EP1132581B1

EP1132581B1 - Soupape à commande électromagnétique, à ressort pneumatique et articulation par genouillère

Info

Publication number: EP1132581B1
Application number: EP01400607A
Authority: EP
Inventors: Jean c/o Sagem SA Doreau
Original assignee: Johnson Controls Automotive Electronics SAS
Current assignee: Johnson Controls Automotive Electronics SAS
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: DE60100081T2; DE60100081D1; ES2189779T3; EP1132581A1; FR2806146B1; FR2806146A1

Description

La présente invention concerne les dispositifs de commande de soupapes à déplacement linéaire suivant un axe comportant, pour chaque soupape, un actionneur ayant une palette en matériau ferromagnétique fixée à une tige de poussée de soupape déplaçable dans un boítier de l'actionneur par des moyens électromagnétiques, ayant au moins une bobine montée sur un circuit ferromagnétique, entre deux positions stables définies par l'appui de la palette contre le circuit ferromagnétique, et comprenant des moyens de rappel élastique de soupape vers une position médiane.

L'excitation de la bobine ou des bobines crée une force d'amenée de la palette vers une de ses positions de butée, le sens de la force étant déterminé soit par la position initiale de la palette dans le cas où il y a une seule bobine (demande de brevet FR 98 12489), soit par celle des bobines à actions opposées qui est alimentée (demande de brevet FR 98 11670 par exemple).

Classiquement, les moyens de rappel élastique sont constitués par un ressort, ou plus fréquemment deux ressorts mécaniques hélicoïdaux entourant la tige (demandes de brevet FR 98 11670 et FR 98 12489).

L'ensemble soupape-palette-ressort constitue un système oscillant ayant une fréquence propre. Cette fréquence propre limite la cadence des oscillations que l'on peut atteindre donc le régime du moteur. Cette cadence est en effet d'autant plus élevée que le moteur équipé des soupapes tourne à régime plus élevé. Pour augmenter la fréquence propre, et donc le régime qu'il est possible d'atteindre, on a proposé de réduire la masse des parties mobiles, se qui se heurte rapidement à des limites. On a également proposé d'augmenter la raideur des ressorts. Mais toute augmentation de la raideur accroít les contraintes et les frottements. Une raideur élevée réduit la durée de vie et augmente les risque de grippage ou de rupture.

On a par ailleurs déjà proposé, par exemple dans EP 0722039 d'utiliser des ressorts pneumatiques de rappel de soupape sur des moteurs à arbre à cames, notamment des moteurs de compétition .

La présente invention part notamment de la constatation qu'une fréquence propre élevée, obtenue par une grande raideur des ressorts, n'est indispensable qu'aux régimes élevés des moteurs. Elle vise en conséquence à fournir un dispositif permettant d'ajuster la raideur du ou des ressorts - et donc la fréquence propre du système oscillant - en fonction des besoins et pour cela elle utilise les possibilités de réglage de raideur qu'offre un ressort pneumatique, par opposition à un ressort mécanique.

L'invention propose en conséquence une soupape à actionneur électromagnétique du genre ci-dessus définie comportant au moins un ressort pneumatique selon la revendication 1, permettant notamment de réduire l'encombrement dans le sens axial de déplacement des soupapes.

Dans un mode particulier de réalisation deux ressorts pneumatiques sont constitués par deux compartiments d'un même vérin pneumatique. Dans un autre, un seul ressort pneumatique est prévu, l'effort antagoniste étant fourni par un ressort mécanique, ce qui réduit la consommation d'air. La raideur de l'oscillateur ainsi constitué étant directement proportionnelle à la masse de gaz dans les chambres du vérin, le pilotage en temps réel de la pression de gaz permet d'ajuster la vitesse de transition. De plus la position du point d'équilibre peut être réglée en continu par pilotage des pressions moyennes ou maximales dans la ou les chambres.

L'air sous pression nécessaire au « gonflage» de chaque ressort pneumatique peut avoir diverses origines, telles que celles définies dans les revendications dépendantes. Si le gonflage des chambres est réalisé par transfert d'une partie de l'énergie de compression depuis un ou des actionneurs vers les chambres en dépression relative par rapport à l'actionneur d'alimentation, on compense l'effet des pertes de gaz sans avoir recours à une réserve ou un groupe pneumatique extérieur en transférant une partie de l'énergie d'origine électromagnétique apportée par la ou les bobines à l'entropie des gaz comprimés. Tout ou partie des actionneurs d'un moteur sont ainsi utilisés comme pompe à air.

L'invention propose également un procédé de lancement d'un dispositif ci-dessus défini, en vue notamment du démarrage d'un moteur, facilitant les opérations, réduisant les surintensités de courant requises au cours de la phase initiale d'augmentation progressive des oscillations jusqu'à "collage" de la palette sur le circuit ferromagnétique et réduisant le risque de coincement, suivant lequel avant lancement, on laisse les soupapes se placer sans contre pression dans la ou les chambres ; puis on pilote l'actionneur de façon électromagnétique ou pneumatique jusqu'au "collage" initial et on fait monter progressivement la (les) pression(s) pour définir la position neutre et la pulsation propre souhaitée. Dans le cas d'un actionneur à deux bobines, le va et vient initial sur toute la course peut être obtenu sans contre-pression.

Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :

la figure 1 montre schématiquement, en coupe longitudinale et à titre explicatif, un actionneur avec ses connexions avec un système de réglage de pression, à pompe à air externe et/ou régulateur de pilotage de pression ;
la figure 2, similaire à une fraction de la figure 1, montre schématiquement une variante de réalisation à un seul ressort pneumatique ;
la figure 3 montre une variante avec utilisation d'un régulateur à modulation de largeur d'impulsions ;
la figure 4 montre un mode de réalisation d'une soupape à actionneur comprenant une liaison à genouillère.

L'actionneur 10 montré en figure 1 est constitué d'un ensemble destiné à être fixé sur la culasse 12 d'un moteur. Il comporte généralement un boítier en matériau ferromagnétique.

L'actionneur comporte une palette 22 en matériau ferromagnétique, de forme en plan rectangulaire, avantageusement feuilleté pour réduire les pertes, fixée sur une tige 24 d'entraínement de la soupape 25. Plusieurs soupapes sont montées côte-à-côte.

Dans le mode de réalisation illustré, la queue de la soupape 25 est séparée de la tige 24. Elle est guidée par une bague fixée à la culasse et peut tourner dans celle-ci.

Deux ressorts pneumatiques de rappel sont prévus pour maintenir la soupape au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture. Un des ressorts est comprimé entre un plateau 30 fixé à la tige 24 et le prolongement de la pièce 16. L'autre ressort est comprimé entre un plateau 31 fixé à la queue de soupape et le fond du puits de soupape ménagé dans la culasse. Le jeu de distribution entre la tige levée et la soupape fermée garantit l'étanchéité de la soupape.

Le boítier contient une carcasse en matériau ferromagnétique 36, avantageusement feuilleté, délimitant un circuit ferromagnétique avec la palette, et une bobine 38 placée dans le noyau.

La palette 22 présente des bords biseautés parallèlement aux pôles du noyau 36. Dans cette disposition, l'armature n'est pas saturée magnétiquement dans sa plage de fonctionnement et le flux se referme en passant principalement par l'armature, grâce à la forme des pièces polaires du noyau. Pour imposer le sens initial de déplacement de la palette 22 à partir de sa position de repos, la dissymétrie du circuit de flux supérieur par rapport au circuit de flux inférieur est accentuée par un bossage central en forme de barrette. Lorsque la palette est dans une position de repos, et qu'un flux magnétique est généré par la bobine 38, se referme en cheminant par le bossage 84, ce qui réduite la longueur des entrefers. Lorsque la palette se colle contre le noyau, en position haute, ce bossage se trouve court-circuité et n'affaiblit pas les forces de collage. Cette disposition réduit notablement la réluctance en position de repos et accroít la fiabilité du dispositif.

Au cours d'une phase initiale de fonctionnement, l'équipage mobile constitué par la soupape et la palette est alternativement attiré vers le haut et vers le bas, par application à la bobine d'impulsions électriques à une fréquence proche de la fréquence propre du système. La bobine 38 est initialement alimentée pendant une durée correspondant à une fraction de la période propre, ce qui provoque un déplacement de faible amplitude de la palette, puis le courant est coupé, puis rétabli une fois la position médiane dépassée.

Le courant qui parcourt la bobine 38 peut être piloté en observant la position de la palette 22 à l'aide d'un capteur de position intégré dans le dispositif. Les impulsions de courant dans la bobine sont foumies à des instants tels que, au moment de l'application de la force, la vitesse de la palette ait le même sens que la force appliquée. La force initiale étant d'un signe donné, par suite de la dissymétrie, il suffit d'appliquer une impulsion une seule fois par période.

Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, un premier ressort pneumatique est constitué par un piston 30 fixé à la tige 24 et coulissant dans un cylindre 40 fixé au noyau 36. Le second ressort de rappel comporte un piston 34 fixé à la queue de soupape et coulissant également dans le cylindre 40. Sur la figure 1, ce cylindre a été représenté entièrement en saillie au-dessus de la culasse 12. Dans la pratique, il peut en partie être placé dans un puits ménagé dans la culasse. Chacun des pistons 30 et 34 porte un joint d'étanchéité glissant. La tige 24 et la queue de soupape sont guidées par des prolongements des fonds du cylindre, portant eux aussi des joints d'étanchéité. La raideur des ressorts pneumatiques dépend de la pression maximale dans les compartiments limités par les pistons 30 et 34. La figure 1 montre des moyens de réglage de la pression maximale comportant une électrovanne 42 commandée par un organe de calcul 44 qui peut être le calculateur de contrôle moteur. Cette électrovanne peut prendre plusieurs positions. Dans l'une de ces positions, elle relie les compartiments de l'un et l'autre des ressorts pneumatiques à un collecteur 44 relié à un accumulateur 46, par l'intermédiaire de clapets anti-retour 48. Dans cette position, les pressions dans les deux compartiments sont égales et sont celles qui règnent dans l'accumulateur, alimentées par une pompe extérieure 50. Une autre position de l'électrovanne permet de relier les deux compartiments à une décharge 50. Enfin, d'autres positions encore peuvent être prévues, permettant de relier un seul des compartiments à la décharge.

Une telle disposition permet de régler à volonté la pression qui règne dans le compartiment. En ajustant les pressions maximales (et donc les pressions minimales) qui règnent dans deux compartiments à des valeurs différentes, il est possible d'ajuster la position de repos de la tige 24 et donc de la soupape 25.

Le même collecteur 44 peut alimenter plusieurs électrovannes 42, correspondant à des actionneurs différents.

Dans une variante de réalisation, les électrovannes sont prévues pour permettre à l'un au moins des actionneurs de fonctionner en pompe, ce qui permet de se dispenser d'une pompe extérieure 51. Pour cela, des liaisons 52, indiquées en tirets sur la figure 1, relient le collecteur 44 aux électrovannes par l'intermédiaire de clapets anti-retour 56 ne permettant l'écoulement d'air que depuis l'électrovanne vers le collecteur. Le calculateur 44 peut alors être prévu pour placer l'électrovanne correspondant à un compartiment d'actionneur dont le volume se réduit du fait de la commande électromagnétique avec la sortie équipée du clapet anti-retour 56.

Par une commande appropriée du calculateur 51, il est possible de régler la pression maximale qui règne dans les compartiments au cours du fonctionnement normal, de façon à régler la raideur et la position de repos, mais aussi de vider les compartiments avant lancement du dispositif de commande. Dans ce cas la première alimentation de la bobine 38 d'un actionneur provoque la venue en butée de la palette 22, puisqu'aucune force antagoniste n'est présente. La pression peut ensuite être augmentée progressivement , et la durée nécessaire, pour que le système oscillant passe alternativement en butée dans ces deux positions extrêmes et réduites. En fonctionnement normal, la raideur sera fixée de façon à ne rechercher une fréquence propre de résonance élevée que lorsqu'elle est nécessaire du fait d'un haut régime du moteur.

L'actionneur dont une fraction est montrée sur la figure 2, ou aux éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, comprend un seul ressort pneumatique, constitué par le piston 34 fixé à la tige de soupape 25. Le ressort antagoniste est un ressort mécanique 54 agissant dans le sens de la fermeture de la soupape. Comparé à celui de la figure 1, ce mode de réalisation a l'avantage d'une plus grande simplicité et de moindre perte par frottement du fait d'une réduction du nombre des joints. En contrepartie, il ne permet pas de fixer la position de repos indépendamment de la raideur.

La figure 3 montre une variante de réalisation dans laquelle la pression dans l'accumulateur 46 est régulée par une électrovanne 56 commandée par des modulations de largeur d'impulsion.

Quel que soit le mode de réalisation adopté, il est possible de réduire la vitesse lorsque la soupape approche de sa position de pleine ouverture (ou de fermeture) par un dispositif du genre dashpot, comprenant par exemple un tube calibré 58 fixé au cylindre et un plongeur 60 fixé au piston 34.

Dans le mode de réalisation de l'invention montré en figure 4, où les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent encore le même numéro de référence, le cylindre n'est pas aligné avec la soupape 25. Cette soupape est équipée d'un ressort de rappel 54 de type classique, comprimé entre la culasse et un plateau 60 fixé à I l'extrémité de la tige de soupape. La tige 24 est fixée à un pivot 62 reliant une biellette 64 qui tourne autour d'un point fixe 66 et une biellette 68 dont l'extrémité tourne autour d'un axe 70 appartenant à un basculeur 72 qui s'appuie sur le plateau 60. Le ressort pneumatique limité par le piston 34 et le cylindre permet d'exercer sur le pivot 62 une force dans le sens de la flèche f, qui provoque le déplacement du basculeur 72 et l'ouverture de la soupape. Ce montage à genouillère est également utilisable avec un actionneur du genre ci-dessus, à deux ressorts pneumatiques.

Dans une variante de réalisation, le ressort 54 est supprimé et le basculeur 72 est alors constitué par une lame élastique reliée à la tige de soupape 25 pour exercer un effort dans le sens de la fermeture.

Dans une autre variante, le ressort 54 est omis et l'actionneur comporte deux ressorts pneumatiques comparables à ceux de la figure 1. La disposition à genouillère de la figure 4 est également utilisable avec un actionneur à deux ressorts mécaniques et plus généralement avec tous les actionneurs des figures 1 à 3.

Le dispositif complet comporte en général autant d'actionneurs qu'il y a de soupapes équipées sur le moteur. Il est possible d'utiliser un circuit unique d'alimentation des ressorts pneumatiques de tous les actionneurs. Toutefois, il sera souvent préférable de prévoir un circuit comprenant des moyens de réglage de la pression dans les ressorts séparément. Une telle disposition permet par exemple, lorsqu'il y a deux soupapes d'admission par cylindre, de n'utiliser qu'une seule soupape en laissant l'autre fermée en permanence lors des périodes de fonctionnement du moteur qui n'exige pas un remplissage important des chambres de combustion. Dans ce cas, le maintien d'une pression élevée dans le ressort pneumatique agissant dans le sens de la fermeture avec mise à l'atmosphère de l'autre ressort pourra permettre d'éviter de laisser la bobine ou une des bobines de l'actionneur alimentée en courant. Dans le cas d'un ressort pneumatique dans le sens de l'ouverture et d'un ressort mécanique dans le sens de la fermeture, il suffit de vider le compartiment du ressort pneumatique pour laisser la soupape fermée.

La disposition suivant l'invention est applicable quel que soit le type de circuit magnétique prévu, y compris lorsque les actionneurs de deux soupapes adjacentes de même type partagent un même circuit magnétique (demande de brevet FR 99 04472). Le dispositif est également utilisable aussi bien dans le cas d'une commande des bobines utilisant un signal fourni par un capteur de position qu'en absence d'un tel capteur de position.

Le ou les compartiments peuvent être délimités par des soufflets métalliques dont l'élasticité éventuelle participe à la fonction de ressort.

Claims

Soupape à déplacement linéaire suivant un axe à actionneur linéaire, le dit actionneur comprenant :

une palette (22) en matériau ferromagnétique fixée à une tige (24) de poussée de soupape (25) et déplaçable dans un boítier (40) de l'actionneur par des moyens électromagnétiques, ayant au moins une bobine (36) montée sur un circuit ferromagnétique, la tige (24) étant déplaçable entre deux positions stables définies par l'appui de la palette (22) contre un circuit ferromagnétique des dits moyens, et

au moins un ressort pneumatique de rappel de la tige (24) muni de moyens permettant d'y régler la pression moyenne ou maximale, caractétisé en ce que le dit actionneur est placé obliquement par rapport à l'axe de la soupape et relié à la tige (24) par une genouillère (62, 64, 68, 70).
Soupape suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur comporte deux ressorts pneumatiques, agissant en sens contraire l'un de l'autre.
soupape suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur comporte un ressort pneumatique et un ressort mécanique accordés à la masse de l'équipage mobile de l'ensemble soupape-actionneur, agissant en sens contraire l'un de l'autre.
Soupape selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de réglage sont prévus pour réduire ou annuler la pression lors du lancement.
Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent une pompe à air et un accumulateur tampon et un régulateur de la pression fournie par l'accumulateur.
Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dits moyens permettant de régler la pression moyenne ou maximale comportent l'actionneur.