Brevet FR2767375A1 — publié le 19990219

La présente invention concerne une soupape électro-aimant, notamment pour soupapes d'admission et soupapes d'échappement de moteur à combustion interne, qui comprend un corps de bobine ferromagnétique, comportant un enroulement, une armature, qui est mobile dans le corps de bobine entre deux positions extrêmes et qui entraîne un obturateur de soupape, un ressort, qui prend appui entre l'armature mobile et un boîtier, et un dispositif de mesure servant à détecter la position de l'armature mobile. On connaît des entraînements électromagnétiques pour soupapes d'admission et soupapes d'échappement de moteurs à combustion interne. Contrairement à des soupapes commandées par arbre à cames, les soupapes à électro-aimant sont commandées à l'ouverture et à la fermeture par un dispositif de commande de moteur en fonction de la position angulaire du vilebrequin. L'entraînement à électro-aimant doit dans ce cas être en mesure d'exercer des forces importantes, notamment lors de l'ouverture d'une soupape d'échappement. La position extrême respective de la soupape à l'ouverture et à la fermeture doit constamment être atteinte d'une manière sûre. C'est pourquoi, dans de telles soupapes à électro- aimant, il est connu (EP 0 400 389) de faire varier l'alimentation en courant de l'enroulement d'électro- aimant en fonction de la course de soupape. Ainsi, l'enroulement d'électro-aimant reçoit, pendant une première phase, une valeur maximale de courant qui est soumise à une variation de fréquence déterminée entre des valeurs supérieure et inférieure d'amplitude. Dès que l'armature mobile se déplace et donc que l'entrefer entre cette armature et le corps de bobine ferromagnétique est réduit, l'inductance de l'enroulement, qui est mesurée et sert de mesure pour l'évolution de la course, croît, de sorte que, dans une seconde phase, la fréquence du courant d'excitation de l'enroulement est réduite, jusqu'à ce que la position extrême de la soupape soit atteinte, à la suite de quoi le courant de bobine est commuté sur un courant plus faible de maintien. Il s'agit donc, dans la commande connue de la soupape à électro-aimant, d'un circuit à courant d'accrochage qui commande l'enroulement en fonction de la course de la soupape de manière telle que cette soupape parvienne d'une manière fiable dans la position extrême sans rebondir et y soit maintenue. Par le brevet cité, il est connu aussi d'abaisser le courant à une valeur moyenne avant que la position extrême soit atteinte. La position d'armature mobile de la soupape peut aussi se constater à l'aide d'autres moyens. C'est ainsi qu'il est connu (EP O 493 634) d'utiliser un capteur optique de position pour constater la position d'une armature mobile qui se présente sous forme d'un disque d'armature mobile et qui actionne un robinet de gaz à deux voies, ou pour détecter la position au moyen de plusieurs capteurs optiques de position. L'utilisation de capteurs optiques de course est toutefois problématique en raison du risque d'encrassement, tandis que des capteurs de course magnétiques, tels que des capteurs Hall, fournissent des signaux de mesure imprécis, étant donné qu'il existe d'importantes perturbations électromagnétiques au voisinage de l'entraînement par électro-aimant. C'est pourquoi l'invention a pour but de permettre que la position de l'armature mobile sur la soupape à électro-aimant soit détectée d'une manière fiable et largement exempte de perturbations à l'aide de moyens simples. A cet effet, l'invention a pour objet une soupape à électro-aimant, du type générique défini en introduction, caractérisée en ce que le dispositif de mesure est un élément piézoélectrique qui est disposé entre le ressort et un appui côté boîtier et dont le signal de sortie dépend de la force élastique qui est associée à la position de l'armature mobile, la vitesse effective de celle-ci, qui est utilisée pour la régulation de sa vitesse, étant déduite de sa position. Ainsi, conformément à l'invention, la force électrique est mesurée au moyen d'un élément piézoélectrique et, au moyen des valeurs mesurées, la vitesse de l'armature mobile peut être déterminée et faire l'objet d'une régulation, au moyen du courant appliqué à l'enroulement, de façon telle que le comportement voulu de la soupape est obtenu. Si le ressort possède une caractéristique linéaire, la force élastique varie d'une manière linéaire proportionnelle par rapport à la position de l'armature mobile. Toutefois, dans le cas d'une évolution progressive de la force élastique, il est aussi possible de baser la régulation sur le signal délivré par l'élément piézoélectrique. Il est avantageux de mesurer dans les deux positions extrêmes de course de la soupape le signal de sortie fourni par l'élément piézoélectrique et de déterminer la position de l'armature mobile à partir des deux valeurs mesurées, une dépendance linéaire étant notamment supposée pour le signal piézoélectrique, et donc pour la position de l'armature, entre les deux valeurs extrêmes. Il est en outre possible de déterminer la position de l'armature mobile par le fait que le signal de sortie de l'élément piézoélectrique est mesuré à certains intervalles de temps et que la vitesse de l'armature est déterminée à partir de celui-ci, afin de réaliser avec ce signal une régulation du circuit servant à commander l'entrainement à électro-aimant de manière telle qu'une vitesse minimale d'impact de l'armature dans la position extrême chaque fois considérée soit obtenue. Il est par ailleurs possible de déterminer le jeu de soupape au moyen d'un élément piézoélectrique, en analysant le saut de force du ressort lorsque le jeu de soupape est vaincu. Deux éléments piézoélectriques, dont les signaux sont comparés l'un à l'autre, sont nécessaires à cet effet. La soupape à électro-aimant conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - la position de l'armature mobile est mesurée à des intervalles de temps préfixés et la vitesse de l'armature mobile est calculée à partir de celle-ci, - le saut de force du ressort se produisant une fois que le jeu de soupape a été vaincu est mesuré et le jeu de soupape est déterminé à partir de celui-ci, - le corps de bobine porte deux enroulements espacés entre lesquels peut se déplacer un disque d'armature mobile qui est repoussé dans la première position extrême par le premier ressort disposé entre l'armature mobile et le boîtier et dans la seconde position extrême par un second ressort côté obturateur, le disque d'armature mobile étant maintenu par les ressorts dans une position centrale tant que les enroulements ne sont pas sous tension, et, lors de l'excitation de l'enroulement côté armature mobile, la soupape se ferme et, lors d'une mise en action du ressort côté obturateur, la soupape s'ouvre, - pour détecter le jeu de soupape, un second élément piézoélectrique est prévu entre le ressort côté obturateur et son appui côté boîtier. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est exposé ci-après en détail à l'aide des dessins. On voit: à la figure 1, une coupe d'une soupape à électro- aimant dans laquelle sont montés deux éléments piézoélectriques et, à la figure 2, une représentation de la variation du courant, dans le cas d'un circuit à courant d'accrochage, pour une soupape à électro-aimant conforme à la figure 1. La figure 1 représente un entraînement électromagnétique 1 pour une soupape à surface d'obturation plane, ci-après "soupape à plateau", qui est constituée d'un plateau de soupape 2, présentant un siège de soupape 3, et d'une tige de soupape 4 qui est montée dans un guide côté boîtier 5 et est pourvue d'une pièce conique 6 à son extrémité supérieure. Le plateau de soupape est mobile entre deux positions extrêmes: dans une position extrême supérieure, la soupape est fermée et, dans une position extrême inférieure, ouverte. Un ressort 8 disposé entre le guide côté boîtier 5 et le cône de soupape 6 repousse le plateau de soupape dans la position de fermeture. L'entraînement à électro-aimant 1 est constitué d'un corps supérieur de bobine 10 ferromagnétique et d'un corps inférieur de bobine 12 ferromagnétique qui portent chacun un enroulement respectivement 14 et 16. Une tige d'armature mobile 17 est montée coulissante dans le corps supérieur de bobine 10, cette tige 17 comportant un disque d'armature mobile 18 qui est disposé entre les deux enroulements 14 et 16. Les faces frontales 19 et 20 des deux corps de bobine 10 et 12 qui font face au disque d'armature 18 constituent des butées pour ce disque 18 et définissent ainsi les positions extrêmes supérieure et inférieure de la soupape dans lesquelles elle est respectivement ouverte et fermée. Un autre ressort 22 est disposé entre l'armature mobile 17 et une butée côté boîtier 24 et il repousse l'armature mobile vers la position d'ouverture du plateau de soupape 2. Le disque d'armature 18 prend appui sur la tige de soupape 4. Tant que les enroulements 14 et 16 ne sont pas sous tension, le disque d'armature 18 est maintenu par les deux ressorts 18 et 22 dans la position centrale, entre les deux butées 19 et 20, ainsi que cela est représenté au dessin. Les deux enroulements 14 et 16 sont alimentés chacun en courant, respectivement par des circuits d'attaque 26, 27 qui sont commandés pas un circuit de régulation 28. Un premier élément piézoélectrique 30 est monté entre l'appui côté boîtier 24 et le ressort 22, cet élément piézoélectrique mesurant la force du ressort 22 lorsque l'enroulement inférieur 16 est alimenté en courant, pour ouvrir la soupape, ou lorsque l'enroulement supérieur 14 est alimenté en courant pour fermer la soupape. Le signal de sortie de l'élément piézoélectrique 30 est envoyé au circuit de régulation 28 et sert à assurer la régulation de la vitesse d'impact du disque d'armature 18 sur les corps de bobine respectivement 10 et 12, à savoir sur les butées respectivement 19 et 20, d'une manière telle que la soupape soit amenée rapidement et d'une manière fiable dans la position extrême considérée sans rebondir et y soit maintenue. Avec l'élément piézoélectrique 22, il est ainsi possible de déterminer la position occupée à chaque instant par l'armature mobile et donc par la soupape, et ainsi l'évolution de course et donc la vitesse de l'armature. Un second élément piézoélectrique 32 est monté entre le ressort côté soupape 8 et le guide de soupape côté boîtier 5 et il mesure ainsi la force de ce ressort côté soupape 8. Si la soupape doit être commutée en position d'ouverture, il se produit un saut de force sur le ressort côté soupape 8, dès que le jeu de soupape a été vaincu et que le ressort 8 est comprimé alors que l'obturateur s'éloigne du siège de soupape. Le saut de force se présente aussi lors de la fermeture, lorsque le plateau de soupape tombe sur le siège de soupape et que l'action de la force du ressort 8 disparaît. Ce saut de force est détecté par l'élément piézoélectrique 32 et le signal de sortie de celui-ci est comparé au signal de l'élément piézoélectrique côté entraînement 30, lorsque celuici indique que le disque d'armature 18 est dans l'une des deux positions extrêmes. Le jeu de soupape peut ainsi être déterminé à l'aide de la comparaison des deux signaux. Cela est avantageux pour l'exécution d'opérations nécessaires de réglage. En revanche, si une compensation hydraulique du jeu de soupape est prévue, la détermination de ce jeu de soupape et donc l'élément piézoélectrique côté soupape 32 peuvent être omis. La figure 2 représente la variation du courant dans un enroulement 14 ou 16, laquelle variation est réglée par le circuit de régulation 28, afin de commuter la soupape d'une manière fiable dans chaque fois l'autre position extrême, sans rebondir, au moyen d'un circuit à courant d'accrochage. A cet effet, le courant de maintien maintenant l'armature mobile dans la position extrême considérée est coupé, de sorte que l'armature est mise en mouvement, par le ressort correspondant qui se détend, vers l'autre position extrême. Lorsque l'armature mobile parvient alors au voisinage de l'autre butée 19 ou 20, ce qui est mesurable au moyen de la modification de force du ressort 22 par l'élément piézoélectrique 30, l'enroulement 14 ou 16 associé est alors traversé par le courant d'accrochage il. Ce courant il est maintenu, par une action répétée, au niveau de courant d'accrochage, ainsi qu'on peut le voir à la figure 2. Lorsque le disque d'armature 18 vient reposer sur la butée respectivement 19 ou 20, l'enroulement associé peut alors être commuté sur le courant de maintien i2 plus faible qui suffit à maintenir durablement le disque 18 et donc la soupape dans la position extrême considérée. Lors de la coupure du courant de maintien, le disque d'armature 18 et la soupape retournent dans la position centrale représentée. REVENDICATIONS 1. Soupape à électro-aimant, notamment pour soupapes d'admission et soupapes d'échappement de moteur à combustion interne, qui comprend: un corps de bobine (10, 12) ferromagnétique comportant un enroulement (14, 16), une armature qui est mobile dans le corps de bobine entre deux positions extrêmes et qui entraîne un obturateur de soupape, un ressort (22) prenant appui entre l'armature mobile et un boîtier et un dispositif de mesure servant à détecter la position de l'armature mobile, caractérisée en ce que le dispositif de mesure est un élément piézoélectrique (30) qui est disposé entre le ressort (22) et un appui côté boîtier (24) et dont le signal de sortie dépend de la force élastique qui est associée à la position de l'armature mobile, la vitesse effective de celle-ci, qui est utilisée pour la régulation de sa vitesse, étant déduite de sa position. 2. Soupape à électro-aimant suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la position de l'armature mobile est mesurée à des intervalles de temps préfixés et la vitesse de l'armature mobile est calculée à partir de celle-ci. 3. Soupape à électro-aimant suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le saut de force du ressort se produisant une fois que le jeu de soupape a été vaincu est mesuré et le jeu de soupape est déterminé à partir de celui-ci. 4. Soupape à électro-aimant suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le corps de bobine (10, 12) porte deux enroulements (14, 16) espacés entre lesquels peut se déplacer un disque d'armature mobile (18) qui est repoussé dans la première position extrême par le premier ressort (22) disposé entre l'armature mobile et le boîtier et dans la seconde position extrême par un second ressort côté obturateur (8), le disque d'armature mobile (18) étant maintenu par les ressorts (8, 22) dans une position centrale tant que les enroulements ne sont pas sous tension, et en ce que, lors de l'excitation de l'enroulement côté armature mobile (14), la soupape se ferme et, lors d'une mise en action du ressort côté obturateur (8), la soupape s'ouvre. 5. Soupape à électro-aimant suivant la revendication 4, caractérisée en ce que, pour détecter le jeu de soupape, un second élément piézoélectrique (32) est prévu entre le ressort côté obturateur (8) et son appui côté boîtier (5).