Brevet FR2783631A1 — publié le 20000324

I ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE, NOTAMMENT POUR SOUPAPE L'invention concerne les actionneurs électromagnétiques destinés à déplacer en translation un organe pour l'amener dans l'une ou l'autre de deux positions déterminées. Elle trouve une application particulièrement importante dans la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne, à allumage par étincelles ou par compression. A l'heure actuelle, les soupapes de la plupart des moteurs à combustion interne sont actionnées par un arbre à cames entraîné par le moteur. Cet arbre à cames ne permet pas d'ajuster l'ouverture et la fermeture des soupapes aisément. La vitesse d'ouverture et de fermeture des soupapes commandée par l'arbre à cames sont faibles lorsque le moteur est à bas régime, notamment au démarrage, ce qui est défavorable au remplissage des chambres de combustion. On a déjà proposé des actionneurs électromagnétiques permettant d'écarter certains des inconvénients ci-dessus. On peut notamment citer ceux décrits dans le document US 4 614 170. L'invention vise notamment à fournir un actionneur électromagnétique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, en particulier du fait que l'encombrement peut en être réduit par le fait qu'un seul organe de rappel intervient pour déterminer la fréquence de résonance. Dans ce but, l'invention propose notamment un actionneur comprenant: - une palette en matériau ferromagnétique fixée à l'organe de fermeture à commander, par exemple à une queue de soupape, - un ressort de rappel unique dont une extrémité est fixée à l'organe et l'extrémité opposée est solidarisée d'un ancrage fixe, ledit ressort étant prévu pour maintenir au repos ledit organe dans une position déterminée, sensiblement médiane, entre deux positions extrêmes de travail, - un premier électro-aimant à noyau ferromagnétique placé d'un côté de la palette et dont l'excitation attire la palette dans un sens tendant à amener l'organe dans une des positions extrêmes en étirant le ressort de rappel, - un second électro-aimant placé de l'autre côté de la palette et dont l'excitation tend à amener l'organe dans l'autre position extrême en comprimant le ressort de rappel, ladite position extrême correspondant à l'appui de la palette contre le noyau ferromagnétique. Dans l'application de l'actionneur à la commande d'une soupape, le premier électro-aimant tendra généralement à amener la soupape dans sa position de fermeture tandis que le second électro-aimant, qui provoque la compression du ressort, tend à amener la soupape dans une position de pleine ouverture. Le terme "ressort de rappel" doit être interprété comme couvrant également le cas de deux ressorts placés en parallèle, l'un à l'intérieur de l'autre, pour des raisons de sécurité. Dans le cas d'un actionneur de soupape, la queue de soupape sera généralement fixée à la palette et au ressort par des moyens lui permettant de tourner autour de son axe, afin de permettre à la soupape de tourner et de garantir un rodage d'étanchéité. Afin que la soupape puisse s'appuyer sur son siège en position de fermeture tout en permettant à la palette de s'appliquer contre le noyau du premier électro-aimant, ce noyau est avantageusement monté dans un boîtier fixé à la culasse du moteur (ou directement dans la culasse) par l'intermédiaire d'un amortisseur élastique à faible élongation, susceptible de se comprimer pour permettre au noyau de venir s'appuyer contre la palette lorsque cette dernière arrive dans la position correspondant à la fermeture de la soupape. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 montre un actionneur de soupape selon un premier mode de réalisation, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la soupape; - les figures 2 et 3 montrent des variantes de réalisation; - la figure 4 est un chronogramme de fonctionnement. L'actionneur 10 montré en figure 1 constitue un ensemble destiné à être monté sur la culasse 12 d'un moteur. Il comporte un boîtier constitué de plusieurs pièces 14, 16 et 18 empilées et assemblées par des moyens non représentés, tels que des vis. Ces pièces sont en matériau non ferromagnétique, par exemple en alliage léger. Le boîtier est fixé sur la culasse 12 par l'intermédiaire d'une cale 20 également en matériau non ferromagnétique, dont le rôle apparaîtra plus loin. L'actionneur comporte une palette 22 en matériau ferromagnétique, fixée sur l'extrémité de la queue de la soupape 24. Souvent la palette sera de forme rectangulaire, de sorte qu'elle ne peut pas tourner dans la pièce 16, dont la hauteur est suffisante pour permettre le débattement de la soupape entre une position de fermeture et une position de pleine ouverture. Pour que la soupape puisse tourner, elle est fixée à la palette 22 par des moyens constituant pivot, formés par exemple par une bague 25 en matériau à faible coefficient de frottement. La queue de soupape peut être guidée par une autre bague 26 fixée à l'intérieur de la pièce 18, de forme annulaire. Un ressort de rappel 28 est prévu pour maintenir la soupape dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et une position de pleine ouverture lorsqu'il est à l'état libre. Une des extrémités de ce ressort 28 est fixée à la queue de soupape par une liaison à pivot, représentée sous forme d'une pince 30 emprisonnée dans une gorge de la queue de soupape. L'autre extrémité du ressort est destinée à être fixée à la culasse. Dans le cas illustré sur la figure 1, cette extrémité est emprisonnée dans une seconde pince 32, fixée au fond du puits de soupape ménagé dans la culasse. Une cale 34, dont le rôle apparaîtra également plus loin, peut être prévue entre la pince 32 et le fond du puits. Elle permet de positionner la soupape de façon précise à sa position de repos, lorsque le ressort 28 est détendu. Un premier électro-aimant, destiné à amener la soupape en position de fermeture, est placé dans la pièce 14. Il comprend un noyau en matériau ferromagnétique 36, avantageusement feuilleté, et une bobine 38 placée dans la pièce 14. Un amortisseur élastique tend à maintenir le noyau 36 dans la position o il est représenté sur la figure 1, en butée contre un rebord interne de la pièce 14. En se comprimant, cet amortisseur 40 permet au noyau 36 de se rapprocher de la palette 22. Un second électro-aimant, destiné à amener la soupape en position de pleine ouverture, comporte un noyau ferromagnétique 42, également feuilleté en général, et une bobine 44, l'un et l'autre placés dans la pièce 18. Les noyaux peuvent, comme la palette, avoir une forme générale rectangulaire. La cale 34 a notamment pour but d'autoriser un ajustage de la position de repos de la soupape 24. Par un choix approprié de l'épaisseur de la cale 20, l'actionneur est placé par rapport à la palette de façon telle que cette dernière soit au repos au milieu de l'intervalle qui sépare les noyaux 36 et 42. On minimise ainsi la consommation d'énergie requise pour le fonctionnement de la soupape. L'amortisseur 40 permet tout à la fois d'assurer l'étanchéité de la soupape de diminuer la consommation électrique en permettant à la palette de s'appliquer contre le noyau 36 (donc d'annuler l'entrefer) et de réaliser un amortissement réduisant les claquements à la fermeture. L'ensemble soupape-ressort constitue un système oscillant excité d'abord par alimentations périodiques alternées des électro-aimants, à une fréquence proche de la présence propre du système pour amener au bout de quelques oscillations la soupape dans la position extrême souhaitée, puis retenu dans les positions extrêmes par alimentation alternée des électro-aimants. Le processus d'amenée dans la position extrême peut être similaire à celui décrit dans le document US-A-4 614 170 auquel on pourra se reporter. La figure 4 ne donne en conséquence que quelques indications sur le processus de démarrage. L'une des bobines, 38 par exemple, est tout d'abord alimentée pendant une durée correspondant au quart de la fréquence propre et provoque un déplacement de faible amplitude de la palette. L'autre bobine est ensuite alimentée pendant une demi-période, ce qui provoque une augmentation de l'élongation. A l'instant t1, une demi-période plus tard, la palette atteint son amplitude maximale dans le sens de la fermeture et le noyau 36 vient se coller sur elle. A l'alternance suivante, la palette vient dans l'autre position extrême, à l'instant t2. Ultérieurement, le maintien à l'état de fermeture peut être assuré, pendant l'intervalle de temps dt, avec un courant réduit. L'invention est susceptible de nombreux modes de réalisation. La figure 2, o les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, décrit une réalisation dans laquelle l'actionneur est intégré à la culasse, qui est alors constituée en matériau non ferromagnétique. La constitution de la figure 2 permet de réduire le nombre de pièces et d'assurer un meilleur refroidissement, du fait de la circulation de liquide de refroidissement dans la culasse. Le dispositif est plus compact et plus rigide. En contrepartie, l'assemblage devra généralement se faire sur la ligne de fabrication. On retrouve, dans le mode de réalisation de la figure 2, la palette et les électro-aimants du mode de réalisation de la figure 1. Mais le boîtier se réduit alors à une seule pièce 50 qui contient la bobine 38 et le noyau 36 et qui supporte le ressort 40. La fonction de la cale 20 du mode de réalisation de la figure 1 est remplie ici par une cale 52 interposée entre le noyau 42 et le fond d'un chambrage de la culasse. Une plaque de fermeture 56 retenue par des vis 58 maintient l'ensemble des éléments fixes dans le chambrage de la culasse. L'actionneur de la figure 3 se différencie de celui de la figure 2 par le fait que l'ensemble des bobinages et des noyaux peut se déplacer vers le bas en comprimant un amortisseur élastique 40. Pour permettre ces déplacements en bloc, l'actionneur de la figure 3 comporte, comme celui de la figure 1, un boîtier constitué de trois pièces assemblées 14, 16 et 18. REVENDICATIONS 1. Actionneur électromagnétique d'organe de fermeture, comprenant une palette (22) en matériau ferromagnétique fixée à l'organe à commander, un ressort de rappel unique (28) dont une extrémité est fixée à l'organe et l'extrémité opposée est solidarisée d'un ancrage fixe, ledit ressort étant prévu pour maintenir au repos ledit organe dans une position déterminée, sensiblement médiane entre deux positions extrêmes de travail dont une position de fermeture, un premier électro-aimant à noyau ferromagnétique (36) placé d'un côté de la palette et dont l'excitation attire la palette dans un sens tendant à amener l'organe dans une des positions extrêmes en étirant le ressort de rappel, un second électro-aimant placé de l'autre côté de la palette et dont l'excitation tend à amener l'organe dans l'autre position extrême en comprimant le ressort de rappel, ladite autre position déterminée correspondant à l'appui de la palette contre le noyau ferromagnétique. 2. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel l'organe est une soupape (24), caractérisé en ce que le premier électro- aimant tend à amener la soupape dans sa position de fermeture tandis que le second électro-aimant, qui provoque la compression du ressort, tend à amener la soupape dans une position de pleine ouverture. 3. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le noyau (36) du premier électro-aimant est monté dans un boîtier (14,16,18) fixé à la culasse du moteur ou monté directement dans la culasse par l'intermédiaire d'un amortisseur élastique (40) à faible élongation, susceptible de se comprimer pour permettre au noyau de venir s'appuyer contre la palette lorsque cette dernière arrive dans la position correspondant à la fermeture de la soupape. 4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé par une cale de réglage interposée entre le boîtier (14,16,18) et la culasse. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la queue de soupape est fixée à la palette (22) et au ressort (28) par des moyens lui permettant de tourner autour de son axe. 6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que le ressort (28) est relié à l'ancrage fixe par l'intermédiaire d'une cale d'ajustage de la position de repos de l'organe. 7. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les noyaux et les bobines des électro-aimants sont montés dans un boîtier (14,16,18) placé dans un chambrage de culasse et retenu par une plaque de fermeture (56) et en ce qu'un amortisseur élastique (40) est comprimé entre le boîtier et le fond du chambrage.