Brevet FR2670245A1 — publié le 19920612

Electrovalve de commande pour le recyclage de gaz d'échap- pement La présente invention concerne une électrovalve de commande qui, destinée à renvoyer des gaz d'échappement dans la tubulure d'aspiration d'un moteur thermique, est constituée d'un élément formant soupape, lequel pénètre avec une tête de soupape dans un canal de gaz d'échappement o il coopère avec un siège de soupape, et fait saillie avec une tige de soupape, en passant par un guide, hors du canal de gaz d'échappement dans l'une de deux chambres for- mées dans le corps de soupape et dans laquelle est monté un équipement électromagnétique dont l'armature d'électroai- mant agit sur la tige de soupape de telle manière que, lorsque l'équipement électromagnétique n'est pas alimenté en courant, la soupape est fermée sous l'action d'un res- sort et que, lorsque l'équipement électromagnétique est alimenté en courant, la soupape se trouve ouverte à l'en- contre de l'action du ressort. Une électrovalve de commande de ce genre est con- nue grâce à DE-OS 3703091 en tant qu'électrovalve à action proportionnelle qui peut varier son ouverture proportion- nellement au signal de commande. Il est connu (DE-PS 3043752) que le recyclage de quantités de gaz d'échappement adaptées chaque fois à l'é- tat de fonctionnement du moteur thermique est une mesure efficace pour réduire la teneur en constituants nuisibles pour l'environnement présents dans les gaz d'échappement d'un moteur diesel Le recyclage de gaz d'échappement per- met en particulier d'obtenir une diminution de la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement Il faut cependant un réglage et un asservissement de la quantité de gaz d'échap- pement amenée conjointement avec la quantité d'air frais et avec la quantité de carburant injectée dans le moteur ther- qc a mique car une diminution de la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement ainsi obtenue s'accompagne dans certaines conditions d'un accroissement de leur teneur en fumées, CO ou HC. Grâce à DE-OS 2849507 il est connu un dispositif qui sert à influer sur la quantité de gaz d'échappement re- cyclée et la quantité de carburant injectée pour des mo- teurs thermiques à auto-allumage A cet égard il est prévu dans le canal d'admission d'air un papillon, ou clapet d'é- tranglement, pouvant être actionné à volonté et une soupape pneumatique de recyclage de gaz d'échappement montée dans un conduit de recyclage faisant communiquer le canal de gaz d'échappement avec la tubulure d'admission d'air On ob- tient ainsi qu'en marche à vide et à pleine charge il ne soit amené au moteur thermique que peu ou pas du tout de gaz d'échappement et qu'à moyenne charge et à moyenne vi- tesse la quantité de gaz d'échappement recyclée soit réglée en fonction de la quantité d'air aspiré ou en fonction de la charge et de la vitesse de rotation. Le but du recyclage de gaz d'échappement pour mo- teurs diesel consiste à diminuer l'émission d'oxydes d'azo- te Un moteur diesel tend à produire une quantité de fumées croissante lorsque la teneur en oxygène du mélange combus- tible diminue, c'est-à-dire en cas d'accroissement du taux de gaz d'échappement recyclés D'autre part, la tendance à l'expulsion de constituants nocifs des gaz d'échappement devient plus forte en cas de teneur croissante en air du mélange combustible La quantité nécessaire de gaz d'échap- pement recyclés est maximale dans la plage de charge parti- elle inférieure car c'est dans celle-ci qu'il existe un fort excédent d'air, et elle diminue avec l'accroissement de la charge Si, à présent, on recycle, dans la plage de charge partielle inférieure, des gaz d'échappement à tel point que l'émission de substances nocives soit réduite à un minimum et qu'à partir de cet état de marche la charge augmente brusquement, alors il se produit une expulsion de fumées par àcoups qui entraîne en même temps une forte émission de HC. Ledit DE-PS cite certes des mesures de réglage de carburant qui permettent d'éviter la formation de fumées expulsées par à-coups et consistent en ce que le mouvement de commande de la pédale d'accélérateur est transmis, après un temps mort et une fonction de transition subséquente du premier ordre ou d'un ordre plus élevé, à l'organe détermi- nant la quantité de carburant à injecter Etant donné que ces dispositions obligent cependant à surcharger le méca- nisme d'actionnement de la pédale d'accélérateur avec des organes d'amortissement, etc et ne peuvent être réalisées que moyennant un coût de construction élevé et ont en outre pour effet un retard de la puissance délivrée par le moteur thermique (temps mort) qui en cas d'utilisation du moteur dans un véhicule automobile est ressenti comme désagréable, l'utilisation de l'électrovalve connue grâce à la DE-OS précitée, en tant qu'électrovalve fonctionnant très rapide- ment, parait judicieuse à titre de compromis, puisqu'elle permet de couper rapidement le recyclage de gaz d'échappe- ment pour un moindre retard de la puissance délivrée. Ainsi qu'il ressort de la description précédente, les pressions dans la tubulure d'aspiration d'air et dans le canal des gaz d'échappement varient constamment dans les différentes plages de fonctionnement du moteur thermique, de sorte que la valve à action proportionnelle connue grâce à la DE-OS 3703091 précitée doit être alimentée sans cesse différemment en courant, pour obtenir un taux préétabli de recyclage de gaz d'échappement, les forces de manoeuvre électromagnétiques nécessaires pour cela devant en outre être conçues pour les charges maximales possibles, ce qui oblige à disposer d'une part d'une énergie électrique con- sidérable et d'autre part d'un grand volume de construction et d'un matériel considérable. En partant de cet état de la technique, la pré- sente invention a pour but de perfectionner une électroval- ve de commande du genre indiqué de telle manière que par rapport à d'autres électrovalves de commande un arrêt plus rapide du recyclage puisse être obtenu, tout en réduisant en même temps les dépenses en matériel, énergie et volume de construction pour l'équipement électromagnétique De surcroît, il s'agit pour l'électrovalve de commande d'être conçue pour une fabrication en grande série, c'est-à- dire avec les plus fortes tolérances possibles concernant les dimensions de tous les éléments constitutifs. Ce but est atteint, en ce qui concerne l'électro- valve de commande qui, destinée à renvoyer des gaz d'échap- pement dans la tubulure d'aspiration d'un moteur thermique, est constituée d'un élément formant soupape, lequel pénètre avec une tête de soupape dans un canal de gaz d'échappement o il coopère avec un siège de soupape, et fait saillie avec une tige de soupape, en passant par un guide de soupa- pe, hors du canal de gaz d'échappement dans l'une de deux chambres formées dans le corps et dans laquelle est monté un équipement électromagnétique dont l'armature d'électro- aimant agit sur la tige de soupape de telle manière que, lorsque l'équipement électromagnétique n'est pas alimenté en courant, la soupape est fermée sous l'action d'un res- sort et, lorsque l'équipement électromagnétique est alimen- té en courant, la soupape se trouve ouverte à l'encontre de la force du ressort, selon l'invention par le fait que la tige de soupape est en outre sollicitée par un organe de manoeuvre pneumatique qui exerce une force à peu près égale à celle exercée sur la tête de soupape par des différences de pression, mais opposée à elle. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention l'organe de manoeuvre pneumatique est réalisé sous la forme d'un piston ou d'une membrane et les chambres du corps de soupape situées de part et d'autre de l'organe de manoeuvre sont en communication respectivement avec la partie de canal de gaz d'échappement située en amont et avec la partie de canal de gaz d'échappement située en aval du siège de soupape Dans une autre forme de réalisation l'organe de manoeuvre pneumatique est également réalisé sous la forme d'un piston ou d'une membrane mais les cham- bres du corps de soupape situées de part et d'autre de l'organe de manoeuvre sont en communication respectivement avec la partie de canal de gaz d'échappement située en amont du siège de soupape et avec l'atmosphère. Avantageusement, l'organe de manoeuvre est monté dans l'espace du corps de soupape situé entre le guide de soupape et l'équipement électromagnétique, de telle sorte que l'organe de manoeuvre divise cet espace en les deux chambres précitées dont l'une d'entre elles communique par l'intermédiaire de la tige de soupape creuse avec la partie de canal de gaz d'échappement située en amont du siège de soupape et l'autre communique par l'intermédiaire d'un trou ménagé dans le corps de soupape avec la partie de canal de gaz d'échappement située en aval du siège de soupape. Dans une autre variante de l'invention l'une des chambres du corps de soupape communique par l'intermédiaire de la tige de soupape creuse avec la partie de canal de gaz d'échappement située en amont du siège de soupape et l'au- tre chambre du corps de soupape communique par l'intermédi- aire d'un évidement dans la paroi du corps de soupape avec l'atmosphère. Avantageusement, l'équipement électromagnétique comporte un noyau magnétique réglable au moyen duquel l'en- trefer entre le noyau magnétique et l'armature de l'élec- troaimant est réglé. Une autre caractéristique de l'invention consiste en ce que la force de ressort agissant sur l'élément for- mant soupape est la résultante de la force d'un ressort agissant sur l'armature de l'électroaimant et de la force moins importante d'un ressort agissant sur l'élément for- mant soupape dans le sens de l'ouverture et en ce que l'ar- mature et la tige de soupape sont poussées l'une contre l'autre sous l'action des deux ressorts. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention le guide de la soupape est formé d'un support solidaire du corps de soupape et d'un support en forme de calotte sphérique, le support en forme de calotte sphérique étant maintenu, sous l'action d'un ressort, dans un guide solidaire du corps de soupape La tête de soupape et le siège de soupape sont avantageusement eux aussi réalisés en forme de calottes sphériques. Avantageusement, la position de l'élément formant soupape, en ce qui concerne son action sur l'écoulement, est déterminée par un capteur qui peut avantageusement être un capteur de mesure ohmique, inductif, magnétorésistif ou capacitif. Les avantages pouvant être obtenus avec l'inven- tion sont indiqués dans la description suivante d'exemples de réalisation illustrés au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe d'une électro- valve selon l'invention; et les figures 2 et 3 représentent, également en coupe, d'autres formes de réalisation de l'électrovalve de l'invention. La figure 1 montre une électrovalve de commande 1 constituée d'un corps de soupape 2 et d'un canal de gaz d'échappement 3 qui peut être raccordé à un tuyau de gaz d'échappement non représenté qui fait communiquer entre eux le canal de gaz d'échappement et la tubulure d'aspiration d'air d'un moteur thermique Un élément formant soupape 4 pénètre avec une tête de soupape 5 dans le canal de gaz d'échappement 3 o il coopère avec un siège de soupape 6 et fait saillie avec une tige de soupape 7, en passant par un guide de soupape 8, dans un espace 9 du corps de soupape dans lequel est monté un équipement électromagnétique 10. Celui-ci est constitué par une bobine électrique 11, une enveloppe 12 en tôle recouvrant les parois extérieures de la bobine 11, un noyau 13 en fer ainsi qu'une armature d'électroaimant 14 Le noyau 13 et l'armature 14 sont réa- lisés sous la forme de tronçons tubulaires, l'armature 14 comportant une garniture 15 en matière synthétique sur la- quelle prend appui un ressort 16 qui s'étend à travers les tronçons tubulaires et prend appui d'autre part contre un couvercle 17 en matière synthétique, lequel présente un câble de raccordement 18 relié à la bobine 11 L'armature 14 est guidée dans une douille 19 en laiton et fait saillie avec son extrémité munie de la garniture 15 en matière syn- thétique dans l'espace 9 du corps de soupape L'espace 9 est divisé en deux chambres 22, 23 par une membrane 20 qui est reliée d'une part à la paroi du corps de soupape et d'autre part, par l'intermédiaire de disques de membrane 21, à la tige de soupape 7 La chambre supérieure 22 se trouve par l'intermédiaire de la tige de soupape creuse 7 en communication avec la partie 24 du canal de gaz d'échap- pement située en amont du siège de soupape 6, alors que la chambre 23 communique, par l'intermédiaire d'un trou 26 mé- nagé dans le corps de soupape, avec la partie 25 du canal de gaz d'échappement située en aval du siège de soupape. Entre le disque inférieur 21 de la membrane et une garnitu- re 27 en tôle montée dans la chambre inférieure 23 du corps de soupape est serré un ressort 28 de sorte que l'élément 4 formant soupape est soumis à une force tendant à l'ouvrir, c'est-à-dire à lui faire prendre appui contre la garniture en matière synthétique de l'armature d'électroaimant 14. Au-dessous de la garniture 27 en tôle, laquelle forme éven- tuellement un support cylindrique 29 pour la tige de soupa- pe 7, est visible le guide de soupape 8 qui est constitué par un support 30 solidaire du corps de soupape et par un support 31 en forme de calotte sphérique, lequel support 31 est retenu sous l'action d'un ressort 32, en l'occurrence un ressort-lame serré en place, dans un guide 33 solidaire du corps de soupape et qui présente un siège conique ou en forme de calotte. S'agissant d'un moteur fonctionnant sans recycla- ge de gaz d'échappement, l'équipement électromagnétique 10 n'est pas alimenté en courant de sorte que l'armature d'é- lectroaimant 14 est poussée hors de la douille 19 en laiton sous l'action du ressort 16 et l'élément 4 formant soupape est sollicité de façon que la tête de soupape 5 s'appuie contre le siège de soupape 6 La force de fermeture de la soupape correspond à la résultante des forces des deux res- sorts 16 et 28. Lorsque la soupape est fermée les pressions d'ex- pulsion agissent dans la partie de canal de gaz d'échappe- ment 24 située en amont du siège de soupape 6 et les pres- sions d'aspiration du moteur thermique s'exercent dans la partie de canal de gaz d'échappement 25 située en aval du siège de soupape Ces pressions s'exerçant dans les deux parties de canal de gaz d'échappement sont transmises res- pectivement, par l'intermédiaire de la tige de soupape o creuse 7 et du trou 26 ménagé dans le corps de soupape, d'une part à la chambre supérieure 22 et d'autre part à la chambre inférieure 23 du corps de soupape et exercent par l'intermédiaire de la membrane 20 une force agissant sur l'élément 4 formant soupape et qui est sensiblement égale à celle produite par les pressions exercées au niveau de la tête de soupape, c'est-à-dire que la surface active de la membrane 20 est égale à celle de la tête de soupape 5. La figure 2 montre une forme de réalisation dans laquelle la chambre inférieure 23 du corps de soupape est soumise, contrairement à celle de la figure 1, non pas à la pression de la partie 25 du canal de gaz d'échappement si- tuée en aval du siège de soupape 6 mais à la pression at- mosphérique Celle-ci entre dans la chambre inférieure 23 en passant par un évidement 34 de la paroi du corps de sou- pape qui est suffisamment grand pour qu'il ne subsiste qu'une très petite section de paroi et, par suite, qu'un faible flux de chaleur entre la partie inférieure et la partie supérieure du corps de soupape Il va de soi qu'il est également prévu entre les parties du corps de soupape une distance suffisante pour réduire la conduction thermi- que et le rayonnement thermique Cette forme de réalisation constitue une variante simplifiée selon l'invention. La figure 3 montre une forme de réalisation dans laquelle la membrane 20 est fixée non pas à la tige de sou- pape 7 mais à l'armature 14 Dans cette forme de réalisa- tion, qui peut dans certaines conditions être fabriquée à moindre coût, la chambre supérieure 22 du corps de soupape communique par l'intermédiaire d'un trou 35 (représenté tourné de 900) ménagé dans le corps de soupape avec la par- tie 24 du canal de gaz d'échappement située en amont du siège de soupape 6 et la chambre inférieure 23 communique, à travers la tige de soupape creuse 7 avec la partie 25 du canal de gaz d'échappement située en aval du siège de sou- pape Le fonctionnement et les autres éléments constitutifs sont identiques & ceux de la figure 1. Dans chacune des trois formes de réalisation l'entrefer entre l'armature 14 et le noyau 13 peut être ré- glé en pressant le noyau 13 dans l'entrefer, c'est-à-dire dans la douille 19 en laiton, des trous 36 prévus à cette fin pour un outil de pressage étant, après ajustage, fermés par des tampons L'espace 37 formant l'entrefer entre l'ar- mature 14 et le noyau 13 est en communication, par l'inter- médiaire d'un passage 38 dans la garniture 15 en matière synthétique avec la chambre supérieure 22 du corps de sou- pape. Il va de soi que l'armature 14 peut dans chacune des trois formes de réalisation également être reliée de manière fixe à la tige de soupape 7 ou, afin de permettre des tolérances d'alignement, de façon à être déplaçable radialement et angulairement (joint de Oldham). Pour autant que nécessaire, la position de la tige de soupape 7 ou de l'armature d'électroaimant 14 peut être déterminée par un capteur 39, indiqué sur la figure 3, en ce qui concerne son action sur l'écoulement, ce capteur 39 étant constitué par un capteur de mesure ohmique (poten- tiomètre), inductif (induit plongeur), magnétorésistif (champ magnétique) ou capacitif (polarisation)), dont les signaux sont convertis, par exemple dans un appareil de commande électronique, en signaux de commande pour 1 'équi- pement électromagnétique 10. En cas de fonctionnement du moteur avec recyclage de gaz d'échappement l'équipemnt électromagnétique 10 est alimenté en courant en fonction d'un recyclage exigé de gaz d'échappement, de façon à produire des lignes de force ma- gnétique qui sont rassemblées par l'enveloppe 12 en tôle et le noyau magnétique 13 et, groupées en faisceaux dans l'en- trefer entre l'armature 14 et le noyau 13, tirent l'armatu- re 14, à l'encontre de la force du ressort 16, dans l'en- trefer Ce mouvement est suivi par l'élément 4 formant sou- pape soumis à la force du ressort 28, de sorte que la tête de soupape 5 se soulève du siège de soupape 6 et que des gaz d'échappement s'écoulent par le canal d'échappement 3 vers la tubulure d'aspiration d'air du moteur thermique. Une couche antimagnétique 42, par exemple une bague en ma- tière synthétique, est avantageusement placée entre les surfaces de butée 40, 41 du noyau magnétique 13 et de l'ar- mature 14 ou est appliquée sur l'une de ces surfaces, afin d'empêcher tout collage du noyau et de l'armature Les piè- ces en mouvement de l'équipement électromagnétique 10 sont de construction légère de façon à présenter une faible mas- se, afin de ne nécessiter qu'une énergie électrique minima- le pour un déplacement aussi rapide que possible La garni- ture 27 en tôle sert, outre à guider la tige de soupape 7 et à soutenir le ressort 28, également de bouclier thermi- que destiné à protéger la membrane 20. Les avantages de l'invention sont résumés ci-des- sous Les formes de réalisation selon l'invention permet- tent un déplacement rapide de l'élément 4 formant soupape de sorte que des variations de charge peuvent s'effectuer en un temps très court sans qu'il se produise des gaz d'é- chappement ou défauts de fonctionnement intolérables Grâce à la construction légère des pièces en mouvement, à savoir l'armature 14 et la soupape 4, et à l'agencement équilibré de la soupape, c'est-à-dire que les forces subies par la soupape du fait de la différence de pression au niveau de la tête de soupape 5 sont compensées par l'intermédiaire de la membrane 20, l'importance de l'équipement électromagné- tique 10 peut être réduite à un minimum. Le fait que la tête de soupape 5 et le siège 6 ainsi que le guide de soupape 8 et le guide 33 solidaire du corps de soupape soient réalisés sous forme de calottes sphériques permet un montage sans problème en cours de fa- brication, le guidage (support) de soupape dans le support 31 en forme de calotte sphérique s'effectuant avec un jeu minimal, afin de réduire les fuites & un minimum. REVENDICATIONS l Electrovalve de commande qui, destinée à ren- voyer des gaz d'échappement dans la tubulure d'aspiration d'un moteur thermique, est constituée d'un élément formant soupape, lequel pénètre avec une tête de soupape dans un canal de gaz d'échappement o il coopère avec un siège de soupape, et fait saillie avec une tige de soupape, en pas- sant par un guide, hors du canal de gaz d'échappement dans l'une de deux chambres formées dans le corps de soupape et dans laquelle est monté un équipement électromagnétique dont l'armature d'électroaimant agit sur la tige de soupape de telle manière que, lorsque l'équipement électromagnéti- que n'est pas alimenté en courant, la soupape est fermée sous l'action d'un ressort et, lorsque l'équipement élec- tromagnétique est alimenté en courant, la soupape se trouve ouverte à l'encontre de l'action du ressort, caractérisée en ce que la tige de soupape ( 7) est en outre sollicitée par un organe de manoeuvre pneumatique ( 20) dont l'action est sensiblement égale à celle produite par des différences de pression au niveau de la tête de soupape ( 5) mais est opposée à cette dernière action. 2 Electrovalve de commande selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'organe de manoeuvre pneu- matique est réalisé sous la forme d'un piston ou d'une mem- brane ( 20) et en ce que les chambres ( 22, 23) formées dans le corps de soupape et disposées de part et d'autre de l'organe de manoeuvre ( 20) sont en communication respecti- vement avec la partie ( 24) du canal de gaz d'échappement située en amont et avec la partie ( 25) du canal de gaz d'échappement située en aval du siège de soupape ( 6). 3 Electrovalve de commande selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'organe de manoeuvre pneu- matique est réalisé sous la forme d'un piston ou d'une mem- brane ( 20) et en ce que les chambres ( 22, 23) disposées de part et d'autre de l'organe de manoeuvre ( 20) sont en com- munication respectivement avec la partie ( 24) du canal de gaz d'échappement située en amont du siège de soupape ( 6) et avec l'atmosphère. 4 Electrovalve de commande selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que l'organe de manoeuvre ( 20) est monté dans l'espace ( 9) situé entre le guide de soupape ( 8) et l'équipement électromagnétique ( 10) de façon à divi- ser cet espace ( 9) en les deux chambres ( 22, 23) formées dans le corps de soupape. Electrovalve de commande selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que l'une ( 22) des chambres pré- citées communique à travers la tige de soupape creuse ( 7) avec la partie de canal de gaz d'échappement ( 24) située en amont du siège de soupape ( 6) et en ce que l'autre chambre ( 23) communique, par l'intermédiaire d'un trou ( 26) prati- qué dans le corps de soupape, avec la partie de canal de gaz d'échappement ( 25) située en aval du siège de soupape ( 6). 6 Elecrovalve de commande selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que l'une ( 22) desdites chambres communique par l'intermédiaire de la tige de soupape creuse ( 7) avec la partie de canal de gaz d'échappement ( 24) situ- ée en amont du siège de soupape ( 6) et l'autre chambre ( 23) communique, à travers un évidement ( 34) dans la paroi du corps de soupape, avec l'atmosphère. 7 Electrovalve de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'équipement électromagnétique ( 10) présente un noyau ma- gnétique réglable ( 13) au moyen duquel l'entrefer entre le noyau magnétique ( 13) et l'armature d'électroaimant ( 14) est réglé. 8 Electrovalve de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisée en ce que la force de ressort agissant sur l'élément ( 4) formant sou- pape est la résultante de la force d'un ressort ( 16) agis- sant sur l'armature ( 14) et de la force moins importante d'un ressort ( 28) agissant sur l'élément ( 4) formant soupa- pe dans le sens de l'ouverture et en ce que l'armature ( 14) et la tige de soupape ( 7) sont poussées l'une contre l'au- tre sous l'action des deux ressorts ( 16, 28). 9 Electrovalve de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisée en ce que le guide de soupape ( 8) est formé d'un support ( 30) soli- daire du corps de soupape et d'un support ( 31) en forme de calotte sphérique, le support ( 31) en forme de calotte sphérique étant retenu dans un guide ( 33) solidaire du corps de soupape sous l'action d'un ressort. Electrovalve de commande selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête de soupape ( 5) et le siège de soupape ( 6) sont réalisés sous forme de calottes sphériques. Il Electrovalve de commande selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la position de l'élément ( 4) formant soupape est déter- minée, en ce qui concerne son action de commande d'écoule- ment, par un capteur ( 39). 12 Electrovalve de commande selon la revendica- tion 11, caractérisée en ce que le capteur ( 39) est un cap- teur de mesure ohmique, inductif, magnétorésistif ou capa- citif.