Brevet FR2665925A1 — publié le 19920221

DISPOSflIF DE COMMANDE m ELECIkOHYDRAUUOUE POUR UNE SOUPAPE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un dispositif de commande électrohydraulique de soupape d'un moteur à combustion interne, qui se monte notamment sur les véhicules automobiles. Le principe de la distribution variable est bien connu, il s'agit d'adapter la loi de levée des soupapes d'admission et d'échappement au fonctionnement du moteur afin d'en améliorer les performances. De nombreux dispositifs ont été développés. Beaucoup pour des raisons de simplicité et de fiabilité sont restés fidèles à l'arbre à cames. On peut citer les cames rotatives à profil variable portées par un arbre coulissant le long de son axe en fonction d'un paramètre de fonctionnement du moteur ; ou bien encore deux cames portées respectivement par deux arbres à cames parallèles, l'utilisation sélective de l'une des cames s'effectue par embrayage d'un des arbres ou par basculement d'un support des deux arbres. Ces différents dispositifs présentent cependant l'inconvénient de ne proposer en tout et pour tout que de deux ou trois lois différentes de levée, ce qui est peu face au grand nombre de conditions de fonctionnement d'un moteur. De ce fait, d'autres dispositifs ont abandonné l'arbre à cames et commandent les soupapes par des moyens électromécaniques, pneumatiques ou hydrauliques. Un dispositif d'actionnement de ce genre est connu d'après le brevet américain N" 3.882.833. Ce document décrit un système de commande électromécanique pilotant une soupape d'un moteur à combustion interne. La soupape est déplacée sous l'action d'un électro-aimant. Un tel dispositif, outre sa grande complexité de réalisation, a pour inconvénient de nécessiter l'apport d'énergie électromagnétique pendant tout le mouvement ou course de la soupape. Cette caractéristique interdit les vitesses de transition élevées qui existent dans les moteurs à combustion interne, équipant les véhicules automobiles. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de commande électrohydraulique pour une soupape de moteur à combustion interne qui donne une liberté totale du choix des instants d'ouverture et de fermeture, sans aucune contrainte de dépendance entre ces grandeurs et cela même à des fréquences élevées, ce dispositif permettant également de faire varier la course ou levée de la soupape à volonté, le tout en consommant le strict minimum d'énergie. Conformément à l'invention, le dispositif de commande de soupape d'un moteur à combustion interne comporte des dispositifs de blocage de la soupape dans deux positions limites, et des moyens élastiques de poussée qui maintiennent la soupape dans une position d'équilibre intermédiaire entre les deux positions limites. Selon l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques sont constitués par des cavités contenant un fluide sous pression. Ainsi dans le dispositif de commande agencé conformément à l'invention, le mouvement de manoeuvre est déclenché par les moyens de blocage qui libèrent la soupape, les moyens élastiques opérant alors le déplacement d'une position limite à l'autre où la soupape est à nouveau bloquée. Du fait qu'ainsi l'énergie potentielle emmagasinée dans les moyens élastiques, dans les positions limites du piston, est utilisée pour accélérer la soupape et est à nouveau récupérée lors du freinage, la fourniture d'énergie extérieure peut être limitée à la compensation des pertes d'énergie comme notamment des pertes par fuite du fluide, ainsi qu'aux moyens pour bloquer et débloquer le piston en position limite. Le choix de cavités remplies de fluide sous pression permet d'obtenir des temps de réaction inégalées - 50 cycles par secondes - sans détériorer la soupape et son siège par des chocs à la fermeture. Lors du freinage récupérateur d'énergie de la soupape, le mouvement est amorti et on évite un fort impact dans la position limite. Selon une autre caractéristique, l'un desdits dispositifs de blocage est porté par un organe déplaçable de manière à faire varier la course de la soupape. Selon une autre caractéristique, lesdites cavités sont connectées à des circuits d'ajustement de la pression du fluide. Ainsi quelles que soient la position de l'organe déplaçable, ou les éventuelles fuites du fluide, la pression est ajustée dans les cavités de façon que l'on ait toujours la soupape soumise à la pression des cavités dans une position d'équilibre intermédiaire entre les deux positions limites. Selon une autre caractéristique, chaque cavité coopère avec un piston rigidement lié à la tige de la soupape. Selon une autre caractéristique, les dispositifs de blocage comportent des moyens pour réaliser une étanchéité autour des faces de pression des pistons de manière à les isoler de la pression de la cavité où elles se trouvent en réalisant autour d'elles une chambre étanche. Selon une autre caractéristique, lesdites chambres sont en communication avec un premier circuit de mise en dépression et un second circuit de mise en pression. Selon une autre caractéristique, ledit premier circuit a son ouverture et sa fermeture commandées mécaniquement par le piston et en ce que ledit second circuit est commandé par une électrovanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinaIe de la distribution à commande électrohydraulique, représentée la soupape en position fermée en appui sur son siège, - la figure 2 est une vue en coupe, similaire à la figure 1, mais la soupape étant en position ouverte, - les figures 3 à 5 représentent les caractéristiques des courants électriques alimentant les organes de commande, - la figure 6 représente la loi de levée de la soupape ainsi obtenue. La distribution à commande électrohydraulique représentée sur les figures 1 et 2 comprend une soupape (23) guidée par sa tige (11) dans des guides (41) et (42) prévus dans une culasse (1) d'un moteur à combustion interne non représenté. La soupape de lancement (23) obture, en appui sur son siège (50), l'orifice d'un conduit (24) d'admission ou d'échappement débouchant dans une chambre à combustion. Entre les deux guides (41) et (42) de la soupape, la tige de soupape (11) traverse une cavité (39) formée dans la culasse (1). Un piston (12) étagé relié rigidement à la tige de la soupape (11) est disposé dans la cavité (39), sa partie supérieure (12a) et sa partie inférieure (12b) de plus faible section coulissent dans les alésages respectifs (30) et (26) prévus dans la culasse (1). Au-dessus du guide (41) de la soupape, l'extrémité supérieure de la tige de soupape (11) débouche dans une seconde cavité (40) où elle forme un second piston (10). La soupape peut être déplacée entre deux positions limites. Une première position où la soupape (23) est fermée en appui sur son siège (50) (figure 1) et où l'extrémité (iota) de la tige de soupape (11) est en appui sur une douille (3) logée dans la chambre (8) ménagée dans la partie haute de la cavité (40), et une seconde position où la soupape est ouverte (figure 2), le piston (12) étant alors en appui sur un fourreau ajustable (13), servant de butée et disposé coulissant dans un alésage (43) formant la partie inférieure de la cavité (39). Les cavités (39) et (40) sont complètement remplies de liquide compressible, par exemple de l'huile de moteur, et forment ainsi des ressorts de pression. Ces ressorts "hydrauliques" exercent leurs efforts sur la soupape (23) par l'intermédiaire des pistons (10) et (12). La raideur de ces ressorts "hydrauliques" est déterminée principalement par la surface utile des pistons, le volume de liquide compressible ainsi que ses caractéristiques physico-chimiques. Afin d'adapter la raideur de ces ressorts on augmente le volume des cavités (40) et (39) en utilisant des réservoirs auxiliaires (31) et (29). Ces réservoirs sont raccordés à une électrovanne (32) pour compléter les pertes d'huile survenues au cours du fonctionnement. Les dispositifs de blocage de la soupape en position limite sont constitués comme suit: Pour la position limite fermée : d'une chambre (4) située en arrière d'une soupape (6) servant de clapet rappelée sur son siège (7) par le ressort (5) et d'une douille (3) montée coulissante dans la chamhre (8). La douille (3) est apte à former une étanchéité autour de l'extrémité supérieure de la tige de soupape (1) qui forme la face de pression du piston (10) isolant ainsi la chambre (8) de la cavité (31), la chambre (8) constituant ainsi un sas. La douille (3) est également apte à ouvrir la soupape (5) mettant en communication les chambres (4) et (8). Les chambres (4) et (8) sont également reliées via le distributeur électromécanique (9) respectivement au circuit de retour du fluide (20) et à la cavité (40). Pour la position limite ouverte le dispositif de blocage embarqué sur le fourreau ajustable (13) comprend : une chambre (19) isolée de la cavité (39) par une bille (15) servant de clapet et en appui sur le siège (14) par le rappel du ressort (18). La bille (15) coopère avec une rampe de poussée (27) portée par le piston (12). Le piston (12) comporte également une portée (28) apte à former une étanchéité avec la face supérieure du fourreau ajustable (13) isolant la face de pression du piston (12) dans une chambre (22) qui communique avec la chambre (19). La chambre (19) est reliée via le distributeur électromécanique ou circuit de retour du fluide (20) ainsi qu'à la cavité (39). La forme des cavités (39, 40) est à priori quelconque, toutefois on peut prévoir des formes privilégiées afin d'obtenir un effet supplémentaire à savoir la rotation de la soupape. Cette rotation permet de répartir uniformément l'usure de la soupape de son siège. Une forme dissymétrique des cavités procure cet effet et notamment une forme hélicoïdale. Cette dissymétrie entraîne lors du déplacement de la soupape, des efforts radiaux, de la part du fluide qui entraîne la rotation de la soupape. le mode de fonctionnement du dispositif va être présenté conformément aux figures (il a été volontairement choisi de représenter les électro-distributeurs (9), (21) et (32) dans leur position de repos, c'est-à-dire en l'absence de leur courant électrique d'excitation I9, I21 et I32). En prenant le dispositif à l'instant initial t,, en position soupape (23) fermée comme représentée en figure 1, la tige de soupape (11) est en position haute, son extrémité (10) appuie sur la douille d'étanchéité (3). Ce qui a pour effet d'une part d'isoler la chambre (8) de la pression régnant dans la cavité (40) qui se trouve être fortement comprimée et d'autre part d'ouvrir la soupape (6) mettant en communication la chambre (8) avec la chambre (4). Le distributeur (9) n'étant pas alimenté par le courant I9, les chambres (8) et (9) sont à la pression atmosphérique du circuit de retour (20). La forte pression s'exerçant dans la cavité (40) ne peut s'exercer sur la surface utile du piston (10) puisque celle-ci se trouve isolée grâce à la douille d'étanchéité (3) dans la chambre (8).La soupape (23) est maintenue fermée par la pression P39 régnant dans la cavité (39) et qui est supérieure à la pression atmosphérique. Le dispositif se trouve ainsi bloqué en position fermée. Pendant ce blocage, l'électrodistributeur (32) alimenté par la courant I32 permet l'alimentation des réservoirs (31) et (29), afin de donner aux pressions P40 et P39 les valeurs de consigne adaptées et de compenser ainsi les éventuelles pertes de pression. La phase d'ouverture de la soupape se déroule alors comme suit. Le distributeur d'ajustement des pressions (32) étant fermé à l'instant tl, on envoie à l'instant t2 le courant I9 dans le distributeur (9), ce qui a pour effet d'isoler la chambre (4) et de remettre dans la chambre (8) la pression P40 régnant dans la cavité (40). La surface utile du piston (10) se trouve alors soumise à la pression P40, alors que le piston (12) est soumis à une pression P39 largement inférieure. Ce déséquilibre des forces entraîne à l'instant t3 une accélération de la soupape vers le bas. Le déplacement de la soupape (23) vers le bas provoque la rupture de l'étanchéité entre le piston (10) et la douille (3). Le ressort (5) rappelle alors la soupape (6) sur son siège, la douille (3) étant libérée. Le distributeur (9) peut être relâché par annulation à l'instant t4 du courant I9, ce qui rétablit la pression atmosphérique dans la chambre (4). La descente de la soupape (23) se poursuit accélérée jusque dans une zone intermédiaire par la force prépondérante du ressort hydraulique constitué par la cavité d'huile (40) puis freinée par la force prépondérante du ressort hydraulique constitué par la cavité d'huile (39).Le piston (12) atteignant sa position inférieure limite à l'instant t5, la rampe (27) pousse la bille (15) et met ainsi en communication la chambre (19) avec la chambre (22) (figure 2) qui est elle-même séparée de la cavité (39) par l'étanchéité réalisée par la portée (28) du piston (12) en appui sur le fourreau (13). Le distributeur (21) n'étant pas alimenté par le courant I21, les chambres (22) et (19) sont à la pression atmosphérique du circuit de retour (20). La forte pression régnant dans la cavité (39) ne peut plus s'exercer sur la surface utile du piston (12) puisque celle-ci se trouve isolée par le fourreau (13) dans la chambre (22). La soupape est maintenue ouverte par la pression P40 régnant dans la cavité (40) et qui demeure supérieure à la pression atmosphérique. La soupape (23) peut ainsi rester ouverte en position stable jusqu'à ce que l'ordre de fermeture soit donné. Le mouvement de fermeture de la soupape (23) se déroule comme cela n'est pas représenté particulièrement sur le dessin, d'une façon parfaitement symétrique par rapport au mouvement d'ouverture. n est déclenché à l'instant t6 par l'envoi d'un courant I21 dans le distributeur 21, ce qui a pour effet de remettre les chambres (19) et (22) à la pression de la cavité (39). La surface utile du piston (12) se trouve ainsi soumise à la pression P39 alors que le piston (10) est soumis à une pression P40 largement inférieure. Ce déséquilibre des forces entraîne à l'instant t7 une acélération de la soupape vers le haut, l'étanchéité entre le piston (12) et le fourreau (13) est alors rompue. La bille (15) se referme sur son siège (14) sous l'action du ressort de rappel (18).Le courant I21 est ensuite coupé à l'instant t8, ce qui par relachement du distributeur (21) remet la pression atmosphérique dans la chambre (19). Au fur-et-à-mesure de la remontée de la soupape (23), la cavité (39) se détend au profit de la compression de la cavité (40). Le système retourne à l'instant t9 se bloquer en position fermée comme décrit ci-dessus à I' instant t 0. En ouvrant l'électrodistributeur (32) à l'instant t10, on compense les pertes énergétiques survenues durant le cycle de fonctionnement en remettant les pressions des cavités aux valeurs de consignes. Un dispositif non figuré permet de faire coulisser le fourreau (13) dans la cavité (39) afin de modifier la valeur de la course ou levée de la soupape (23). Le déplacement du fourreau (13) n'entraîne pas de modification de la pression régnant dans la cavité (39) grâce aux perçages (25) qui permettent à l'huile de s'écouler au travers du fourreau. La modification de la levée entraîne une adaptation de la valeur des pressions de consigne des cavités (40) et (39) de façon que la soupape (23), si elle n'était soumise qu'à la seule action des deux ressorts hydrauliques opérant en sens opposé, soit maintenue dans une position d'équilibre intermédiaire entre les deux positions limites. Cette caractéristique est nécessaire pour que lors du freinage de la soupape (23) son mouvement soit suffisamment amorti pour éviter un fort impact à l'arrivée dans la position limite. Il en résulte qu'il est possible d'agir d'une manière très complète sur les mouvements de la soupape (23). Du fait que le début aussi bien du mouvement d'ouverture que du mouvement de fermeture de la soupape (23) est déclenché par un actionnement des électrovannes (9) et (21), il est possible de choisir librement l'instant de début d'ouverture et l'instant de fermeture. le fourreau (13) ajustable permet de choisir librement la valeur de la levée indépendamment des autres caractéristiques de fonctionnement. Cette très grande souplesse d'utilisation est couplée à une faible consommation énergétique du dispositif comme on peut le constater sur les figures 3 à 6. REVENDICATIONS 1") Dispositif de commande de soupape d'un moteur à combustion interne comportant des dispositifs de blocage de la soupape (23) dans deux positions limites, et des moyens élastiques de poussée antagonistes s'exerçant sur la soupape (23), caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques sont constitués par des cavités (40, 39) contenant un fluide compressible sous pression. 2") Dispositif de commande de soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques maintiennent la soupape (23) dans une position d'équilibre intermédiaire par rapport aux deux positions limites. 3 ) Dispositif de commande de soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'un desdits dispositifs de blocage est porté par un organe déplaçable (13) de manière à faire varier la course de la soupape (23). 4 ) Dispositif de commande de soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites cavités (40, 39) sont connectées à des circuits d'ajustement de la pression du fluide. 5 ) Dispositif de commande de soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque cavité (40, 39) coopère avec un piston (10 ou 12) rigidement lié à la tige de la soupape. 6 ) Dispositif de commande de soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dispositifs de blocage comportent des moyens pour réaliser une étanchéité autour des faces de pression des pistons (10, 12) de manière à les isoler de la pression de la cavité (40, 39) où ces faces se trouvent, en réalisant autour d'elles une chambre étanche (8, 22). 7 ) Dispositif de commande de soupape selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites chambres (8, 22) sont en communication avec un premier circuit de mise en dépression et un second circuit de mise en pression. 8 ) Dispositif de commande de soupape selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit premier circuit a son ouverture et sa fermeture commandée mécaniquement par la position du piston et en ce que ledit second circuit est commandée par une électrovanne (9, 21) 9 ) Dispositif de commande de soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que lesdites cavités, (39, 40) ont une forme dissymétrique, afin d'induire une rotation de la soupape.