3. Un ressort taré
7 agit sur la tige 8 du clapet 5 pour le maintenir dans la
pos:Ltion fermée représentée sur la figure 1. La tige 8 est
sol:Ldaire de la paroi mobile 9 d'une capsule manométrique 10
reliée par une canalisation 11 a l'alimentation en fluide.
Le fonctionnement du dispositif est simple. Tant
que la pression du fluide delivre par la source 1 reste infé-
rieure a une valeur déterminée pour laquelle le ressort 7 a été
taré, le clapet 5 est maintenu sur son si~ge 6 par l'action du
res~ort 7 sur la tige 8. La totalité du fluide delivre par la
source 1 s'ecoule dans la canalisation 2, comme l'indique la
fleche en trait continu.
Lorsque la valeur de la pression du fluide est supé-
rieure à la valeur prédéterminée, la capsule manométrique 10
déplace le clapet 5 contre l'action du ressort 7, provoquant
l'ouverture du clapet. Une fraction du fluide fourni par la
source 1 est evacuee par l'orifice 4 et la pression dans la
canalisation 2 s'etablit a une valeur sensiblement egale a la
valeur determinée.
Il est aisé de comprendre que lorsque la valeur de
la pression du fluide atteint, en croissant, la valeur prédéter-
minée, l'action de la capsule manométrique 10 sur la tige 8
compense tout d'abord sensiblement l'action du ressort 7 et
le clapet 5 est alors maintenu pratiquement sans effort sur son
siège 6. L'experience montre que des fuites se manifestent
au niveau du clapet dont l'ouverture n'est pas franche.
Cet inconvenient est supprime en utilisant le dispo-
sitif selon l'invention dont un premier mode de réalisaiton est
illustre par la figure 2.
Dans ce mode de realisation, la tige 8 de commande
du clapet 5 est percée axialement. L'alésage, conduit ou canal
-- 4
,~ ~
11 ~"~';3~'7
12 communique, par un orifice calibré 14, avec l'interieur de
la capsule manometrique 10 du c6te de la membrane 9 oppose au
ressort 7. A son autre extremite, l'alesage 12 debouche radiale-
ment par un orifice 13. Le niveau de l'orifice 13 sur la tige
8 est tel que, dans la position de fermeture du clapet, cet
or:Lfice est libre et le fluide circule dans la canalisation 11,
dans la capsule manometrique 10 et dans le canal 12 avant d'être
evacué par l'orifice 13 vers l'extérieur de la capsule 10 qui
est munie d'orifices lOa communiquant avec l'atmosphere.
L'orifice calibré 14, le canal 12 et l'orifice radial constituent
un élement calibré.
Le fonctionnement du dispositif est indiqué ci-dessous.
L'organe d'obturation étant fermé, et la preSsion du
fluide délivré par la source 1 étant inférieure a une valeur
prédéterminée, ce fluide s'écoule essentiellement dans la cana-
lisation principale 2. Toutefois, une fraction de ce fluide
circule dans la canalisation 11, pén~tre par l'orifice 15 dans
la capsule manométrique 10 du coté de la membrane 9 opposé au
ressort 7, puis est évacué par le canal 12. La pression Pc à
l'intérieur de la capsule manométrique 10 est alors déterminée
par la formule
p
Pc 2
1 + s
dans laquelle P représente la pression relative du fluide
délivré par la source 1, s la section de l'orifice calibré 14
et S la section de l'orifice calibré 15.
Dans ces conditions, et tant que le fluide circule
dans l'alésage 12, la valeur de la pression Pc reste inférieure
à la valeur P.
Lorsque la pression P du fluide délivré par la
source 1 augmente, la pression Pc croît jusqu'a une
valeur critique pour laquelle le ressort 7 a
-- 5 --
ete tare. Le deplacement de la tige 8 de commande du clapet
5 permet l'obturation de l'orifice 13 par le palier de guidage
16 provoquant ainsi l'interruption de l'ecoulement du fluide
a t:ravers le conduit 12.
La pression Pc a l'intérieur de la capsule manometrique
10 augmente alors brusquement pour devenir egale a la pression
du fluide délivré par la source 1. Il en résulte un déplace-
ment brusque de la tige 8 qui ouvre le clapet 5 limitant ainsi
la pression du fluide alimentant la canalisation 2.
Dans ce mode de réalisation, le clapet 5 est prolongé
par une portion cylindrique 5a qui maintient l'obturation de la
canalisation 3 pendant le petit déplacement de la tige 8
correspondant a l'obturation de l'orifice 13 du canal 12.
La figure 2A represente une variante de realisation
dans laquelle la tige de co~Nmande du clapet 5 est composée de
deux éléments 8a et 8b. L'un d'entre eux porte une boutonniere
8c coopérant avec un ergot 8d solidaire de l'autre élément.
Dans ce mode de réalisation, lorsque les actions du ressort 7
et de la pression sur la tige 8a se compensent, le clapet 5
reste appliqué fortement sur son siege jusqu'a l'obturation
complete de l'orifice 13 grâce a l'action de la pression du
fluide délivré par la source 1.
La figure 3 représente un second mode de réalisation
de l'invention. Sur cette figure seuls les éléments nécessaires
au déplacement de la tige 8 de commande du clapet 5 ont été
représentés.
Comme dans l'exemple de réalisation précédent, la tige
de commande 8 est solidaire de la paroi mobile 9 d'une capsule
manométrique, et elle est soumise à l'action du ressort 7 qui
tend a appliquer le clapet contre son siege. La canalisation
11 alimente la capsule nanométrique 10 en fluide sous pression
a travers l'orifice calibré 15. La capsule manométrique 10
_ ~ _
11'7','~5'7
comporte une seconde paroi mobile 17 solidaire d'un arbre ou
coulisseau 18 coullssant dans un palier de guidage 18a. Cet
arbre est percé d'un al~sage axial 12 dont une extremité de-
bouche par un orifice cali~ré 14 dans la capsule manométrique
10 entre les deux parois mobiles g et 17 et dont l'autre
extremite communique par un orifice radial 13 avec l'extérieur
de la capsule manométrique 10.
Un ressort 19 agit sur le coulisseau 18 pour le
maintenir dans la position représentée, ce qui permet un écou-
lement de fluide à travers l'orifice 13.
Le ressort 19 est taré à une valeur inferieure a celledu tarage du ressort 7.
Le fonctionnement est indique ci-dessous, le disposi-
tif etant initialement dans la position représentée sur la figure
3 et maintenant fermé l'organe d'obturation 5. Tant que la va-
leur P de la pression du fluide délivré par la source 1 reste
inférieure à une valeur prédéterminée, le fluide circule dans
la canalisation 11, dans la capsule 10 et dans le conduit 12
pour être évacué par l'orifice 13. La pression Pc a l'interieur
de la capsule manométrique 10 s'etablit à une valeur inferieure
a P, et fonction des sections calibrées S de l'orifice 15 et s
de l'orifice 14. Lorsque la valeur de la pression P croît et que
la valeur de la pression P atteint-une valeur critique pour la-
quelle le ressort 19 a ete tare, le coulisseau 18 est déplacé
vers le haut de la figure ce qui provoque l'obturation de
:: l'orifice 13 par le palier de guidage 18a et l'interruption de
l'ecoulement dans la capsule manometrique 10. La valeur de
la pression Pc augmente brusquement jusqu'à la valeur P. La
tige de commande 8 est à son tour déplacée pour actionner
l'organe d'obturation 5.
La figure 4 montre un exemple d'application de
l'invention a la régulation automatique de l'alimentation d'une
_ 7 _
~f ,
t~
turbine entraînee par les gaz d'echappement d'ùn moteur a
combustion interne, cette turbine actionnant un compresseur
qui delivre l'air necessaire au fonctionnement du moteur.
Sur la figure 4, la reference 20 designe un moteur
combustion interne alimente en gaz tel que de l'air ou en
mélange carburé par une canalisation d'admission 21. Pour la
clarte du dessin, les dispositifs permettant l'introduction du
carburant n'ont pas éte représentes. Ces dispositifs peuvent
être du type carburateur ou injecteur et places en amont ou en
10 aval du compresseur comme cela est bien connu du technicien.
Les gaz d'echappement sont evacues par une canalisation 22.
On rappelle que la suralimentation d'un moteur 20
peut 8tre assuree par un compresseur 24 lie en rotation à une
turbine 23 qui est actionnee par les gaz d'echappement du moteur.
Il en resulte que le debit de gaz fourni par le compresseur 24
dépend de la vitesse de rotation de la turbine 23, c'est-a-dire
du debit des gaz d'echappement alimentant la turbine. Autrement
dit, le debit et la pression de gaz produit par le compresseur
24 sont liés au regime N de fonctionnement du moteur.
Generalement, les caracteristiques du turbo-compresseur
sont choisies pour permettre d'obtenir un couple moteur maximum
a une valeur determinee Nl du regime de fonctionnement du moteur.
On est donc conduit a reguler la vitesse de rotation de la
turbine en contrôlant la quantit~ de gaz d'échappement qui la
traverse aux regimes de fonctionnement du moteur superieurs a
la valeur Nl.
Il est connu d'utiliser à cet effet un circuit de
derivation des gaz d'echappement du moteur qui comporte une
canalisation 27 reliant l'entree a la sortie de la turbine 23,
30 un organe 5 d'obturation du conduit de dérivation et un dis-
positif de commande assurant l'ouverture de cet organe d'ob-
turation aux regimes de fonctionnement eleves du moteur pour
- 7a -
!
,,~;.
~ '7
permettre l'evacuation directe, de la canalisation 22 à
l'échappement 26, d'une fraction déterminée des gaz d'echap-
pement.
Selon les modes de réalisation, le dispositif de
cornmande est actionné en fonction de la pression ~ l'entrée
de la turbine ou en fonction de la pression à la sortie du
compresseur pour obtenir une loi déterminée de variation de
la pression à la sortie du compresseur.
Lorsqu'on utilise un dispositif de commande selon
l'art antérieur tel que, par exemple, celui illustre par la
figure 1, dans lequel la canalisation 11 communique avec la
sortie du compresseur, l'evolution de la pression P des gaz
a la sortie du compresseur en fonction du régime N de fonc-
tionnement du moteur est celle représentée par la courbe I
tracée en trait mixte sur la figure 5. On peut noter qu'aux
régimes inférieurs à ~1 cette courbe se différencie nettement
de la courbe II tracée en trait fin et qui représente la.
fonction P = f (N) lorsque l'organe d'obturation 5 est main-
tenu parfaitement ferme, c'est-a-dire le clapet 5 etant ap-
plique avec force sur son siage 6. Cette difference, quiprovient d'une ouverture prematurée de l'organe d'obturation
5 comme il a déjà été indiqué plus haut, montre qu'aux bas
régimes de fonctionnement du moteur on ne recupère pas le
maximum d'energie des gaz d'echappement.
Pour remédier à cet inconvénient, on utilise
comme organe de commande du clapet 5 le dispositif selon
l'invention. Dans l'exemple schématisé sur la figure 4,
le dispositif utilise correspond au mode de realisation re-
presente sur la figure 3. ~a canalisation 11 relie la sortie
du compresseur 24 a la capsule manométrique 10 tandis qu'une
canalisation 28 permet de réintroduire à l'entree du compres-
seur les gaz ayant circulé à travers le canal 12 ménagé dans
le coulisseau 18.
- 7b -
`'
11~7'7~3S~7
Le fonctionnement de l'ensemble est décrit ci-~essous, en se
référant aux figures 3, 4 et S.
,
Le rapport des sections de l'orifice calibré 15 et du conduit
12, et la pression de tarags du ressort 19 ont été choisis pour que
l'obturation de l'oriiice 13 (Fig. 3) intervienne 3 la valeur N1 du
régime du fonctionnement du moteur.
On considère tout dtabord que le régime du moteur croit
jusqu'~ la valeur N1.
' La pression P à l'intérieur de la capsule manométrique 10
décrit la portion OA' de la courbe III'représentée en trait interrompu.
La pression P est trop faible pour comprimer les ressorts 7 et 19. Le
clapet S est maintenu fermement sur son siège 6 par llaction du ressort
7 empêchant toute fuite de gaz d'échappement dans la canalisation de
dérivation 27. La pression P à la sortie du compresseur varie suivant
la portion OA de la courbeII.Lorsque le régime de fonctionnement du
moteur atteint la valeur N1, la pression P à la sortie du compresseur
atteint la valeur P1 et la pression P dans la capsule manométrique 10
atteint la valeur P2 pour laquelle le ressort 19 a été taré. Il s'ensuit
un déplacement du coulisseau 18 et une interruption de l'écoulement des
2D gaz traversant le canal 12.
La pression P darla la capsule manométrique 10 augmente et
devient égale à la pression P à la sortie du compresseur 24 et supé-
; rieure ~ la valeur correspondant au tarage du ressort 7, ce qui pro-
voque l'ouverture brusque du clapet 5.
L1expérience montre que la pression s'établit brusquement à
une valeur P3 comprise entre P1 et P2 correspondant au point B qui se
trouve sensiblement sur le cnurbe I.
Une augmentation supplémentaire du régime du moteur conduit
à une augmentation de la valeur des pressions P et P jusqu~à une
valeur de régulation qui est ~onction du débit de gaz d~échappement
d~rivé par la can~lisation 27. En conséquence, pour les valeurs supé-
rieures à N1, la valeur de la pression à la sortie du cDmpresseur 24
.~ .
7~5t;~
et ~ llint~rieur de la capsuls manométrique 1û suit sensiblement la
courbe I.
On voit donc qu'aux bas régimes le dispositif selon l'inven-
tion permet de récupérer unc plus grande quantité d'énergie des gaz
d'échappement et donc dlassurer une meilleure suralimentation du moteur.
La quantité d'énergie ainsi récupérée. est sensiblement proportionnelle
3 la surface délimitée entre les courbes I et II, c'est-à-dire à la
surface OA3.
Lorsqu'en partant d'une valeur supérieure à N1 on fait
décro;tre la valeur du régime de fonctionnement du moteur, on cons-
taté expérimentalement que la pression à la sortie du compresseur 24 et
donc dans la capsule manométrique 10, décroît en suivant la courbe I
du
jusqu'à une valeur N2 du régime/moteur, c'est-à-dire jusqu'au point C
pour lequel la valeur de la pression P2 correspond au tarage du ressort
19. Le roulisseau se déplace en sens inverse, permettant l'écoulement
des gaz 3 travers le conduit 12. la pression dans la capsule manomé-
trique décroit brusquement jusqu'à la valeur P4 correspondant au point
D'. De ce fait le clapet 5 est plaqué sur son siège 6 par le ressort 7
et la pression 3 la sortie du compresseur augmente jusqu'à la valeur P5
correspondant au point D. Lorsque le régime du mDteur décroît en dessous
de la valeur N2 la pressian dans la capsule manométrique 10 décroit
suivant la portion D'O de la courbe III tandis que la valeur de la
pression 3 la sortie du compresseur varie suivant la portion DO de la
courbe II.
La valeur N2 dépend des earactéristiques du turbo-compresseur
et du rapport entre la section de l'orifice 15 et celle du conduit 12.
De façon générale, la valeur de N2 est inférieure de 1 à 2 tours/s. à
la valeur N1.
Le ~ode de réalisation illustré par la figure 4 présente
l'avantage d'introduire dans la capsule manométrique des yaz à une
11'7'7~
! température inférieure à celle des ga~ dléchappe~ent ; mais on ne
¦ sortirait pas du caclre de la présente invention en reliant les cana-
! lisations 11 et 28 respectivement à l~entrée et à la sortie cie la
turbi e Z3,
.
1D
