Brevet FR2729184A1 — publié le 19960712

" Dispositif à soupape, notamment pour une soupape de réin- jection de gaz d'échappement d'un moteur à combustion in- terne " L'invention concerne un dispositif à soupape, notamment pour la réinjection de gaz d'échappement d'un mo- teur à combustion interne, pour mélanger des fluides, com- prenant un siège de soupape fermant une entrée pour un premier fluide à l'intérieur d'un moyen de guidage d'un se- cond fluide, une installation de manoeuvre du siège de sou- pape, mise en oeuvre par dépression, et un moyen de commutation pour l'installation de manoeuvre. Etat de la technique. Il est connu d'utiliser des soupapes de réin- jection de gaz d'échappement dans les véhicules automobi- les, notamment les véhicules équipés d'un moteur Diesel. Ces soupapes de réinjection permettent d'ajouter des gaz d'échappement du moteur à l'air aspiré par celui-ci pour diminuer la teneur en oxygène de l'air aspiré. En réduisant la teneur en oxygène de l'air aspiré, on minimise la quan- tité d'oxydes d'azote formés par le procédé de combustion dans le moteur. On connaît une soupape de réinjection de gaz d'échappement destinée à cet effet, par exemple selon le document DE-OS 42 27 739 Al. Dans ce cas il est prévu un orifice d'entrée pour un premier fluide, par exemple des gaz d'échappement chauds, dans un passage pour un second fluide, par exemple de l'air. L'orifice d'entrée traverse ainsi la paroi de passage du second fluide. L'orifice d'entrée peut se fermer à l'aide d'un siège de soupape ouvert ou fermé par un dis- positif de manoeuvre. Pour cela, on utilise, dans les véhi- cules automobiles, en général, des dispositifs d'ac- tionnement sollicités par dépression. Ceux-ci comportent une membrane soumise à une dépression; cette membrane est couplée à un organe d'obturation qui ouvre ou ferme le siège de soupape. Suivant le degré d'ouverture et/ou la du- rée d'ouverture du siège de soupape on ajoute une quantité déterminée de gaz d'échappement à l'air frais. La commande de l'installation de manoeuvre se fait par un moyen de commutation reliant une source de dé- pression à la membrane de l'installation de manoeuvre. On connaît ainsi, par exemple, des électrovannes ou des con- vertisseurs électropneumatiques. L'inconvénient des dispositifs à soupapes, con- nus, est que l'installation de manoeuvre et les moyens de commutation sont relativement éloignés à l'intérieur de l'enceinte du moteur du véhicule. Cela se traduit par un chemin de commutation relativement long pour la dépression, entraînant un décalage entre l'actionnement du moyen de commutation et le déclenchement de l'installation de ma- noeuvre, ou encore se traduisant par une perte de rendement donnant un mélange d'air frais et de gaz d'échappement dif- férent du mélange voulu. Avantages de l'invention. La présente invention concerne un dispositif à soupapes du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que caractérisé en ce que le moyen de commutation et l'instal- lation de manoeuvre forment un ensemble de montage. Le dispositif selon l'invention offre l'avantage de réduire au minimum les pertes de rendement lorsqu'on sollicite l'installation de manoeuvre avec une dépression, si bien que le retard entre le déclenchement du moyen de commutation et l'ouverture ou la fermeture du siège de soupape, est faible et négligeable. Comme le moyen de commutation et l'installation de manoeuvre forment un ensemble de montage, il est possible de coupler ces moyens directement, ce qui limite au minimum le chemin de commuta- tion entre le moyen de commutation et l'installation de ma- noeuvre. Cette réalisation sous la forme d'un ensemble de montage commun facilite en outre la mise en place de l'ensemble du dispositif à soupape, car cela supprime le montage séparé de la soupape de réinjection de gaz d'échappement et du moyen de commutation; une étape de montage unique permet le montage de l'ensemble compact. Selon un développement avantageux du dispositif à soupape, le moyen de commutation et l'installation de ma- noeuvre sont placés dans un boîtier commun, de préférence fermé par un couvercle étanche, intégrant en même temps la liaison de commutation entre le moyen de commutation et l'installation de manoeuvre. Au montage, cela permet de ma- nière simple d'utiliser l'installation de manoeuvre et le moyen de commutation dans les zones de boîtier prévues à cet effet, et de les maintenir à l'aide du couvercle, en réalisant en même temps la liaison entre le moyen de commu- tation et l'installation de manoeuvre pour agir par dépres- sion. Ainsi, sans travaux de montage importants, on a un dispositif à soupape, complet, pré-assemblé par quelques opérations, si bien que le montage du dispositif à soupape dans un véhicule automobile ne nécessite aucun moyen de liaison supplémentaire. Cela permet un montage très peu coûteux. Il est en outre avantageux que le boîtier et le couvercle de l'installation de manoeuvre et le moyen de commutation soient constitués par une pièce en matière plastique injectée, ce qui permet, à l'aide des techniques d'injection de matière plastique connues, de réaliser une fabrication en grande série et ainsi peu coûteuse pour les parties de boîtier du dispositif à soupape. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le moyen de commutation et l'installation de manoeuvre sont logés dans un boîtier commun; - le boîtier comprend une première zone pour recevoir l'installation de manoeuvre et une seconde zone pour recevoir le moyen de commutation; - un boîtier fait corps avec un segment d'un canal d'admission pour guider le second fluide; - un moyen de fermeture (couvercle à membrane) constitue en même temps une liaison de commutation entre l'installation de manoeuvre et le moyen de commutation; - le couvercle à membrane comporte un conduit coudé qui peut être couplé à un ajutage de raccordement du moyen de commutation; - un conduit coudé comporte un orifice traver- sant qui constitue une liaison à dépression entre le moyen de commutation et l'installation de manoeuvre; - un conduit coudé est appliqué par l'intermédiaire d'un élément d'étanchéité contre l'ajutage de raccordement; - un couvercle à membrane et le conduit coudé sont réalisés en une seule pièce; - le couvercle à membrane et le conduit coudé sont réalisés sous la forme d'une pièce en matière plasti- que injectée; - l'orifice traversant du conduit coudé com- porte des segments de sections différentes; - le segment permet de régler un étranglement ou d'accentuer l'effet de dépression de l'installation de manoeuvre. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les des- sins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un moyen de réinjection de gaz d'échappement dans un moteur à com- bustion interne selon l'état de la technique, - la figure 2 est une vue en coupe d'un dispo- sitif à soupapes selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus du disposi- tif à soupapes, le couvercle ayant été enlevé. Description de l'exemple de réalisation. La figure 1 montre le schéma de principe d'un moyen de réinjection de gaz d'échappement. Ce schéma de principe illustre en même temps l'état de la technique, critiqué. La partie principale du moyen de réinjection de gaz d'échappement est une soupape de réinjection de gaz d'échappement portant ici globalement la référence 10. La figure montre en outre une chambre de cylindre 12 d'un mo- teur à combustion interne, reliée d'une part à un canal d'admission 14 et, d'autre part, à un canal de gaz d'échappement 16. Le canal d'admission 14 et le canal de gaz d'échappement 16 sont reliés, d'une manière connue de façon générale, à la chambre 12 du cylindre, par des soupa- pes 18. Une conduite de dérivation 20 relie le canal de gaz d'échappement 16 au canal d'admission 14. La conduite de dérivation 20 est munie d'une soupape de réinjection de gaz d'échappement 10 qui peut ouvrir ou fermer la communication du conduit de dérivation 20 vers le canal d'admission 14. La soupape de réinjection de gaz d'échappement 10 est com- mandée par un moyen de commutation 22 reliant une source de dépression 24 à une installation de manoeuvre 26 de la sou- pape de réinjection de gaz d'échappement 10. Le moyen de commutation 22 est commandé par un appareil de commande 28 relié à une pompe d'injection 30 et à une pédale d'accélérateur 32 d'un véhicule automobile non représenté. Le moyen de commutation 22 est relié, par une première con- duite à dépression 34, à l'installation de manoeuvre 26 et, par une seconde conduite à dépression 36, à la source de dépression 24. Le moyen de commutation 22 peut ainsi commu- ter la source de dépression 24 sur l'installation de ma- noeuvre 26 en fonction du signal de commande fourni par l'appareil de commande 28; l'installation de manoeuvre 26 ouvre ou ferme ainsi la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10. Pendant le fonctionnement du moteur à combus- tion interne, de l'air frais est aspiré par le canal d'admission 14 et du carburant est injecté dans cet air par la pompe d'injection 30. Le mélange carburant/air arrive dans les chambres des cylindres 12 lorsque la soupape 18 ouvre le canal d'admission 14. Le processus de combustion, connu de manière générale, se produit dans ces chambres par allumage du mélange carburant/air par une source d'étincelles. A la fin de l'opération de combustion, les gaz d'échappement sont rejetés dans le canal de gaz d'échappement 16 par la soupape 18 associée à ce canal 16. Une partie de gaz d'échappement est conduite par la dériva- tion 20 jusque sur la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10. En fonction de la gestion du moteur et de l'état de fonctionnement du véhicule, par exemple de la vi- tesse de rotation du moteur, de la température du liquide de refroidissement, de la pression de charge, etc. l'appareil de commande 28 fournit une impulsion de commuta- tion destinée au moyen de commutation 22 qui actionne ainsi l'installation de manoeuvre 26 de la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10. Lorsque la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10 est ouverte, elle établit la commu- nication entre la conduite de dérivation 20 et le canal d'admission 14; un courant partiel de gaz d'échappement peut ainsi se mélanger à l'air frais par l'intermédiaire du canal de dérivation 20. Cela permet par exemple de réduire la teneur en oxygène de l'air frais pour que la combustion dans les chambres 12 des cylindres engendre une quantité moindre d'oxydes d'azote. Pour arriver à un dosage aussi précis que possible des gaz d'échappement ajoutés à l'air frais, il faut que la relation entre l'impulsion de commande fournie par l'appareil de commande 28 et l'ouverture de la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10, par l'installation de manoeuvre 26, soit aussi rapprochée que possible dans le temps. Ce temps dépend essentiellement de la longueur de la première conduite à dépression 34 qui transmet au moyen de commutation 22, par la seconde conduite à dépression 36, la dépression appliquée à l'installation de manoeuvre 26. Le moyen de commutation 22 peut être par exemple une électro- vanne ou un convertisseur électropneumatique qui sépare ou relie les conduites à dépression 34 et 36 selon son état de commutation. La figure 2 montre un dispositif à soupape se- lon l'invention portant globalement la référence 38. Le dispositif à soupape 38 comporte, d'une part, la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10, et, d'autre part, le moyen de commutation 22. La soupape de réinjection de gaz d'échappement 10 est munie d'un manchon de soupape 40 qui traverse la zone de cloison 42 du canal d'admission 14. La zone de cloison 42 peut faire partie directement du canal d'admission 14; il peut également s'agir d'un manchon dis- tinct, c'est-à-dire un segment de canal d'admission 1 adap- té dans le canal d'admission 14. Dans ce cas, des deux côtés de la zone de cloison portant ici la référence 44, il y aurait une zone 46 du côté de l'air frais et une zone 48 du côté du moteur, pour le canal d'admission 14. Le manchon de soupape 40 présente un segment de guidage 50 de plus grand diamètre traversant une bride 52. La bride 52 comporte ici un perçage traversant 54 dans le- quel est adapté le segment de guidage 50 du manchon de sou- pape 40. La bride 52 est, d'une part, fixée à un ajutage 56 en saillie de la zone de cloison 42 du canal d'admission 14. L'ajutage 56 comporte un orifice de passage 58 par le- quel le manchon de soupape 40 pénètre dans le canal de gaz d'échappement 14. Le diamètre de l'orifice de passage 58 est choisi ici plus grand que le diamètre du manchon de soupape 40, ce qui laisse un volume annulaire 60, entre l'ajutage 56 et le manchon de soupape 40. Ce volume annu- laire 60 communique avec le volume intérieur 62 du canal d'admission 14. Le manchon de soupape 40 comporte un élé- ment de guidage d'air 64 s'étendant vers la zone 46 du côté de l'air frais, dans le canal d'admission 14. La conduite de dérivation 20, représentée à la figure 1, est reliée au côté 66 du manchon de soupape 40 opposé au canal d'admission 14. Diamétralement en regard du manchon de soupape , le canal d'admission 14 porte l'installation de manoeu- vre 26 de la soupape de réinjection de gaz d'échappement 10. L'installation de manoeuvre 26 comprend une tige de soupape 68 traversant un manchon 70 du canal d'admission 14. Le manchon 70 possède une zone tubulaire 72, 74 en saillie de part et d'autre du segment de paroi 44. La zone 74 fait corps avec le boîtier 76 comprenant une première zone de boîtier 78 et une seconde zone de boîtier 80. Dans la première zone de boîtier 76, il y a une coupelle à mem- brane 82 reliée solidairement à la tige de soupape 68; cette coupelle porte une membrane 84. La membrane 84 pré- sente, à sa périphérie extérieure, un segment d'étanchéité 86 qui pénètre dans une gorge 88 de la zone de boîtier 78. La coupelle à membrane 82 s'appuie contre un couvercle à membrane 92, contre la force d'un élément à ressort élasti- que 90. Le couvercle à membrane 92 forme un dôme 94 dont le fond 96 comporte un segment de guidage 98 pour l'élément à ressort 90. La coupelle à membrane 82 elle-même comporte une collerette annulaire 100 qui fixe l'élément élastique 90. La coupelle à membrane 92 peut s'accrocher sur le boî- tier 76 et un bec d'accrochage 102, périphérique, pousse en même temps contre le segment d'étanchéité 86 de la membrane 84 et bloque celle-ci dans la gorge 88. Sur son côté opposé à la coupelle de membrane 82, la tige de soupape 68 porte une bague de soupape 104 formant avec Ie manchon à soupape un siège de soupape 106. Dans la zone 80 du boîtier 76 se trouve le moyen de commutation 22 qui peut être par exemple une élec- trovanne ou un convertisseur électropneumatique. Le moyen de commutation 22 comporte un ajutage de raccordement 108 auquel on peut relier la seconde conduite à dépression 36 représentée à la figure 1. De plus, le moyen de commutation 22 comporte un second ajutage de raccordement 110 par le- quel passe un conduit coudé 112 du couvercle à membrane 92. Le conduit coudé 112 présente ici une pièce de liaison 113 qui peut entourer l'ajutage de raccordement 110. Le conduit coudé 112 comporte en outre un orifice traversant 114 qui relie le volume intérieur 116 du dispositif de manoeuvre 26 à l'ajutage de raccordement 110. L'orifice traversant 114 peut être formé ici par des perçages, des entailles ou des moyens analogues, décalés. L'orifice de passage 114 peut comporter des segments 20 de diamètres différents. Le con- duit coudé 112 fait corps avec le couvercle à membrane 92; il s'agit de préférence d'une pièce en matière plastique injectée, ce qui permet de réaliser l'orifice traversant 114 pendant l'injection. L'orifice traversant 114 forme la première liaison ou conduite à dépression 34 représentée à la figure 1. Entre le conduit coudé 112 et l'ajutage de raccordement 110, il y a un élément d'étanchéité 116', par exemple un joint torique. Le moyen de commutation 22 com- porte en outre une zone de raccordement 118 qui permet de le mettre en contact avec l'appareil de commande 28. Le dispositif à soupapes 38 représenté à la fi- gure 2 fonctionne de la manière suivante: Lorsque le moteur à combustion interne, non re- présenté, fonctionne, le canal d'admission 14 est balayé en permanence par de l'air frais. En même temps, le manchon de soupape 40 est sollicité par les gaz d'échappement du mo- teur à combustion interne, par la dérivation 20. Les gaz d'échappement ont dans ce cas par exemple une température de l'ordre de 400 C alors que l'air frais qui circule dans o10 le canal d'admission 14 a une température voisine de la température ambiante. En position de repos du dispositif à soupapes 38, le siège de soupape 106 est fermé, l'anneau de soupape 104 étant pressé par la tige de soupape 68 et la coupelle à membrane 82, par la force développée par l'élément de ressort 90, contre l'ouverture du manchon de soupape 40, si bien que les gaz d'échappement ne peuvent pas passer dans le canal d'admission 14. L'air frais qui traverse le canal d'admission 14 balaye le manchon de sou- pape 40 si bien que l'élément de guidage d'air 64 conduit une partie de l'air frais dans le volume annulaire 60. Cela entraîne le refroidissement de la zone du manchon de sou- pape 40 située avec sa partie médiane au niveau de la zone de cloison 42 du canal d'admission 14. Le canal d'admission 14 peut ainsi être réalisé en un matériau moins réfrac- taire, par exemple en matière synthétique, sans venir di- rectement en contact avec les gaz chauds. L'ajutage de raccordement 108 reçoit en perma- nence la dépression générée par la source de dépression 24 (figure 1). Le moyen de commutation 22 est à l'état fermé, c'est-à-dire que l'ajutage de raccordement 108 est coupé de l'ajutage de raccordement 106 car, par exemple, un organe d'obturation non représenté ferme la liaison entre les aju- tages de raccordement 108, 110 à l'intérieur du moyen de communication 22. L'appareil de commande 28 fournit alors un signal de commande pour mélanger une certaine quantité il de gaz d'échappement à l'air frais passant dans le canal d'admission 14; ce signal est transmis par le moyen de commutation 22 qui dégage l'organe d'obturation de son che- min de liaison, séparant les ajutages de branchement 108, 110; la dépression appliquée à la seconde conduite à dé- pression 36 peut ainsi être transmise au volume intérieur 116 du moyen d'actionnement 26. Comme le chemin de liaison est extrêmement court à travers la première liaison à dé- pression 34, la dépression appliquée à l'ajutage de raccor- dement 108 est transmise sans retard et sans perte significative de rendement, immédiatement au volume inté- rieur 116. Du fait de la dépression qui règne dans le vo- lume intérieur 116, la coupelle à membrane 82 est déplacée contre la force du ressort 90 de sorte que, du fait de l'accouplement de la tige de soupape 68, la bague de sou- pape 104 s'écarte du manchon de soupape 40 en ouvrant ainsi le siège de soupape 106. Comme le siège de soupape 106 est maintenant ouvert, les gaz d'échappement peuvent passer par la con- duite de dérivation 20 pour arriver dans la veine d'air frais à l'intérieur du canal d'admission 14. L'écoulement qui règne, produisant l'injection du gaz d'échappement se mélange à l'air frais au cours de son transport sur son chemin allant jusqu'aux chambres 12 des cylindres. La durée et l'amplitude de la dépression régnant dans le volume in- térieur 116 sont définies par la durée d'ouverture et le degré d'ouverture du siège de soupape 106. La quantité de gaz d'échappement ajoutée à l'air frais dépend directement de la durée et du degré d'ouverture du siège de soupape 106. Comme le chemin de liaison, entre la dépression appli- quée en permanence à l'ajutage de branchement 108 et le moyen d'actionnement 26, est réduit, la commande du siège de soupape 106 se fait pratiquement sans retard ce qui per- met une adjonction, définie de manière très précise, de gaz d'échappement 20 à la veine d'air frais. Globalement, le dispositif à soupapes 38 est un ensemble très compact qui peut se réaliser par exemple en une seule pièce de matière plastique injectée comprenant le segment de canal d'admission 15 y compris son ajutage 56 et la douille 70, ainsi que le boîtier 76. Cette pièce de base en matière plastique peut être complétée de façon simple par le manchon de soupape 40, l'installation de manoeuvre 26 et le moyen de commutation 22, si bien qu'au montage dans un véhicule automobile, il suffit de réaliser une liaison avec la conduite de dérivation 20, la seconde con- duite à dépression 36 et l'appareil de commande 28. Les travaux de montage sont ainsi considérablement réduits par rapport à ceux nécessaires dans les solutions connues; ce- la se traduit par une économie de coût. L'intégration ainsi réalisée de la première liaison à dépression 34 et du cou- vercle 92 de la membrane, évite en outre une cause de dé- fauts d'étanchéité puisque le contrôle de l'étanchéité peut se faire dès avant le montage dans le véhicule automobile. La figure 3 montre une nouvelle fois, mais en vue de face, le segment de canal d'admission 15 sur lequel est formé le boîtier 76. Le couvercle de membrane 92 n'est pas présenté dans cette vue. Les mêmes pièces ou parties qu'à la figure 2 portent les mêmes références et leur des- cription ne sera pas reprise. Cette vue montre également clairement, la construction compacte du segment de canal d'admission 15, ce canal comprenant en même temps les zones de boîtier 78 ou 80. Ainsi, on peut loger, dans un volume extrêmement étroit, l'installation de manoeuvre 26 et le moyen de commutation 22, nécessaires. Ce segment de canal d'admission 15 peut être fourni comme ensemble terminé lorsque son montage est fini (comme le montre la figure 2), ce qui limite au minimum nécessaire les travaux de montage, par exemple dans l'enceinte du moteur d'un véhicule automo- bile. Seul le segment de canal d'admission 15 et sa zone 46 correspondant au côté de l'air frais ainsi que sa zone 48 correspondant au côté de la chambre de cylindre, doivent être adaptés au canal d'admission 14. Cela peut se faire par exemple par un simple accrochage des différentes zones ou segments puisque ces pièces sont réalisées en matière plastique et présentent une élasticité suffisante. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif à soupape, notamment pour la ré- injection de gaz d'échappement d'un moteur à combustion in- terne, pour mélanger des fluides, comprenant un siège de soupape fermant une entrée pour un premier fluide à l'intérieur d'un moyen de guidage d'un second fluide, une installation de manoeuvre du siège de soupape, mise en oeu- vre par dépression, et un moyen de commutation pour l'installation de manoeuvre, caractérisé en ce que le moyen de commutation (22) et l'installation de manoeuvre (26) forment un ensemble de montage. 2 ) Dispositif à soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation (22) et l'installation de manoeuvre (26) sont logés dans un boîtier commun (76). 3 ) Dispositif à soupape selon l'une des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (76) comprend une première zone (78) pour recevoir l'installation de manoeuvre (26) et une seconde zone (80) pour recevoir le moyen de commutation (22). 4 ) Dispositif à soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (76) fait corps avec un segment (15) d'un canal d'admission (14) pour guider le second fluide. 5 ) Dispositif à soupape selon l'une des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'un moyen de fermeture (couvercle à membrane 92) constitue en même temps une liaison de commutation entre l'installation de manoeu- vre (26) et le moyen de commutation (22). 6 ) Dispositif à soupape selon l'une des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le couvercle à membrane (92) comporte un conduit coudé (112) qui peut être couplé à un ajutage de raccordement (110) du moyen de com- mutation (22). 7 ) Dispositif à soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit coudé (112) comporte un orifice traversant (114) qui constitue une liaison à dépression (34) entre le moyen de commutation (22) et l'installation de manoeuvre (26). 8 ) Dispositif à soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit coudé (112) est appliqué par l'intermédiaire d'un élément d'étanchéité (116) contre l'ajutage de raccordement (110). 9 ) Dispositif à soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couvercle à membrane (92) et le conduit coudé (112) sont réalisés en une seule pièce. 10 ) Dispositif à soupape selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couvercle à membrane (92) et le conduit coudé (112) sont réalisés sous la forme d'une pièce en matière plastique in- jectée. 11 ) Dispositif à soupape selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice traversant (114) du conduit coudé (112) comporte des segments (120) de sections différentes. 12 ) Dispositif à soupape selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment (120) permet de régler un étranglement ou d'accentuer l'effet de dépression de l'installation de ma- noeuvre (26).