Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE)

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SAERE : multiplication par N du nombre de sculptures périphériques(SCU) de l'obturateur(OBT)

permettant de diviser par N la vitesse de l'obturateur et d'autant les pertes par frottements

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Le fonctionnement statique est peu exigeant pour l’actionneur(CMD) et son électronique de contrôle, car il s’agit d’asservissement en position, de type échelon pour l'arbre de commande, la valeur de l’échelon variant avec les paramètres du moteur(MAC), mesurés par exemple tous les 1/10e de seconde.

En revanche, le fonctionnement dynamique nécessite un actionneur(CMD) rapide et une électronique de contrôle performante, car ce sont des asservissements en poursuite qui interviennent : il faut en effet que à tout instant avec variant en permanence.

En contrepartie, les possibilités offertes sont très importantes car on peut régler en instantané la dimension de l’ouverture, et même bloquer l’obturateur dans n’importe quelle position (complètement ouverte, partiellement ouverte/fermée, complètement fermée). Pour obtenir les mesures angulaires précises à quelques degrés près, il faut typiquement mesurer tous les 1/10 000e de seconde à 3000 tr/min car les arbres tournent typiquement à environ 10 000°/s pour un moteur(MAC) à 3000 tr/min.

D’une manière générale, les possibilités de calage variable offertes par la soupape(SAERE) sont infinies en phase et en ouverture à condition d’avoir des capteurs de positions angulaires pour les différents arbres en rotation avec un asservissement de l’arbre de réglage(REG) à l’arbre principal(PRI) via la commande(CMD). Cet asservissement peut être mécanique (via courroie, embiellage…) ou de préférence sur les applications modernes, il sera électronique, avec une cartographie de calage variable dépendant de nombreux paramètres dont les principaux sont la charge et la vitesse la machine(MAC).

4.e) Des sculptures(SCU,SCU1,SCU2…) à la périphérie de l’obturateur(OBT) permettent à la fois (Figs. 3A,3I) :

- par leur nombre de diminuer la vitesse de rotation de la soupape, ce qui diminue la puissance qu’elle dissipe par frottement (déjà faible),

- par leur forme de créer des types d’écoulements particuliers et des variations de débits précises, aussi bien à l’ouverture qu’à la fermeture.

En effet, en répétant cycliquement, régulièrement et circulairement N fois la sculpture(SCU1) sur la périphérie du disque obturateur(OBT), celui-ci tournera N fois moins vite pour exactement la même distribution de fluide à travers la lumière(LUM).

Les sculptures périphériques(SCU,SCU1,SCU2…) peuvent avoir des formes très variées :

- le secteur angulaire refermé par des segments radiaux conduit à une évolution linéaire de la section de passage à l’ouverture ou à la fermeture, avec éventuellement une période de pleine section (constante) peu après l’ouverture et peu avant la fermeture.

- Le secteur angulaire refermé par des cercles(figs. 3D,3I) conduit à une évolution sensiblement quadratique de la section de passage à l’ouverture ou à la fermeture, avec éventuellement une période de pleine section (constante) peu après l’ouverture et peu avant la fermeture.

- Mais les géométries et combinaisons de secteurs angulaires sont infiniment variables (figs. 3A-3B) pour créer divers effets aéro ou hydro-dynamiques à l’admission comme à l’échappement : ces effets seront, non exhaustivement : maximisation de la section d’écoulement, modulations de débit, écoulement tourbillonnaire ou laminaire, résonances vibratoires avec d’autres écoulements ou oscillations mécaniques…

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SAERE : sur culasse de moteurs conventionnels 4 cylindres

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4.f) La description détaillée suivante se réfère aux dessins annexés sur 9 pages et fait apparaître d'autres caractéristiques et avantages de la présente invention.

4.f.i) La figure 1A illustre en perspective écorchée un dispositif(SAERE) conforme à l'invention. De bas en haut, on distingue la communication entre la chambre(CHA) et le fluide traversant le dispositif(SAERE) à travers l’échangeur(ECH), par l’intermédiaire de la lumière(LUM) périodiquement fermée par l’obturateur(OBT).

L’obturateur(OBT) est monté en pivot avec 2 roulements(RLT2,RLT3) solidaires du socle(SOC) et du carter(CAR). L’obturateur(OBT) est bloqué axialement par 2 butées à billes, l’une inférieure(BAB1) et l’autre supérieure(BAB2). Pour autant, l’obturateur peut avoir de légers jeux mécaniques radiaux et axiaux car une segmentation(SEG,SEGA,SEGB,SEGC,SEGD,SEFE,SEGG) empêche les fuites malgré le décollement des surfaces principales. Ces précautions de guidage (roulements et butée à billes) et d’étanchéification permettent au dispositif(SAERE) d’assurer des échanges de fluide sans fuites notables tout en dissipant très peu d’énergie.
La figure 1B représente en perspective une vue de dessus du dispositif. En zone supérieure, des vis (VIS1,VIS2,VIS3,VIS4) assemblent simplement et de manière réversible le socle(SOC) et le carter(CAR), tout en positionnant naturellement les éléments mobiles internes(BAB1,BAB2,OBT,SEG). Le socle(SOC) peut constituer une pièce indépendante, ou bien être directement intégré à la culasse de la machine(MAC) où le dispositif(SAERE) prend place. A l’extérieur du carter(CAR) et en zone supérieure s’inscrit un train épicycloïdal avec ses 3 éléments principaux : la couronne(COU), le porte-satellites(PST) et le planétaire(PLA). Il y a au moins un satellite(SAT1,SAT2,SAT3). Le nombre de satellites(SAT) n’a pas d’incidence particulière sur la cinématique ; toutefois, un nombre de 3 permet un auto-centrage et une répartition des efforts sur 3 éléments principaux (COU,PST,PLA). Parmi ces 3 éléments, l’un est homocinétique avec l’obturateur(OBT), l’autre est l’entrée principale(PRI) en rotation continue grâce à la machine(MAC), et le dernier est l’entrée de réglage(REG) pilotée via l’organe de commande(CMD). Les connexions entre l’entrée principale(PRI) et la machine(MAC), ou entre la commande(CMD) et l’arbre de réglage(REG) se font par tout moyen adéquat comme une poulie, des chaînes/courroies, des engrenages, l’électromagnétisme, la piézoélectricité…

La figure 1C illustre en perspective une vue de dessous du dispositif assemblé. En partie inférieure se trouve la lumière(LUM). Le nombre de lumières(LUM) peut être supérieur à un, par exemple pour alimenter plusieurs chambres(CHA) avec une seule soupape(SAERE), ou bien alimenter une seule chambre(CHA) avec plusieurs lumières(LUM), de manière à augmenter la section de passage du fluide. On retrouve en partie supérieure l’organe de commande(CMD) de l’arbre de régulation(REG) à choisir parmi(COU,PST,PLA). L’organe(CMD) sera classiquement un moteur électrique, mais ont peut aussi envisager des moyens plus traditionnels, comme des embiellages purement mécaniques, ou au contraire très élaborés comme des actuateurs électromagnétiques, piezoélectriques, etc…
La figure 1D montre une coupe de(SAERE) selon le plan médian séparant la lumière(LUM) en 2 parties égales. 3 types de segmentation se démarquent : une première segmentation circulaire interne(SEGA,SEGB) qui s’implante en partie inférieure centrale sur la protubérance annulaire(PAN) ; une deuxième segmentation avec des segments horizontaux(SEGC,SEGD) qui s’implantent localement de part et d’autre de la lumière(LUM) et entre le socle(SOC) et l’obturateur(OBT) ; une troisième segmentation circulaire externe(SEGE,SEGF,SEGG) qui s’implante entre l’obturateur(OBT) et le carter(CAR). Le nombre de segments du premier type est au minimum 1, du deuxième type au minimum 2, et du troisième type au minium 1. Ainsi, l’obturateur(OBT) reste étanche sans frotter sur le carter ou le socle. Cela limite son usure et la puissance dissipée par le dispositif(SAERE). Les butées à billes(BAB1,BAB2) positionnent axialement l’obturateur(OBT) et on peut même envisager de libérer les billes qui se répartiront régulièrement entre l’obturateur(OBT) et le socle(SOC) ou le carter(CAR) sous l’effet des forces centrifuges et du mouvement.
Les figures 1E et 1F représentent le dispositif(SAERE) en perspective éclatée. On y distingue sur la gauche les roulements(RL1,RLT2,RL4,RLT5,RLT6) qui permettent au train épicycloïdal de tourner précisément et sans frottement. Le choix a été de solidariser le planétaire(PLA) avec l’obturateur(OBT) et de se servir de la couronne(COU) et du porte-satellites(PST) comme entrées de réglage(REG) ou principale(PRI) : des gorges sont aménagées dans la couronne(COU) et le porte-satellites(PST) en vue d’accueillir des courroies. Néanmoins, ces choix techniques ne sont qu’une possibilité parmi beaucoup d’autres : la partie supérieure du dispositif(SAERE) est entièrement flexible, tant dans le type de train épicycloïdal (figs 2C-2J) que dans les rôles des arbres(COU,PST,PLA) ou leurs liaisons mécaniques avec le reste de la machine(MAC).
Enfin, la figure 1G montre le dispositif(SAERE) en vue éclatée de profil, partie inférieure à droite, supérieure à gauche, et l’on peut remarquer que l’assemblage ne pose pas de difficultés techniques.

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SAERE : sur culasse de moteurs conventionnels 4 cylindres

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4.f.ii) Les figures 2A et 2C-2J représentent les trains épicycloïdaux compatibles avec (SAERE). Leurs organes rotatifs principaux sont la couronne(COU) indicée 3, le porte-satellites(PST) indicé 4, et le planétaire(PLA) indicé 1. Ces éléments roulent sans glissement l’un sur l’autre par l’intermédiaire des satellites (SAT,SAT1,SAT2, SAT3), indicés 2 ou 2’. De préférence, (COU,PST,PLA,SAT) sont des roues dentées ou bien ont une adhérence suffisante. Cette cinématique est implantée en partie supérieure du dispositif(SAERE). Les angles , et mesurent respectivement la rotation du planétaire, indicé 1, de la couronne, indicée 3 et du porte-satellites, indicé 4 par rapport au carter(CAR) indicé 0. La rotation des satellites, indicés 2, n’est pas indiquée car elle est sans importance dans les calculs.

Il est à noter que et sont du même ordre de grandeur pour , c’est à dire un rayon de planétaire(PLA) valant environ la moitié du rayon de la couronne(COU).

4.f.iii) La figure 3A indique quelques formes possibles pour les sculptures périphériques de l’obturateur(OBT), tandis que la figure 3B présente quelques formes possibles pour la lumière(LUM). La figure 3C suggère quelques superpositions entre une forme de sculpture(SCU) et une autre forme de lumière(LUM). Les géométries présentées ne sont qu’indicatives et sont susceptibles de varier infiniment en forme et en orientation, et en 3D pour influencer l’écoulement : on peut ainsi créer des effets sur la section d’écoulement, le débit en résultant, mais aussi changer la nature de l’écoulement (laminaire, turbulent en fonction du nombre de Reynolds), et éventuellement créer un remplissage tourbillonnaire (effet ‘swirl’) par une géométrie 3D adéquate et défléchissante pour la lumière(LUM) et la sculpture. Des résonances vibratoires peuvent aussi être mises à profit par les formes de (SCU) et (LUM).

Enfin, les figures 3D,3E,3F,3G,3H et 3I illustrent un obturateur(OBT) avec respectivement 1,2,3,4,5 et 6 sculptures(SCU,SCU1,SCU2,SCU3,SCU4,SCU5,SCU6) de type secteur angulaire refermé par des cercles ; la lumière (LUM) est aussi circulaire. Le train épicycloïdal est présent : une couronne(COU), un porte-satellites(PST), les satellites(SAT1,SAT2,SAT3) et le planétaire(PLA). Parmi (COU,PST,PLA), l’un des éléments est l’entrée de réglage(REG) pilotée par l’organe de commande(CMD), l’autre est l’entrée principale(PRI) en rotation continue grâce à la machine(MAC), et le dernier est la sortie solidaire de l’obturateur(OBT). N sculptures(SCU) régulièrement réparties circulairement permettent, avec une distribution de fluide identique, de diviser la vitesse de rotation de l’obturateur par N, et ainsi de réduire l’usure et la friction entre les pièces mobiles et les pièces fixes.

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SAERE : sur culasse de moteurs conventionnels 4 cylindres

Noter la courroie de distribution et 2 arbres optionnels pour les accessoires (pompe et alternateur par exemple)

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Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales

ABRÉGÉ


Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE) destinée à ouvrir et fermer les conduits d’une machine(MAC) où s’écoulent des fluides, comprenant :
- un obturateur rotatif (OBT) directement contrôlé par un train épicycloïdal en partie haute, composé de : satellites(SAT), couronne(COU), porte-satellites(PST) et planétaire(PLA),
- un orifice échangeur(ECH)
- des sculptures(SCU) périphériques sur l’obturateur(OBT),
- 2 butées à billes(BAB) entre lesquelles tourne l’obturateur(OBT),
- un ensemble de segments(SEG) et de roulements(RLT)
- un carter(CAR) et un socle(SOC).

Parmi les 3 éléments(COU,PST,PLA), l’un principal(PRI) reçoit la rotation continue de la machine(MAC), l’autre est solidaire de l’obturateur(OBT) et le dernier devient l’arbre de réglage(REG) contrôlé par l’organe de commande(CMD).

(SAERE) permet ainsi :
1. Une forte réduction de l’érosion des pièces et de la dissipation d’énergie.
2. Avec la seule rotation de l’arbre de réglage(REG), un calage variable continu illimité en phase et en ouverture sans choc entre les pièces.