FR2949253A1 - Anti-friction epicyclic rotary valve for internal combustion engine, has control unit controlling shaft of gearset that regulates opening and closing of slot and passage section, and shutter whose profiles control discharge of fluid - Google Patents
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Abstract
Description
1 Soupape anti-érosion à rotations épicycloïdales 1 Anti-erosion valve with epicyclic rotations
L'invention concerne un dispositif destiné à ouvrir et fermer périodiquement des conduits où s'écoulent des fluides liquides, gazeux ou polyphasiques. L'invention est une Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE) qui se caractérise par : 1. un obturateur rotatif directement contrôlé par les mouvements de rotation d'un train épicycloïdal, 2. l'obturateur tourne entre 2 butées à billes, 10 3. un seul arbre du train épicycloïdal permet de régler continûment et à volonté à la fois les moments d'ouverture/ fermeture du conduit et la section de passage offerte au fluide qui s'y écoule, 4. des sculptures à la périphérie du disque rotatif. 15 Ce qui procure les appréciables fonctionnalités suivantes : 1.La course et la phase de la soupape sont librement choisies par la commande angulaire d'un seul arbre en rotation, avec grande section d'écoulement de fluide et sans choc entre les pièces, 20 2. La friction est très réduite et n'érode pas significativement le disque rotatif, 3. Les pièces d'usure sont des butées à billes robustes et des segments, remplaçables si besoin. The invention relates to a device for periodically opening and closing ducts in which liquid, gaseous or multiphase fluids flow. The invention is an anti-erosion valve with epicyclic rotation (SAERE) which is characterized by: 1. a rotary shutter directly controlled by the rotational movements of an epicyclic gear, 2. the shutter rotates between two thrust bearings, 3. a single shaft of the epicyclic train makes it possible to regulate continuously and at will both the opening / closing moments of the conduit and the passage section offered to the fluid flowing therein; 4. sculptures at the periphery of the rotating disc. This provides the following significant features: 1.The stroke and phase of the valve are freely selected by the angular control of a single rotating shaft, with large fluid flow section and without shock between the parts, 2. The friction is very small and does not significantly erode the rotating disc, 3. The wear parts are robust thrust bearings and segments, replaceable if necessary.
25 La présente invention(SAERE) trouve son application dans toute machine(MAC) où il est nécessaire d'obturer périodiquement l'écoulement d'un fluide selon des lois variables en phase et en ouverture, en particulier dans le domaine des moteurs à combustion interne où le déphasage 30 des soupapes en phase et le contrôle des amplitudes de leur mouvement sont deux voies majeures pour améliorer la combustion : ceci augmente la puissance du moteur(MAC) et/ou réduit les consommations et émissions de polluants. The present invention (SAERE) finds its application in any machine (MAC) where it is necessary to periodically close the flow of a fluid according to variable laws in phase and in opening, in particular in the field of combustion engines. The internal phase shift of the valves in phase and the control of the amplitudes of their movement are two major ways to improve combustion: this increases the power of the engine (MAC) and / or reduces the consumption and emissions of pollutants.
2 La présente invention s'inscrit aussi dans deux précédentes demandes de brevets de la Société SYCOMOREEN : le dispositif(SAERE) est un perfectionnement du système de soupapes à calage variable entièrement pilotable en phase et en ouverture, utilisé et très partiellement décrit dans FR2925571A (Machine à Pistons Rotatifs à Battement Contrôlé(MPRBC)). Ce système est aussi repris dans le dépôt de brevet INPI 0900756 du 19/02/2009 dans la version non-rotative des machines à Piston Octogonal à Géométrie Déformable Contrôlée(POGDC). The present invention is also part of two previous patent applications by the SYCOMOREEN Company: the device (SAERE) is an improvement of the variable valve system fully controllable phase and opening, used and very partially described in FR2925571A ( Controlled Beat Rotary Pistons Machine (MPRBC)). This system is also included in the patent application INPI 0900756 of 19/02/2009 in the non-rotary version of the Controlled Geometry Octagonal Piston Machines (POGDC).
Seront exposés successivement dans ce document : 1. L'histoire et l'état de l'art des techniques de soupapes . a. tiroir coulissant b. valve à tige/tulipe (`poppet valve') c. soupapes rotatives (de types ASPIN et CROSS) d. chemises mobiles 2. L'histoire et l'état de l'art des contrôles de soupapes a. sur les machines à vapeur b. le calage variable en phase et en ouverture(VVT) c. cas particulier des distributions desmodromiques 3. Synthèse de l'état de l'art 4. Les Soupapes Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales a. Le dispositif(SAERE) b. Les performances techniques atteintes c. Un train épicycloïdal standard d. Trois cinématiques épicycloïdales remarquables e. Sculptures à la périphérie de l'obturateur f. Description détaillée i. Figs lA à 1D ii. Figs 2A et 2B iii. Figs 3A à 3I35 Will be exposed successively in this document: 1. The history and the state of the art of valve techniques. at. sliding drawer b. pin / tulip valve c. rotary valves (ASPIN and CROSS types) d. movable shirts 2. The history and state of the art of valve controls a. on steam engines b. variable timing in phase and opening (VVT) c. special case of desmodromic distributions 3. Synthesis of the state of the art 4. Epicycloidal Rotation Anti-Erosion Valves a. The device (SAERE) b. The technical performance achieved c. A standard epicyclic train d. Three remarkable epicyclic kinematics e. Sculptures on the periphery of the shutter f. Detailed Description i. Figs. 1A to 1D ii. Figs 2A and 2B iii. Figs 3A to 3I35
3 1. Etat de l'art des techniques de soupapes 3 1. State of the art valve technology
1.a) La technologie la plus ancienne de valves est le tiroir coulissant, utilisé dans les machines à vapeur. Mais à la fin du XIXème siècle, le perfectionnement des machines à vapeur et les premiers moteurs à explosion génèrent des pressions plus importantes : la friction s'accroît et compromet l'étanchéité et la longévité des tiroirs coulissants. Ceci va conduire à la soupape moderne . 1.b) Les valves à tige/tulipe (`poppet valves') apparaissent à la fin du XIXème siècle pour des machines à vapeur perfectionnées (par exemple US339809 en 1886), puis leurs évolutions améliorent la respiration des moteurs à combustion pour l'admission et l'échappement. Elles résolvent les problèmes de friction et d'étanchéité par l'assemblage métallique solidaire d'une tige et d'une tulipe , laquelle appuie sur une portée (le siège de soupape), grâce à un ressort de rappel et/ou à la pression des gaz dans la chambre de combustion. La tige est guidée axialement en translation par la culasse du moteur et ouverte par une poussée intermittente en partie haute par divers moyens mécaniques (arbre à cames, embiellages, basculeurs, galets...) animés par la machine(MAC). Avant même le XXème siècle, des motoristes proposent déjà des implantations spécifiques de la culasse avec des soupapes `poppet', comme dans GB189519735A datant de 1895 émanant de DE DION & BOUTON. Ces soupapes induisent des progrès importants dans le rendement des moteurs à combustion interne, lesquels permettent dès 1900 jusqu'à nos jours le plein essor des engins motorisés, notamment les automobiles. Ce rappel historique n'est pas dénué d'intérêt car les valves `poppet' ont géométriquement peu évolué. Elles sont presque universellement utilisées pour les moteurs. 1.c) Durant le XXème siècle, de nombreux ingénieurs et inventeurs souhaitent explorer une autre voie : les soupapes rotatives. Il paraît en effet mécaniquement peu judicieux de convertir le mouvement de rotation du moteur (en général à pistons, bielles et vilebrequin) en un mouvement de translation, de surcroît éloigné car placé en partie haute du moteur alors que le vilebrequin est en partie basse. Ainsi les soupapes rotatives se développent et sont expérimentées selon deux voies différentes : - Les soupapes à arbres rotatifs, d'axe parallèle à l'arbre moteur, typiquement bien décrites par les brevets de Roland Claude CROSS (1923 à 1963, par exemple CA370900A), mais avec des variantes nombreuses, notamment antérieures telles que celles de la valve MINERVA BOURNONVILLE(années 1920), ou de FRAYER & HOWARD(1909), ou bien celle de BUTLER(1904). On peut citer comme autres travaux relatifs : MUELLER (1914), FRANCIS(1921), FREYLER(1927), MELLORS(1944), valves rotatives NORTON (années 1960), LOTUS 2 temps à valve rotative (années 1990), valves rotatives sphériques de Georges J.COATES (années 1990, par exemple US4944261A, encore en développement). - Les soupapes à arbres rotatifs, d'axe orthogonal à l'arbre moteur, et bien décrites par les brevets de Franck ASPIN(1935 à 1975, par exemple FR931056A), avec de nombreuses autres variantes ultérieures comme celle de Walter FROEDE (années 1950), mais aussi antérieures comme celle de Léonard VALLILEE(1911) ou Fernand FOREST(1881). On peut citer comme autres travaux relatifs : Marcel ECHARD(1920), DENNISSON(1921), Frank W. OFELDT(1924), CRAWFORD(1925), PEACY(1926), Walter F. ISLEY(1942), TJAARDA pour BRIGGS(1942 à 1943), GERNANDT pour BRIGGS(1944) , et une récente approche élastique W02008129392A1 par THYSSENKRUPP METALURGICA. 1.a) The oldest technology of valves is the sliding drawer, used in steam engines. But at the end of the nineteenth century, the development of steam engines and the first combustion engines generated greater pressure: the friction increased and compromises the tightness and longevity of the sliding drawers. This will lead to the modern valve. 1.b) Poppet valves appeared at the end of the 19th century for advanced steam engines (for example US339809 in 1886), and their evolution improved the combustion of combustion engines for the first time. intake and exhaust. They solve the problems of friction and sealing by the metal assembly secured to a rod and a tulip, which presses on a seat (the valve seat), thanks to a return spring and / or pressure gases in the combustion chamber. The rod is guided axially in translation by the cylinder head of the engine and opened by an intermittent thrust in the upper part by various mechanical means (camshaft, linkages, rockers, rollers ...) animated by the machine (MAC). Even before the twentieth century, engine manufacturers already offer specific locations of the cylinder head with `poppet 'valves, as in GB189519735A dating from 1895 from DE DION & BOUTON. These valves induce significant progress in the performance of internal combustion engines, which from 1900 to the present day the full development of motorized vehicles, including automobiles. This historical reminder is not devoid of interest because poppet valves have geometrically little evolved. They are almost universally used for engines. 1.c) During the twentieth century, many engineers and inventors wish to explore another path: rotary valves. It seems indeed mechanically unwise to convert the rotational movement of the engine (usually pistons, connecting rods and crankshaft) in a translation movement, furthermore distant because placed in the upper part of the engine while the crankshaft is at the bottom. Thus the rotary valves develop and are tested in two different ways: - The rotary shaft valves, parallel axis to the drive shaft, typically well described by Roland Claude CROSS patents (1923 to 1963, for example CA370900A) , but with many variants, especially earlier such as those of the valve MINERVA BOURNONVILLE (1920), or FRAYER & HOWARD (1909), or that of BUTLER (1904). Other related works include: MUELLER (1914), FRANCIS (1921), FREYLER (1927), MELLORS (1944), rotary valves NORTON (1960s), LOTUS 2-stroke rotary valve (1990s), spherical rotary valves Georges J. COATES (1990s, for example US4944261A, still under development). - The rotary shaft valves, orthogonal axis to the motor shaft, and well described by the patents Franck ASPIN (1935 to 1975, for example FR931056A), with many other subsequent variants such as that of Walter FROEDE (1950s) ), but also earlier like that of Leonardo VALLILEE (1911) or Fernand FOREST (1881). Other related works include Marcel ECHARD (1920), DENNISSON (1921), Frank W. OFELDT (1924), CRAWFORD (1925), PEACY (1926), Walter F. ISLEY (1942), TJAARDA for BRIGGS (1942). to 1943), GERNANDT for BRIGGS (1944), and a recent elastic approach W02008129392A1 by THYSSENKRUPP METALURGICA.
Par rapport aux soupapes à tige/tulipe traditionnelles, les soupapes rotatives sont conceptuellement plus séduisantes car elles permettent des ouvertures/fermetures rapides sur une large section d'écoulement, en déviant moins le fluide et sans problème d'inertie ou de vibration car leur chaîne cinématique ne comporte que des pièces équilibrées en rotation. Elles se développent significativement à partir des années 20 où Harry RICARDO les envisage pour les moteurs à vitesses de rotation élevées dans son livre The High Speed Internal Combustion Engine . Et pourtant les soupapes rotatives souffrent encore de deux importants problèmes techniques : soumises à la pression de la chambre tout en étant en 15 mouvement, elle dissipent par friction une importante puissance mécanique, - la friction engendre une érosion des soupapes, de fait rapidement peu étanches. Le moteur perd de la puissance par des fuites lors de la compression et de 20 la détente. Ceci les a empêché, malgré de nombreux essais et propositions, de détrôner la soupape à tige/tulipe : cette dernière supprime le mouvement et met à profit la pression de la chambre de combustion pour l'étanchéité : ainsi cette 25 pression devient une alliée qui ne dissipe aucune énergie. Les promoteurs de soupapes rotatives en sont conscients et proposent de nombreux systèmes destinés à limiter le frottement pour des soupapes rotatives : - Soit par des mécanismes ralentissant la soupape 30 rotative au moment de la compression/détente (le pic de pression) avec des cinématiques élaborées : croix de Malte / roue de Genève (MUELLER,MELLORS), ou engrenages à rapport de réduction variable au cours du mouvement(DENNISSON). 294925,3 6 - Soit en appliquant un effort contraire à la soupape pendant le pic de pression (CROSS, CRAWFORD) : l'exercice étant particulièrement difficile puisque les fuites peuvent survenir et le bon compromis 5 friction/fuites peut dériver au cours de la durée de vie du moteur (mécanisme complexe en haut-cylindre). - Soit en apportant du lubrifiant de diverses manières entre la culasse et la valve rotative (ECHARD, FRANCIS, OFELDT, PEACEY, FREYLER, ASPIN, NORTON) avec 10 plus ou moins de succès car ce lubrifiant part souvent dans la chambre de combustion et ne ralentit pas toujours suffisamment l'usure des soupapes. Compared with traditional stem / tulip valves, the rotary valves are conceptually more attractive because they allow rapid opening / closing over a large flow section, with less deflection of the fluid and no inertia or vibration problems because their chain Kinematic only contains parts balanced in rotation. They develop significantly from the 1920s when Harry RICARDO considers them for engines with high rotation speeds in his book The High Speed Internal Combustion Engine. And yet the rotary valves still suffer from two major technical problems: subjected to the pressure of the chamber while being in motion, they dissipate by friction a large mechanical power, - the friction causes erosion of the valves, in fact quickly not very tight . The engine loses power through leaks during compression and relaxation. This has prevented them, despite numerous attempts and proposals, from dethroning the stem / tulip valve: the latter eliminates the movement and takes advantage of the pressure of the combustion chamber for sealing: thus this pressure becomes an ally which does not dissipate any energy. Promoters of rotary valves are aware of this and propose numerous systems for limiting friction for rotary valves: either by mechanisms slowing down the rotary valve at the time of compression / expansion (the pressure peak) with elaborate kinematics : Maltese cross / Geneva wheel (MUELLER, MELLORS), or gears with variable reduction ratio during movement (DENNISSON). 294925.3 6 - Either by applying a force contrary to the valve during the peak pressure (CROSS, CRAWFORD): the exercise is particularly difficult since leaks can occur and the good compromise 5 friction / leakage can drift during the engine life (complex mechanism in top-cylinder). - Either by providing lubricant in various ways between the cylinder head and the rotary valve (ECHARD, FRANCIS, OFELDT, PEACEY, FREYLER, ASPIN, NORTON) with 10 more or less successful because this lubricant often leaves in the combustion chamber and not does not always slow valve wear enough.
Bien entendu, tous ces choix technologiques ont été repris, perfectionnés, modifiés conceptuellement ou concrètement par de nombreux intervenants (motoristes et indépendants) tout au long du XXème siècle. Of course, all these technological choices were taken over, perfected, modified conceptually or concretely by many stakeholders (motorists and independent) throughout the twentieth century.
1.d) Citons enfin les systèmes à chemises mobiles (ou à fourreau coulissant ) destinés à supprimer la soupape : ils ouvrent et ferment périodiquement des lumières d'admission ou d'échappement à la manière de tiroirs coulissants élaborés. Le premier brevet de chemise mobile est déposé en 1905 par Charles Yale KNIGHT et Liman Bernard KILBOURNE (US14,729). Le système est repris jusque dans les années 1940 par PEUGEOT, PANHARD, VOISIN et MINERVA et sur quelques rares moteurs d'avions. Il est progressivement abandonné car il consomme beaucoup d'huile et pose des problèmes d'usure et de frottements à cause d'une double friction : la chemise mobile frotte à la fois sur le piston et le cylindre. Plus récemment, la société anglaise RCV, créée en 1997 poursuit le développement des RCV engines avec une chemise rotative, principalement pour motoriser les scooters.35 2. Etat de l'art des contrôles de soupapes 1.d) Finally, there are the systems with moving jackets (or sliding sleeve) intended to remove the valve: they periodically open and close intake or exhaust ports in the manner of elaborate sliding drawers. The first mobile shirt patent was filed in 1905 by Charles Yale KNIGHT and Liman Bernard KILBOURNE (US14,729). The system was taken until the 1940s by PEUGEOT, PANHARD, VOISIN and MINERVA and on a few rare aircraft engines. It is gradually abandoned because it consumes a lot of oil and poses problems of wear and friction because of a double friction: the mobile shirt rubs on both the piston and the cylinder. More recently, the British company RCV, founded in 1997, continues the development of RCV engines with a rotating folder, mainly for motorizing scooters.35 2. State of the art of valve controls
2.a) Historiquement, les premiers contrôles de soupapes se développent sur les machines à vapeur au XIXème siècle. Les valves de STEPHENSON ou de CORLISS visaient à réduire le temps d'admission de la vapeur, et/ou de l'échappement. Dans les années 20 se développent quelques expérimentations dans l'aviation : le BRISTOL Radial Engine a une variation sur le temps de fermeture à l'admission. Le LYCOMING R-7755 possède 2 jeux de soupapes, l'un donnant la pleine puissance, l'autre permettant un vol économique. Si la plupart des mécanismes de soupapes étaient découverts dès les années 1950, leur contrôle était encore peu développé. Le développement de moteurs de compétition, puis les normes de pollution plus strictes conduisent progressivement à l'industrialisation en masse de mécanismes déphaseurs pour l'ouverture des soupapes, et plus rarement de mécanismes faisant varier la course des soupapes, qui sont presque toujours de type `poppet valve' selon la conception très ancienne de la fin XIXe/début XXe. 2.b) Les technologies de contrôle des soupapes, destinées à leur calage variable en phase et/ou en ouverture sont regroupées sous l'appellation anglo-saxonne VVT : Variable Valve Timing. Dès les années 1960, FIAT propose un système de contrôle de soupape en course(US3,641,988) par déplacement hydraulique d'un pivot. ALFA ROMEO propose son système VVT dans les années 1980 (US4,231,330) et commercialise la Spider 2L . Les Japonais démarrent leurs programmes déphaseurs VVT à la même période : NISSAN avec le `variable cam system (NVCS,1986), HONDA avec le `valve timing and lift electronic control' (VTEC,1989). Dans les années 1990, l'université CLEMSON brevette un VVT à arbres à cames concentriques, notamment dans US5253546A et WO9500748A1.35 Les Allemands de BMW lancent le `VAriable NOckwellen Steuerung' (VANOS,1992) (déphaseurs hydrauliques d'arbre à cames proches des VVT japonais). Dans les années 2000, BMW complète le système VANOS avec le VALVETRONIC pour régler la course de la soupape, les VANOS continuant de déphaser. Progressivement, de nombreux motoristes développent un VVT déphaseur. Les motoristes développant un VVT réglant aussi la course de la soupape sont moins nombreux et les modèles moins diffusés : BMW `VALVETRONIC', HONDA `A-VTEC', MITSUBISHI `MIVEC', NISSAN `VVEL', PORSCHE `PROTON CAMPRO CPS', SUBARU `AVLS', TOYOTA `VVTL-i' ou `VALVEMATIC', et très récemment l'AUDI `VALVELIFT'... En ce qui concerne la technologie des déphaseurs, il s'agit toujours d'avancer ou retarder l'arbre à cames : translation dans un fourreau hélicoïdal, injection d'huile (VANOS,VVT-i), trains épicycloïdaux tels qu'exposé dans JP9133200A ou KR20020015825A, ou bien actuateurs électromagnétiques (DE102008039359A1). En ce qui concerne la technologie des régleurs de course, il s'agit toujours d'amplifier ou réduire la course de la soupape `poppet', dans l'axe de sa tige. Utilisation de jeux de cames différents, (passage de l'un à l'autre via un mécanisme ad-hoc) ou commande hydraulique : US3,641,988 de FIAT, EP2019189A1 de ISUZU ou CADILLAC `Displacement on Demand' (DoD). BMW a choisi le VALVETRONIC : basculeur profilé poussé par deux cames : l'une de réglage(via moteur électrique), l'autre principale. Pour finir, JP11336514A et JP11336515A présentent la couronne d'un train épicycloïdal qui contrôle la course de la soupape via un arbre à came, un basculeur à galets (le porte-satellites), et le planétaire dont la rotation alternative (de petite amplitude) percute plus ou moins la tige de soupape. Certains autres motoristes dont RENAULT ont étudié le CAMLESS : contrôle électromagnétique direct de la soupape, en phase et potentiellement en ouverture. 2.a) Historically, the first valve controls developed on steam engines in the 19th century. The STEPHENSON or CORLISS valves were intended to reduce the time of admission of steam and / or exhaust. In the 1920s some experiments in aviation were developed: the BRISTOL Radial Engine has a variation on the closing time on admission. The LYCOMING R-7755 has 2 sets of valves, one giving full power, the other allowing economical flight. Although most valve mechanisms were discovered as early as the 1950s, their control was still underdeveloped. The development of competition engines and stricter pollution standards gradually lead to the mass industrialization of phase-shifting mechanisms for the opening of the valves, and more rarely mechanisms varying the valve stroke, which are almost always of the type `poppet valve 'according to the very old design of the late nineteenth / early twentieth. 2.b) Valve control technologies, intended for their variable timing in phase and / or in opening are grouped together under the VVT name: Variable Valve Timing. Since the 1960s, FIAT has been offering a valve control system during the race (US3,641,988) by hydraulic displacement of a pivot. ALFA ROMEO offers its VVT system in the 1980s (US4,231,330) and markets the Spider 2L. The Japanese start their VVT phase shifter programs at the same time: NISSAN with the variable cam system (NVCS, 1986), HONDA with the 'valve timing and lift electronic control' (VTEC, 1989). In the 1990s, CLEMSON University patented a VVT with concentric camshafts, in particular in US5253546A and WO9500748A1.35 BMW Germans launch 'VAriable NOckwellen Steuerung' (VANOS, 1992) (close camshaft hydraulic phase shifters Japanese VVTs). In the 2000s, BMW completed the VANOS system with VALVETRONIC to adjust the valve stroke, as the VANOS continued to shift. Gradually, many engine manufacturers develop a VVT phase shifter. Engineers developing a VVT also regulating the stroke of the valve are less numerous and less popular models: BMW `VALVETRONIC ', HONDA` A-VTEC', MITSUBISHI `MIVEC ', NISSAN` VVEL', PORSCHE `PROTON CAMPRO CPS ', SUBARU `AVLS ', TOYOTA` VVTL-i' or `VALVEMATIC ', and very recently the AUDI` VALVELIFT' ... As far as the technology of the phase-shifters is concerned, it is always a question of advancing or delaying the tree with cams: translation in a helical sheath, oil injection (VANOS, VVT-i), epicyclic gear trains as described in JP9133200A or KR20020015825A, or electromagnetic actuators (DE102008039359A1). Regarding the technology of stroke adjusters, it is always to amplify or reduce the race of the poppet valve, in the axis of its stem. Use of different sets of cams, (passing from one to another via an ad-hoc mechanism) or hydraulic control: US3,641,988 from FIAT, EP2019189A1 from ISUZU or CADILLAC `Displacement on Demand '(DoD). BMW chose the VALVETRONIC: profiled rocker pushed by two cams: one of adjustment (via electric motor), the other main. Finally, JP11336514A and JP11336515A present the ring gear of an epicyclic gear train which controls the travel of the valve via a camshaft, a rocker rocker (the planet carrier), and the sun gear whose alternative rotation (small amplitude) more or less hits the valve stem. Some other engine manufacturers including RENAULT have studied the CAMLESS: direct electromagnetic control of the valve, in phase and potentially in opening.
9 2.c) En marge de tous ces VVT existent des mécanismes desmodromiques très particuliers. Leur naissance remonte aux brevets de Claude BONJOUR en 1893 (CH6911A) et 1899 (CH2O200A). L'objectif est de contrôler bilatéralement la translation d'une tige. En 1914, un moteur DELAGE utilise une distribution desmodromique, et par la suite, MERCEDES et DUCATI. Ces derniers suppriment le ressort de rappel et le remplacent par une came de rappel : la soupape est bilatéralement accompagnée dans sa translation alternée par deux cames homocinétiques (via des basculeurs ou non), aux profils judicieusement calculés. Les déphasages sont possibles, mais pas le réglage de course, à moins d'avoir plusieurs jeux de cames desmodromiques (très complexe). 3. Synthèse de l'état de l'art Pour synthétiser les faits de ces rappels très riches historiquement et technologiquement : 3.1. Les soupapes rotatives n'ont pas complètement vaincu leurs problèmes de frottement ou d'étanchéité liés à leur érosion. Pourtant, elles gardent tout leur intérêt car leur mouvement rotatif uniforme permet une grande section de passage et des ouvertures/fermetures rapides. 3.2. Les soupapes poppet (à tige/tulipe) sont prépondérantes malgré des cinématiques complexes pour les actionner. La section de passage offerte est limitée. 3.3. Les systèmes VVT ne parviennent pas à régler le déphasage ET la course des soupapes avec un seul actionneur(CMD) ; de plus, les plages de réglage sont souvent limitées à quelques dizaines de degrés pour le déphasage, et quelques mm pour la course, parfois avec choc entre les pièces mobiles. 3.4. De rares mécanismes VVT utilisent des trains épicycloïdaux avec deux entrées : l'une principale(PRI) et 35 l'autre réglage (REG) . 4. La nouveauté SAERE 4.a) La Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE) se démarque nettement de l'état de l'art actuel, aussi bien par sa structure mécanique que par ses avantages techniques. Elle est composée (Figs. 1A-1G) . * d'un socle(SOC) présentant un protubérance annulaire(PAN) à l'intérieur de laquelle se loge la première butée à billes(BABl) et sur laquelle sont prévues des rainures pour une segmentation circulaire(SEGA,SEGB) étanche. Le socle(SOC) comporte au moins une lumière(LUM) autour de laquelle peuvent se répartir des segments horizontaux(SEGC,SEGD), * d'un disque obturateur rotatif(OBT) à sculptures(SCU,SCU1,SCU2...) périphériques pour ouvrir et fermer sans choc la lumière(LUM) percée dans le socle(SOC) et communiquant avec une chambre(CHA). Des rainures périphériques sont prévues pour une segmentation(SEGE, SEGF,SEGG) étanche, * d'un carter(CAR) recouvrant le disque rotatif(OBT) et appuyant sur lui par l'intermédiaire de la deuxième butée à billes(BAB2) et d'un assemblage vissé ou soudé sur le socle(SOC), avec un orifice échangeur(ECH), * d'un train épicycloïdal en partie haute, composé d'un planétaire (PLA) , de satellites (SAT, SAT1, SAT2...) d'un porte-satellites(PST) et d'une couronne(COU) : parmi (COU,PLA,PST), l'un est solidaire de l'obturateur rotatif(OBT), l'autre est l'entrée rotative principale(PRI) en provenance de la machine(MAC), et le dernier est la seule entrée de réglage(REG) via (CMD), * de tout dispositif de commande(CMD) capable d'imposer à l'entrée de réglage(REG) un mouvement de rotation contrôlée : moteur électrique, engrenage, vis-sans-fin, courroie, chaîne... * d'une lubrification optionnelle. 4.b) Les performances techniques atteintes sont : soupape à mouvement rotatif sensiblement uniforme, à grande section de fluide et ouverture/fermeture rapides sans choc entre les pièces, soupape à friction très réduite, grâce aux 2 butées à billes et aux nombreux roulements(RLT1,RLT2...) garantissant des rotations internes très peu dissipatives, même sans lubrification, soupape à calage variable entièrement pilotable en phase et en ouverture avec un seul organe rotatif de réglage(REG) à choisir parmi(COU,PST,PLA), piloté par le dispositif de commande (CMD) . Ainsi, les inconvénients des points 3.1. et 3.2. sont supprimés tandis que les avantages sont maintenus. Le système WT, contrairement au 3.3. se fait avec un seul arbre en rotation commandé angulairement : cette commande angulaire peut être de 2 ordres : statique (arbre fixe): elle règle le déphasage, dynamique (arbre en rotation): elle règle la section de passage du fluide ; elle peut même maintenir constamment ouverte ou fermée la lumière (LUM) par le blocage en position du disque obturateur(OBT). 9 2.c) In the margins of all these VVTs exist very specific desmodromic mechanisms. Their birth goes back to the patents of Claude BONJOUR in 1893 (CH6911A) and 1899 (CH2O200A). The goal is to control bilaterally the translation of a rod. In 1914, a DELAGE motor uses a desmodromic distribution, and subsequently, MERCEDES and DUCATI. The latter suppress the return spring and replace it with a return cam: the valve is bilaterally accompanied in its alternating translation by two homokinetic cams (via rockers or not), with judiciously calculated profiles. Phase shifts are possible, but not the stroke adjustment, unless you have several decks of desmodromic cams (very complex). 3. Synthesis of the state of the art To summarize the facts of these very rich reminders historically and technologically: 3.1. The rotary valves have not completely overcome their friction or sealing problems related to their erosion. Yet they keep their interest because their uniform rotational movement allows a large section of passage and quick openings / closures. 3.2. The poppet valves (stem / tulip) are preponderant despite complex kinematics to operate. The passage section offered is limited. 3.3. VVT systems can not adjust phase shift and valve travel with a single actuator (CMD); in addition, the adjustment ranges are often limited to a few tens of degrees for the phase shift, and a few mm for the race, sometimes with shock between the moving parts. 3.4. Rare VVT mechanisms use epicyclic gear trains with two inputs: one main (PRI) and the other (REG). 4. The new SAERE 4.a) The Epicycloidal Rotation Anti-Erosion Valve (SAERE) stands out clearly from the current state of the art, both in its mechanical structure and in its technical advantages. It is composed (Figs 1A-1G). * a base (SOC) having an annular protuberance (PAN) inside which is housed the first thrust ball (BABl) and on which are provided grooves for a circular segmentation (SEGA, SEGB) sealed. The base (SOC) comprises at least one light (LUM) around which horizontal segments (SEGC, SEGD) can be distributed, * a rotating shutter disc (OBT) with sculptures (SCU, SCU1, SCU2 ...) peripherals for opening and closing without shock the light (LUM) pierced in the base (SOC) and communicating with a chamber (CHA). Peripheral grooves are provided for sealing segmentation (SEGE, SEGF, SEGG) of a casing (CAR) covering the rotary disk (OBT) and pressing on it via the second thrust bearing (BAB2) and of an assembly screwed or welded on the base (SOC), with an exchange orifice (ECH), * an epicyclic gear in the upper part, consisting of a sun gear (PLA), satellites (SAT, SAT1, SAT2. ..) of a planet carrier (PST) and a crown (NEC): among (NEC, PLA, PST), one is integral with the rotary shutter (OBT), the other is the main rotary input (PRI) from the machine (MAC), and the last is the only input setting (REG) via (CMD), * any control device (CMD) capable of enforcing the input of adjustment (REG) a controlled rotation movement: electric motor, gear, endless screw, belt, chain ... * an optional lubrication. 4.b) The technical performance achieved is: valve with a substantially uniform rotational movement, with large fluid cross section and fast opening / closing without impact between the parts, very low friction valve, thanks to the 2 thrust bearings and numerous bearings ( RLT1, RLT2 ...) guaranteeing very little dissipative internal rotations, even without lubrication, variable valve which can be completely controlled in phase and in opening with a single rotary regulating member (REG) to be selected from (NEC, PST, PLA) , controlled by the control device (CMD). Thus, the disadvantages of 3.1. and 3.2. are deleted while the benefits are maintained. The WT system, contrary to 3.3. is made with a single angularly controlled rotating shaft: this angular control can be of 2 orders: static (fixed shaft): it regulates the phase shift, dynamic (rotating shaft): it regulates the fluid passage section; it can even keep constantly open or closed the light (LUM) by blocking in position of the shutter disc (OBT).
Le point 3.4 est repris : puisque le train épicycloïdal est un mécanisme bi-mobile, les positions de ses pièces requièrent la connaissance de 3 mouvements de rotation : 1. La rotation du planétaire(PLA) 2. La rotation du porte-satellites(PST) 3. La rotation de la couronne(COU) C'est pourquoi un train épicycloïdal représente un optimum dans le cadre d'une soupape rotative à calage variable. La présente invention va toutefois expliquer maintenant en quoi elle apporte une nouveauté technique en terme de calage variable épicycloïdal. Point 3.4 is repeated: since the epicyclic gear train is a bi-moving mechanism, the positions of its parts require the knowledge of 3 rotational movements: 1. The rotation of the sun gear (PLA) 2. The rotation of the planet carrier (PST ) 3. Rotation of the crown (COU) This is why an epicyclic gear train represents an optimum in the context of a variable valve rotary valve. The present invention, however, will now explain how it brings a technical novelty in terms of epicyclic variable timing.
4.c) Un train épicycloïdal standard est illustré à la figure 2A et comporte une couronne(COU) à Z3 dents intérieures, des satellites(SAT1,SAT2...) à Z2 dents externes, emmenés par le porte-satellites(PST), et le planétaire(PLA) à Z1 dents externes. Tous les trains épicycloïdaux compatibles pour (SAERE) sont illustrés aux figures 2A et 2C à 2J. Quel que soit le type de train épicycloïdal, on pose les notations suivantes : * w34 la vitesse de rotation de la couronne(COU), indicée 3 10 relativement au porte-satellites(PST), indicé 4 * w14 la vitesse de rotation du planétaire(PLA), indicé 1 relativement au porte-satellites(PST), indicé 4 * w30 la vitesse de rotation de la couronne(COU), indicée 3 relativement au carter(CAR), indicé 0 15 * w10 la vitesse de rotation du planétaire(PLA), indicé 1 relativement au carter, indicé 0 * w40 la vitesse de rotation du porte-satellites(PST), indicé 4 relativement au carter(CAR), indicé 0 4.c) A standard epicyclic gear is shown in Figure 2A and has a ring (NEC) with Z3 inner teeth, satellites (SAT1, SAT2 ...) Z2 external teeth, led by the carrier (PST) , and the sun gear (PLA) to Z1 external teeth. All compatible epicyclic gear trains (SAERE) are illustrated in FIGS. 2A and 2C to 2J. Regardless of the type of epicyclic gear train, the following notations are applied: * w34 the rotational speed of the crown (COU), indexed 3 10 relative to the planet carrier (PST), indexed 4 * w14 the speed of rotation of the sun gear (PLA), indexed 1 relative to the planet carrier (PST), indexed 4 * w30 the rotational speed of the crown (COU), indexed 3 relative to the crankcase (CAR), indexed 0 15 * w10 the speed of rotation of the sun gear (PLA), indexed 1 relative to the housing, indexed 0 * w40 the rotation speed of the planet carrier (PST), indexed 4 relative to the crankcase (CAR), indexed 0
*=-Z1 =-R1 la raison du train épicycloïdal : c'est un Z3 R3 20 nombre compris entre -1 et 0 car le rayon du planétaire reste compris entre 0 et le rayon de la couronne. Si le rayon de (PLA) est la moitié de celui (COU) : Â=-1/2 En supposant le roulement sans glissement et en se plaçant * = - Z1 = -R1 the reason of the epicyclic train: it is a Z3 R3 20 number between -1 and 0 because the radius of the sun gear remains between 0 and the radius of the crown. If the radius of (PLA) is half of that (COU): Â = -1 / 2 Assuming the rolling without sliding and placing
25 dans le référentiel du porte-satellites : w3a =_Z1 =2 014 Z3 25 in the reference frame of the planet carrier: w3a = _Z1 = 2014 Z3
En utilisant les relations de composition des rotations : 030 - 040 =2.= 010 - 040 2w10 -w30 +(1-2)w40 = 0 : la relation de WILLIS. 4.d) Trois cinématiques épicycloïdales remarquables 30 pour (SAERE) découlent de la relation de WILLIS (Fig.2B): 1. Planétaire(PLA), indicé 1, mis en rotation par a. la couronne(COU), indicée 3 b. et le porte-satellites(PST), indicé 4 1 À-1 _ a 10 ï w30 + W40 Comme -1<2<0 ; ùco <1<ù1 et 2<2 1 <+oo Typiquement si Â=-1/2 w10 -2 co 30 +3 W40 2. Couronne(COU), indicée 3, , mise en rotation par a. le planétaire(PLA), indicé 1 b. et le porte-satellites(PST), indicé 4 030 = 201o+ (1ù2) 040 Typiquement si 2=-1/2 3. Porte-satellites(PST), indicé 4, mis en rotation par a. le planétaire(PLA), indicé 1 b. et la couronne(COU), indicée 3 = 1 0)40 /~ù1010+1ù2w30 Comme -1<2<0 ; 0< < 1 et 1 < 1 <1 2-1 2 2 1-2 1 2 Typiquement si 2=-1/2 : W4o=3-wio+3w3o Using the rotational composition relations: 030 - 040 = 2. = 010 - 040 2w10 -w30 + (1-2) w40 = 0: the relation of WILLIS. 4.d) Three remarkable epicyclic kinetics for (SAERE) stem from the relation of WILLIS (Fig.2B): 1. Planetary (PLA), indexed 1, rotated by a. the crown (NEC), indexed 3 b. and the satellite carrier (PST), indexed 4 1 A-1 to 10 w30 + W40 As -1 <2 <0; ùco <1 <ù1 and 2 <2 1 <+ oo Typically if  = -1 / 2 w10 -2 co 30 +3 W40 2. Crown (COU), indexed 3,, rotated by a. the sun gear (PLA), indexed 1 b. and the planet carrier (PST), indexed 4 030 = 201o + (1ù2) 040 Typically if 2 = -1 / 2 3. Satellite carrier (PST), indexed 4, rotated by a. the sun gear (PLA), indexed 1 b. and the crown (COU), indexed 3 = 1 0) 40 / ~ 1010 + 1u2w30 As -1 <2 <0; 0 <<1 and 1 <1 <1 2-1 2 2 1-2 1 2 Typically if 2 = -1 / 2: W4o = 3-wio + 3w3o
Sur la figure 2B, il y a toujours une relation de vitesses entre la sortie(S), l'entrée principale(PRI, indicée P) et l'entrée de réglage(REG, indicée R) : a) =kpwp+kRWR On l'intègre par rapport au temps avec tous les angles Avec -1<2<0 et 1<1ù2<2 _1 ~~~~ 3 030_2011 10+2 W4o BS,BP,BR nuls initialement à t=0. Il vient : 6S =kpOp+kROR 294925.3 14 Cette dernière relation est importante : avec la commande (CMD) , on pilote à volonté l'angle Os, qui est in fine celui de l'obturateur(OBT) : de cet angle BS dépend directement les instants d'ouverture et de fermeture(aspect 5 déphaseur), mais aussi la section de passage à travers la lumière (aspect dimension de l'ouverture, équivalent de la course des `poppet valves' à tige/tulipe). Ainsi : In FIG. 2B, there is always a velocity relationship between the output (S), the main input (PRI, indexed P) and the adjustment input (REG, indexed R): a) = kpwp + kRWR On integrates it with time with all angles With -1 <2 <0 and 1 <1ù2 <2 _1 ~~~~ 3 030_2011 10 + 2 W4o BS, BP, BR initially zero at t = 0. It comes: 6S = kpOp + kROR 294925.3 14 This last relation is important: with the command (CMD), we pilot at will the angle Os, which is ultimately that of the shutter (OBT): this angle BS depends directly the moments of opening and closing (aspect 5 phase-shifter), but also the section of passage through the light (dimension dimension of the opening, equivalent to the race of `poppet valves' to stem / tulip). So :
- en fonctionnement statique (arbre de réglage(REG) - in static operation (adjustment shaft (REG)
fixe) : kR8R est la phase apportée continûment à fixed): kR8R is the phase continuously delivered to
10 l'obturateur : cette phase est illimitée (+/- 3600), 10 the shutter: this phase is unlimited (+/- 3600),
en fonctionnement dynamique, il est possible de régler in dynamic operation it is possible to adjust
la position de l'obturateur continûment en ayant Op= es _kpBP . Avec 9R piloté par la commande (CMD) : une kR kR fois l'angle 9 choisi, l'arbre de réglage(REG) peut 15 même le maintenir constant via (CMD) malgré la rotation de l'entrée : la vitesse particulière kP 0R=k GJP permet de stopper l'arbre de sortie(S) dans la position voulue malgré la rotation de la machine(MAC), notamment en pleine section. 20 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 9R, la valeur de l'échelon variant avec les paramètres du moteur(MAC), mesurés par exemple tous les 1/10e de seconde. 25 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 OR = 9S kB à tout kR kR instant avec OR variant en permanence. the position of the shutter continuously by having Op = es _kpBP. With 9R controlled by the control (CMD): a kR kR times the angle 9 chosen, the adjustment shaft (REG) can even keep it constant via (CMD) despite the rotation of the input: the particular speed kP 0R = k GJP allows to stop the output shaft (S) in the desired position despite the rotation of the machine (MAC), especially in full section. The static operation is not very demanding for the actuator (CMD) and its control electronics, because it is a position control, of the step type for 9R, the value of the step varying with the parameters of the motor ( MAC), measured for example every 1 / 10th of a second. On the other hand, the dynamic operation requires a fast actuator (CMD) and a powerful control electronics, since these are servocontrols in pursuit which intervene: it is indeed necessary that OR = 9S kB at all kR kR instant with OR constantly changing. .
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 1/10 000' de seconde à 3000 tr/min car les arbres tournent typiquement à environ 10 000°/s pour un moteur(MAC) à 3000 tr/min. In return, the possibilities offered are very important because you can adjust the size of the opening instantaneously, and even block the shutter in any position (fully open, partially open / closed, fully closed). To obtain precise angular measurements to within a few degrees, it is typically necessary to measure every 1 / 10,000th of a second at 3,000 rpm as the shafts typically run at about 10,000 ° / s for a 3000 rpm motor (MAC). / 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). In a general way, the variable calibration possibilities offered by the valve (SAERE) are infinite in phase and in opening provided to have angular position sensors for the different shafts in rotation with a servo-control of the adjustment shaft (REG) to the main tree (PRI) via the command (CMD). This slaving can be mechanical (via belt, linkage ...) or preferably on modern applications, it will be electronic, with a variable calibration map depending on many parameters, the main ones are the load and the machine speed (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 25 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. 30 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). 35 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... 4.e) Sculptures (SCU, SCU1, SCU2 ...) at the periphery of the shutter (OBT) allow both (Figs 3A, 3I). by their number of decreasing the speed of rotation of the valve, which reduces the power which it dissipates by friction (already low), by their shape to create particular types of flows and variations of precise flow rates, both opening and closing. Indeed, by repeating cyclically, regularly and circularly N times the sculpture (SCU1) on the periphery of the shutter disk (OBT), it will rotate N times slower for exactly the same distribution of fluid through the light (LUM) . The peripheral sculptures (SCU, SCU1, SCU2, etc.) can have very varied shapes: the angular sector closed by radial segments leads to a linear evolution of the opening or closing passage section, with possibly a period of full section (constant) shortly after opening and shortly before closing. - The angular sector closed by circles (Fig. 3D, 3I) leads to a substantially quadratic evolution of the passage section at the opening or closing, possibly with a period of full section (constant) shortly after opening and shortly before closing. - But the geometries and combinations of angular sectors are infinitely variable (Figs 3A-3B) to create various aero or hydro-dynamic effects on admission as on the exhaust: these effects will be, not exhaustively: maximization of the section d flow, modulations of flow, vortex or laminar flow, vibratory resonances with other flows or mechanical oscillations ...
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(BABl) 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 (VISl,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... 4.f) The following detailed description refers to the accompanying drawings on 9 pages and discloses other features and advantages of the present invention. 4.f.i) FIG. 1A illustrates in broken perspective a device (SAERE) according to the invention. From bottom to top, we distinguish the communication between the chamber (CHA) and the fluid passing through the device (SAERE) through the heat exchanger (ECH), via the light (LUM) periodically closed by the shutter ( OBT). The shutter (OBT) is pivotally mounted with 2 bearings (RLT2, RLT3) integral with the base (SOC) and the housing (CAR). The shutter (OBT) is locked axially by 2 thrust ball bearings, one lower (BABl) and the other higher (BAB2). However, the shutter can have slight radial and axial mechanical clearances because a segmentation (SEG, SEGA, SEGB, SEGC, SEGD, SEFE, SEGG) prevents leakage despite the detachment of the main surfaces. These guidance precautions (bearings and thrust ball bearings) and sealing allow the device (SAERE) to ensure fluid exchange without significant leakage while dissipating very little energy. Figure 1B shows in perspective a top view of the device. In the upper zone, screws (VIS1, VIS2, VIS3, VIS4) simply and reversibly assemble the base (SOC) and the housing (CAR), while naturally positioning the internal moving elements (BAB1, BAB2, OBT, SEG). . The base (SOC) can be an independent part, or be directly integrated into the cylinder head of the machine (MAC) where the device (SAERE) takes place. Outside the crankcase (CAR) and in the upper zone is an epicyclic gear train with its 3 main elements: the crown (COU), the planet carrier (PST) and the sun gear (PLA). There is at least one satellite (SAT1, SAT2, SAT3). The number of satellites (SAT) has no particular impact on kinematics; however, a number of 3 allows a self-centering and a distribution of the forces on 3 main elements (COU, PST, PLA). Among these 3 elements, one is homokinetic with the shutter (OBT), the other is the main input (PRI) in continuous rotation thanks to the machine (MAC), and the last one is the adjustment input ( REG) controlled via the controller (CMD). The connections between the main entrance (PRI) and the machine (MAC), or between the control (CMD) and the adjustment shaft (REG) are by any suitable means such as a pulley, chains / belts, gears , electromagnetism, piezoelectricity ...
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... Figure 1C illustrates in perspective a bottom view of the assembled device. In the lower part is the light (LUM). The number of lights (LUM) can be greater than one, for example to supply several chambers (CHA) with a single valve (SAERE), or to feed a single chamber (CHA) with several lights (LUM), so as to increase the passage section of the fluid. At the top is the control member (CMD) of the control shaft (REG) to be selected from (NEC, PST, PLA). The organ (CMD) will classically be an electric motor, but may also consider more traditional means, such as purely mechanical links, or rather elaborate as electromagnetic actuators, piezoelectric, 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. Figure 1D shows a section of (SAERE) according to the median plane separating the light (LUM) in 2 equal parts. 3 types of segmentation stand out: a first internal circular segmentation (SEGA, SEGB) which is located in the lower central part on the annular protuberance (PAN); a second segmentation with horizontal segments (SEGC, SEGD) which implant themselves locally on both sides of the light (LUM) and between the base (SOC) and the shutter (OBT); a third external circular segmentation (SEGE, SEGF, SEGG) which is implemented between the shutter (OBT) and the casing (CAR). The number of segments of the first type is at least 1, the second type at least 2, and the third type at minimum 1. Thus, the shutter (OBT) remains sealed without rubbing on the housing or the base. This limits its wear and the power dissipated by the device (SAERE). The thrust bearings (BAB1, BAB2) axially position the shutter (OBT) and one can even consider releasing the balls which will be evenly distributed between the shutter (OBT) and the base (SOC) or the housing (CAR) under the effect of centrifugal forces and motion.
Les figures lE 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. 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 elo, 83o et 94o 30 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 O. La rotation B2o des satellites, indicés 2, n'est pas indiquée car elle est sans importance dans les calculs. Figures 1E and 1F show the device (SAERE) in exploded perspective. On the left, the bearings (RL1, RLT2, RL4, RLT5, RLT6) distinguish the epicyclic gear train precisely and without friction. The choice was to join the sun gear (PLA) with the shutter (OBT) and to use the crown (COU) and the planet carrier (PST) as adjustment (REG) or main (PRI) inputs: The throats are arranged in the crown (COU) and the planet carrier (PST) to accommodate belts. Nevertheless, these technical choices are only one possibility among many others: the upper part of the device (SAERE) is entirely flexible, both in the type of epicyclic train (figs 2C-2J) and in the roles of the trees (COU , PST, PLA) or their mechanical connections to the rest of the machine (MAC). Finally, Figure 1G shows the device (SAERE) exploded profile view, lower right, upper left, and we can notice that the assembly does not pose any technical difficulties. 4.f.ii) Figures 2A and 2C-2J show the epicycloidal gear trains compatible with (SAERE). Their main rotary members are the indexed crown (COU) 3, the indexed planet carrier (PST) 4, and the indexed sun gear (PLA) 1. These elements roll without sliding on one another via the satellites (SAT, SAT1, SAT2, SAT3), indexed 2 or 2 '. Preferably, (CUT, PST, PLA, SAT) are toothed wheels or have sufficient adhesion. This kinematics is located in the upper part of the device (SAERE). The angles elo, 83o and 94o respectively measure the rotation of the sun gear, indexed 1, of the crown, indexed 3 and the planet carrier, indexed 4 with respect to the housing (CAR) indexed O. The rotation B2o of the satellites, indexed 2 , is not indicated because it is irrelevant in the calculations.
La figure 2B est un tableau qui répertorie les 6 combinaisons possibles (Cl,C2,C3,C4,C5,C6) d'attribution des arbres en rotation pour un dispositif(SAERE) ainsi que les relations cinématiques qui en découlent. C'est mathématiquement le nombre de permutations des 3 éléments(COU,PST,PLA). Techniquement, il y a au départ 3 possibilités pour l'arbre de sortie, indicé S, qui est solidaire de l'obturateur(OBT), puis pour chacun de ces 3 cas, il y a encore 2 possibilités pour attribuer l'entrée de réglage(REG), indicé R , et l'entrée principale(PRI, indicée P). Le tableau montre les relations cinématiques du type ws = kpwp +kRWR où w désigne une vitesse instantanée de rotation. Les coefficients kket kR reflètent la cinématique choisie parmi les 6 combinaisons : ils s'expriment uniquement en fonction de 2_ -R,/R3 qui est la raison du train épicycloïdal. Comme le rayon R, du planétaire est compris strictement entre 0 et R3 le rayon de la couronne, la raison 1 reste incluse entre -1 et 0 strictement. Le tableau donne les plages de variation de kp et kR lorsque 2 varie entre -1 et O. Lorsqu'on multiplie la relation sur les vitesses par dt un temps infinitésimal: wsdt = kPwPdt+kRcRdt On a les variations angulaires infinitésimales de = wdt des = kkdop +kRd8R On a par intégration entre l'instant t=0 et l'instant t : es - es° =k,(ep-eP°)+kR( ep - eR°) Avec des angles initiaux tous nuls, il vient : Os =kp9p+kR9R Il est à noter que kp et kR sont du même ordre de grandeur pour 2=-1/2, c'est à dire un rayon de planétaire(PLA) 30 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 Io 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 15 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 20 obturateur(OBT) avec respectivement 1,2,3,4,5 et 6 sculptures (SOU, 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 25 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 30 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. 35 FIG. 2B is a table listing the 6 possible combinations (C1, C2, C3, C4, C5, C6) of rotating tree allocation for a device (SAERE) as well as the kinematic relationships that result therefrom. It is mathematically the number of permutations of the 3 elements (COU, PST, PLA). Technically, there are initially 3 possibilities for the output shaft, indexed S, which is integral with the shutter (OBT), then for each of these 3 cases, there are still 2 possibilities to assign the input of setting (REG), indexed R, and the main input (PRI, indexed P). The table shows the kinematic relations of the type ws = kpwp + kRWR where w denotes an instantaneous speed of rotation. The kket coefficients kR reflect the kinematics chosen among the 6 combinations: they are expressed solely as a function of 2_ -R, / R3 which is the reason for the epicyclic gear train. As the radius R, of the sun gear is strictly between 0 and R3 the radius of the crown, the reason 1 remains included between -1 and 0 strictly. The table gives the ranges of variation of kp and kR when 2 varies between -1 and 0. When we multiply the relation on velocities by dt an infinitesimal time: wsdt = kPwPdt + kRcRdt We have the infinitesimal angular variations of = wdt of = kkdop + kRd8R We have by integration between instant t = 0 and instant t: es - es ° = k, (ep - eP °) + kR (ep - eR °) With initial angles all zero, comes: Os = kp9p + kR9R It should be noted that kp and kR are of the same order of magnitude for 2 = -1 / 2, ie a planetary radius (PLA) 30 worth about half the radius of the ring (EOC). 4.f.iii) Figure 3A shows some possible shapes for peripheral obturator (OBT) sculptures, while Figure 3B shows some possible forms for light (LUM). Figure 3C suggests some overlays between a sculpture form (SCU) and another form of light (LUM). The geometries presented are only indicative and are likely to vary infinitely in shape and in Io orientation, and in 3D to influence the flow: one can thus create effects on the flow section, the resulting flow, but also change the nature of the flow (laminar, turbulent as a function of the Reynolds number), and possibly create a vortex fill (swirl effect) by an adequate and deflecting 3D geometry for light (LUM) and sculpture. Vibrational resonances can also be exploited by the forms of (SCU) and (LUM). Finally, FIGS. 3D, 3E, 3F, 3G, 3H and 3I illustrate a shutter (OBT) with respectively 1,2,3,4,5 and 6 sculptures (SOU, SCU1, SCU2, SCU3, SCU4, SCU5, SCU6 ) of angular sector type closed by circles; the light (LUM) is also circular. The epicyclic gear train is present: a crown (NEC), a planet carrier (PST), the satellites (SAT1, SAT2, SAT3) and the sun gear (PLA). Among (CUT, PST, PLA), one of the elements is the control input (REG) driven by the controller (CMD), the other is the main input (PRI) in continuous rotation thanks to the machine (MAC), and the last is the integral output of the shutter (OBT). N sculptures (SCU) regularly distributed circularly allow, with an identical fluid distribution, to divide the speed of rotation of the shutter by N, and thus reduce wear and friction between moving parts and fixed parts. 35
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2009
- 2009-08-21 FR FR0904019A patent/FR2949253B1/en not_active Expired - Fee Related
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