Brevet FR2681381A1 — publié le 19930319

Perfectionnements apportés aux dispositifs de recyclage des qaz d'échappement. L'invention concerne les dispositifs qui assu- rent un recyclage partiel des gaz d'échappement dans les moteurs à combustion interne de véhicules, dispositifs comportant à cet effet une conduite de recyclage s'éten- dant entre un point de la tubulure d'échappement du moteur et un point de sa tubulure d'admission, un clapet à ouverture progressive monté sur ladite conduite et des moyens pour commander et régler l'ouverture de ce clapet en fonction de critères prédéterminés (températures, régime du moteur), moyens comprenant eux-mêmes un calculateur propre à élaborer des signaux électriques de commande en fonction desdits critères. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, parmi ces dispositifs, ceux pour lesquels le clapet est disposé à proximité de la tubulure d'ad- mission, c'est-à-dire dans une zone du moteur soumise à un échauffement moins fort que la tubulure d'échappe- ment. Dans les modes de réalisation connus de ces dispositifs, la commande du clapet est en général effec- tuée par des moyens compliqués et coûteux faisant le plus souvent appel à la dépression engendrée par une source de vide embarquée sur le véhicule. L'invention a pour but, surtout, de proposer un autre type de commande particulièrement sûr et économi- que pour le clapet considéré ne nécessitant aucunement la présence d'une source de dépression. A cet effet les dispositifs de recyclage du genre en question selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce que les moyens de commande de l'ou- verture de leur clapet comprennent: un moteur électri- que propre à imposer à son arbre de sortie des déplace- ments angulaires dont l'amplitude est fonction de la valeur d'un paramètre de commande approprié élaboré par le calculateur; un mécanisme propre à transformer les déplacements angulaires de l'arbre de sortie dudit moteur électrique en déplacements proportionnels du clapet; un conducteur électrique reliant le moteur électrique à une source d'énergie électrique, de préfé- rence constituée par la batterie du véhicule; et un relais asservi au paramètre ci-dessus, monté sur ledit conducteur de façon à contrôler l'excitation du moteur électrique à partir de la source. Dans des modes de réalisation avantageux, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des disposi- tions suivantes le moteur électrique est du type pas à pas, pour lequel, d'une part, l'amplitude du déplacement angulaire de l'arbre de sortie est liée à un nombre d'impulsions électriques constituant le signal d'exci- tation et pour lequel, d'autre part, le sens dudit déplacement angulaire dépend de la polarité desdites impulsions, un ressort de rappel est prévu pour solli- citer en permanence le clapet vers sa position de fermeture, le clapet est déplaçable axialement par rapport à son siège et le mécanisme comprend une pre- mière pièce filetée liée angulairement à l'arbre de sortie du moteur électrique et une deuxième pièce filetée bloquée angulairement et liée axialement au clapet, montée de façon à coopérer avec la première pièce filetée, dans un dispositif selon l'alinéa précédent, le ressort de rappel est un ressort spiral ou de torsion dont une extrémité est fixée sur l'arbre de sortie du moteur électrique et dont l'autre extrémité est ancrée sur un élément solidaire du carter du moteur à combus- tion interne, le clapet est déplaçable axialement par rapport à son siège et le mécanisme comprend un train réducteur dont l'arbre d'entrée est confondu avec l'arbre de sortie du moteur électrique et une crémail- lère solidaire du clapet et coopérant avec un pignon angulairement lié à l'arbre de sortie du train réducteur, le clapet est un papillon rotatif disposé en travers de la conduite de recyclage et l'arbre de sortie du moteur électrique est lié angulairement à l'arbre de ce papillon par l'intermédiaire d'un train réducteur. L'invention comprend, mises à part ces disposi- tions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire quelques modes de réalisation préférés de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative. Les figures 1 et 2, de ces dessins, montrent schématiquement un dispositif de recyclage établi selon l'invention, respectivement en ses deux positions de repos et de recyclage. La figure 3 montre schématiquement une portion d'un autre dispositif de recyclage conforme à l'inven- tion en sa position de repos. La figure 4 montre schématiquement une portion d'encore un autre dispositif de recyclage conforme à l'invention, en sa position de recyclage. Il s'agit dans tous les cas d'assurer, dans un moteur à combustion interne 1 de véhicule, notamment du type Diesel, comprenant une tubulure 2 d'admission d'air et une tubulure 3 d'échappement des gaz brûlés (voir figure 1) un recyclage partiel de ces-gaz, recyclage35 dont l'importance relative à chaque instant est déter- minée par un calculateur 4 en fonction de certains critères connus de l'homme de métier (en particulier certaines températures, le régime du moteur). A cet effet, comme bien connu, il est prévu une conduite de recyclage 5 s'étendant entre un point de la tubulure d'échappement 3 et un point de la tubulure d'admission 2, conduite équipée d'un clapet ou valve 6 propre à régler le débit du recyclage. L'invention concerne plus particulièrement la manière dont est automatiquement commandée et réglée l'ouverture de ce clapet 6 à partir de signaux élec- triques élaborés par le calculateur 4. Au lieu que cette commande et ce réglage fassent appel à des moyens pneumatiques asservis à des dépres- sions, comme c'est en général le cas, on fait appel ici directement à l'énergie électrique provenant de la batterie 7 du véhicule. A cet effet, l'on a recours à un moteur électrique 8 propre à imposer à son arbre de sortie 9 des déplacements angulaires dont l'amplitude est déterminée par un paramètre de commande approprié P, et à un mécanisme propre à transformer ces déplacements angulaires en déplacements d'amplitude proportionnelle du clapet 6. En outre, l'alimentation électrique du moteur 8 est effectuée à partir de la batterie 7 par l'intermé- diaire d'un conducteur 16 sur lequel est monté un relais ou interrupteur commandé électromagnétiquement 17, le- quel relais est contrôlé par la sortie du calculateur 4. Le recours au relais 17 permet de piloter l'en- semble à partir de signaux électriques S de faible am- pérage émis par le calculateur 4. C'est ainsi que l'intensité de ces signaux s peut être inférieure à 50 m A même si la commande du mo- teur 8 exige des signaux électriques S d'ampérage beau- coup plus élevé, par exemple supérieur à 350 m A: ces derniers signaux S sont ici directement engendrés par la batterie 7, et ce sont leurs durées, espacements et signes ou polarités respectifs qui sont contrôlés par. les signaux s. Le contrôle en question du relais 17 à partir des signaux S est effectué de façon telle que, à chaque instant, la position angulaire de l'arbre 9 -et donc la position du clapet 6 corresponde au degré de recyclage en gaz d'échappement désiré audit instant. De préférence, le moteur électrique 8 est d'un type pas à pas et le paramètre de réglage P est un nombre d'impulsions de tension ou intensité électrique d'amplitudes et durées identiques: ce nombre P est la différence entre un premier nombre N 1 d'impulsions i 1 d'une première polarité (par exemple positive) et un second nombre N 2 d'impulsions i 2 de l'autre polarité (négative) émises à partir d'un instant donné t O correspondant à la fermeture du clapet 6. Plus le nombre P est élevé, plus le clapet 6 s'écarte de son siège. L'ensemble du calculateur 4 et du relais 7 est agencé de façon telle que l'accroissement de chacun des critères justifiant un accroissement du recyclage aug- mente automatiquement le nombre N 1 des impulsions i 125 créées et qu'inversement toute réduction de ce critère se traduise automatiquement par la création d'impulsions i 2 dont le nombre N 2 est lui-même d'autant plus élevé que cette réduction est plus forte. L'ensemble est réglé de façon telle que, si aucun recyclage n'est plus désiré après une période de recyclage, les nombres N 2 et N 1 s'égalisent, le nombre P redevenant nul et la position angulaire de l'arbre de sortie 9 du moteur 8 correspondant donc à nouveau à la fermeture du clapet 6.35 Des moyens de remise à zéro sont avantageusement prévus pour donner au paramètre P des valeurs prédé- terminées pour certaines positions du mécanisme corres- pondant notamment aux fins de course du clapet. Dans chaque cas, on prévoit avantageusement un ressort de rappel permettant de solliciter le clapet 6 à la fermeture lorsque le moteur 8 est désexcité, par exemple à la suite d'une avarie électrique. On va maintenant décrire en se référant aux dessins trois modes de réalisation du mécanisme propre à transformer les déplacements angulaires de l'arbre de sortie 9 du moteur électrique 8 en déplacements du clapet 6. Dans le premier mode de réalisation schématisé sur les figures 1 et 2, le clapet 6 est d'un type à déplacement axial, c'est-à-dire propre à être écarté axialement de façon progressive d'un siège 61 (figure 2). Dans ce mode de réalisation, le mécanisme comprend: une tige filetée 10 liée angulairement à l'arbre 9, et un écrou 11 bloqué angulairement, mais axialement mobile, coopérant avec la tige filetée 10 et lié axialement au clapet 6, notamment par l'intermé- diaire d'un coulisseau 12 se déplaçant dans un guide fixe 13. Le blocage angulaire du coulisseau 12 par rap- port au guide 13 est par exemple obtenu par coopération d'une clavette radiale 14 solidaire du premier avec une rainure longitudinale 15 évidée dans le second. Dans ce mode de réalisation, le ressort de - rappel du clapet 6 en sa position de fermeture est un ressort spiral 18 dont l'extrémité intérieure est fixée sur l'arbre 9 et dont l'extrémité extérieure est ancrée dans le guide fixe 13. Ce ressort 18 est monté de façon telle qu'il sollicite constamment l'arbre 9 à se déplacer dans le sens pour lequel le clapet 6, lié au coulisseau 12 par l'intermédiaire de sa tige 62 t se rapproche de son siège 61. Dans le second mode de réalisation schématisé sur la figure 3, le clapet 6 est encore d'un type écartable axialement de son siège 61. Cette fois-ci, une crémaillère 19 est solidaire du clapet et les déplacements "axiaux" de cette crémail- lère 19, c'est-à-dire considérés selon la direction des déplacements du clapet 6, sont commandés par les rota- tions de l'arbre de sortie 9 du moteur 8 par l'intermé- diaire d'un train réducteur 20 composé d'au moins deux engrenages en prise. L'arbre d'entrée de ce train est confondu avec l'arbre 9 et son arbre de sortie 21 est solidaire en rotation d'un pignon 22 coopérant avec la crémaillère 19. Dans ce cas, le ressort de rappel du clapet 6 tendant à permanence à refermer ce clapet peut être un ressort hélicoïdal de compression 23 entourant la base de la crémaillère 19 et interposé entre une collerette 24 faisant partie de cette base et une portée 25 faisant partie d'un guide fixe 26 de la crémaillère. Dans chacun des deux premiers modes de réalisa- tion décrits ci-dessus, le clapet 6 est disposé à l'ex- trémité aval de la conduite de recyclage 5, c'est-à-dire au point, de cette conduite, qui est le plus éloigné de la conduite d'échappement 3, ce qui constitue un avan- tage au plan de la température. De plus, la portion extrême, du coulisseau 12 ou de la crémaillère 19, qui est reliée au clapet 6, est constituée par la tige 62 qui traverse de part en part la conduite d'admission 2 pour la position fermée du clapet 6, ce qui favorise le refroidissement de ce clapet du fait du balayage de cette tige par les gaz frais admis dans le moteur 1. Dans le troisième mode de réalisation schématisé sur la figure 4, le clapet 6 est un papillon rotatif dont l'arbre 27 est monté en travers de la conduite 5. Cet arbre 27 est lié angulairement à l'arbre de sortie 9 du moteur 3 par l'intermédiaire d'un train réducteur 28 constituant le "mécanisme" ci-dessus et composé d'au moins deux engrenages en prise mutuelle, l'arbre d'entrée de ce train étant confondu avec l'arbre de sortie 9 du moteur et son arbre de sortie étant confondu avec l'arbre 27 du papillon 6. Cette construction présente l'avantage d'exiger pour la commande de chaque rotation du clapet un effort faible, cet effort étant en particulier peu dépendant des pressions relatives et absolues des gaz d'admission et d'échappement: en effet, les pressions de ces gaz sont appliquées simultanément sur les deux moitiés du papillon 6 de sorte qu'elles s'équilibrent. Bien entendu, ici encore, un ressort de rappel peut être prévu pour solliciter angulairement le papil- lon 6 à la fermeture, ce ressort (non représenté) étant par exemple d'un type spiral et monté entre l'arbre 27 et son support. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient finalement un dispositif de recyclage dont la constitution découle suffisamment de ce qui précède. Le fonctionnement de ce dispositif est le sui- vant. Au repos, c'est-à-dire pendant les phases de fonctionnement du moteur 1 au cours desquelles aucun recyclage des gaz d'échappement n'est désiré, aucun signal de commande n'est émis par le calculateur 4 (voir figure 1 ou 3) de sorte que le relais 17 est ouvert et qu'aucun signal d'excitation n'est transmis vers le moteur 8, par le conducteur 16, à partir de la batterie 7. Le moteur 8 est donc désexcité et le mécanisme qui est associé à son arbre de sortie 9 se trouve en sa position extrême pour laquelle le clapet 6 est fermé, position vers laquelle il est sollicité en permanence par le ressort de rappel 18. Dès qu'un recyclage au moins partiel est désiré, le calculateur 4 émet des signaux S (figure 2) qui fer- ment de manière contrôlée le relais 17 de façon à faire envoyer sur le moteur 8, par le conducteur 16 et à par- tir de la batterie 7, des signaux électriques d'exci- tation S propres à faire tourner l'arbre de sortie 9 de ce moteur dans le sens pour lequel le clapet 6 s'écarte de son siège. Si le moteur 8 est d'un type pas à pas, comme il est préféré, les signaux S ci-dessus se présentent sous la forme de trains d'impulsions de tension ou courant électrique d'une première polarité (par exemple posi- tive) dont le nombre est lié au degré d'ouverture désiré pour le clapet. Ce degré est ainsi automatiquement accordé au besoin de recyclage qui est désiré à chaque instant. Lorsque ce besoin diminue, voire s'annule, on observe la création de signaux de commande S de polarité inverse des précédents, et en nombre lié à la diminution concernée, ce qui fait tourner l'arbre 9 en sens inverse du précédent et referme progressivement le clapet. En outre, si le moteur 8 est désexcité, volon- tairement ou non, le clapet 6, dans les modes de réali- sation préférés, se referme automatiquement. Ce dispositif de recyclage présente de nombreux avantages par rapport à ceux antérieurement connus et en particulier celui de n'exiger aucune source d'énergie autre que celle de la batterie du véhicule ainsi que ceux de la simplicité, de la précision et de la fiabili- té des commandes de l'ouverture du clapet de recyclage. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réali- sation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 1 1 REVENDICATIONS 1 Dispositif pour le recyclage partiel des gaz d'échappement dans un moteur à combustion interne ( 1) de véhicule, comportant une conduite de recyclage ( 5) s'étendant entre un point de la tubulure d'échappement ( 3) du moteur et un point de sa tubulure d'admission ( 2), un clapet ( 6) à ouverture progressive monté sur ladite conduite et des moyens pour commander et régler l'ouverture de ce clapet en fonction de critères prédé- terminés, moyens comprenant eux-mêmes un calculateur ( 4) propre à élaborer des signaux électriques de commande en fonction desdits critères, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture de son clapet ( 6) com;- prennent un moteur électrique ( 8) propre à imposer a son arbre de sortie ( 9) des déplacements angulaires dont l'amplitude est fonction de la valeur d'un paramètre de commande (P) élaboré par le calculateur; un mécanisme propre à transformer les déplacements angulaires de l'arbre de sortie dudit moteur électrique en déplace- ments proportionnels du clapet; un conducteur élec- trique ( 16) reliant le moteur électrique à une source d'énergie électrique ( 7); et un relais ( 17) asservi au paramètre ci-dessus, monté sur ledit conducteur de façon à contrôler l'excitation du moteur électrique à partir de la source. 2 Dispositif de recyclage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la source électrique ( 7) est la batterie du véhicule. 3 Dispositif de recyclage selon l'une quelcon- que des précédentes revendications, caractérisé en ce que le moteur électrique ( 8) est du type pas à pas, pour lequel, d'une part, l'amplitude du déplacement angulaire de l'arbre de sortie ( 9) est liée à un nombre d'impul- sions électriques constituant le signal d'excitation et pour lequel, d'autre part, le sens dudit déplacement angulaire dépend de la polarité desdites impulsions. 4 Dispositif de recyclage selon l'une quelcon- que des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un ressort de rappel ( 18,23) est prévu pour solli- citer en permanence le clapet ( 6) vers sa position de fermeture. Dispositif de recyclage selon l'une quelcon- que des précédentes revendications, caractérisé en ce que le clapet ( 6) est déplaçable axialement par rapport à son siège ( 61) et en ce que le mécanisme comprend une première pièce filetée ( 10) liée angulairement à l'arbre de sortie ( 9) du moteur électrique ( 8) et une deuxième pièce filetée ( 11) bloquée angulairement et liée axia- lement au clapet, montée de façon à coopérer avec la première pièce filetée. 6 Dispositif de recyclage selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le ressort de rappel est un ressort spiral ou de torsion ( 18) dont une extrémité est fixée sur l'arbre de sortie ( 9) du moteur électrique ( 8) et dont l'autre extrémité est ancrée sur un élément ( 13) solidaire du carter du moteur à combustion interne. 7 Dispositif de recyclage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le clapet ( 6) est déplaçable axialement par rapport à son siège ( 61) et en ce que le mécanisme comprend un train réducteur ( 20) dont l'arbre d'entrée est confondu avec l'arbre de sortie ( 9) du moteur électrique et une cré- maillère ( 19) solidaire du clapet et coopérant avec un pignon ( 22) angulairement lié à l'arbre de sortie ( 21) du train réducteur. 8 Dispositif de recyclage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le clapet est un papillon rotatif ( 6) disposé en travers de la conduite de recyclage ( 5) et en ce que l'arbre de sortie ( 9) du moteur électrique ( 8) est lié angulaire- ment à l'arbre ( 27) de ce papillon par l'intermédiaire d'un train réducteur ( 28).