Brevet FR2808838A1 — publié le 20011116

La présente invention concerne un dispositif de commande des soupapes des moteurs thermiques, en particulier les moteurs de véhicules terrestres, programmable à volonté, permettant 1- le démarrage sans nécessité l'utilisation du moteur - démarreur traditionnel 2- l'optimisation du rendement de combustion 3- la diminution des résidus de combustion polluants, 4^ un bruit rayonné minimum 5- une fatigue des pièces en mouvement parfaitement calculable et donc une endurance exceptionnelle. Actuellement, (figure 1) la commande des soupapes s'effectue par une chaine cinématique synchrone (1) souvent constitué d'une courroie crantée et de 2 pignons assurant un rapport transmission de 1l2, liant la rotation du moteur et la rotation d'un arbre à cames commandant la levée des soupapes (2) poussées à la fermeture par des ressorts hélicôidaux(3) et des poussoirs ajustés (4) d'une fiabilité éprouvée par 100 ans de pratique industrielle. commande électronique intelligente nécessite d'améliorer cette technique: L'adoption de la commande électronique de l'allumage et de l'injection de carburant a déjà amelioré le rendement, la souplesse de fonctionnement, l'endurance, la fiabilité et réduit la pollution. L'utilisation de soupapes à commande électronique, non synchrones et à ouverture et fermeture modifiables en course et en vitesse reste le dernier pas technologique à franchir, obtenir un moteur thermique à fonctionnement totalement intelligent, c'est à dire entièrement commandé par les données du fonctionnement thermodynamique cyclique et dynamique requis par l'optimisation et utilisant les moyens de la commande et du calcul numérique. Cette technique permet le lancement du moteur par ignition d'un mélange de combustible et comburant injecté dans le cylindre pour lequel les positions du maneton et du piston sont optimaux, comme cela se pratique depuis longtemps pour le lancement des moteurs de grande puissance. La figure 2 représente une première solution de commande de soupape utilisant 2 électroaimants (5) et (6) et 2 ressorts antagonistes (7) et (8), une palette (9) attirée alternativement par chaque électroaimant jusqu'à l'obtention de son collage sur un électroaimant puis sur l'autre. L'énergie mécanique est transférée d'un ressort à l'autre, l'énergie fournie les électroaimants équilibrant les pertes par frottement et les efforts hydrcxlynamiques des gaz. Cette disposition présente plusieurs inconvénients: 1- la vitesse de déplacement n'est pas contrôlée et la course se termine par 2 chocs importants générateurs de dégradations irréversibles. Le peu d'endurance de ce type de dispositif risque de ne pas être compatible avec la durée de vie exigée par les constructeurs les utilisateurs. 2- en cas d'avarie du dispositif électronique de commande, le point de repos se situant soupape à demi ouverte peut causer de graves avaries mécaniques par interférence avec le mouvement du piston. 3- l'obligation d'une période transitoire d'oscillations d'accumulation d'énergie ne permet pas un lancement sans démarreur le système ne permet pas la modulation de la course d'ouverture des soupapes en fonction . paramètres de vitesse, combustion, et accélération voulues. dispositif selon l'invention apporte une solution à tous ces inconvénients et fournit d'autres avantages importants: - fonctionnement dynamique est contrôlé, donc les efforts et la fatigue sont limités et parfaitement calculés. 2- démarrage immédiat sans lanceur est solutionné: régime dit de ralenti des véhicules terrestres n'a plus lieu d'exister - l'ouverture, la fermeture, la durée, la course du mouvement de la soupape sont commandables: toutes les lois de commande sont permises, en fonction de la vitesse instantanée, du couple demandé, de l'accélération voulue, et de la limitation la consommation et de la pollution. - dispositif selon l'invention utilise tous les composants de la cinématique de commande des soupapes, connue et depuis longtemps fiabilisée ce qui limite les risques financiers commercialisation comprend les 6 sous ensembles fonctionnels suivants: I- un arbre (10) mis en rotation selon l'une des 4 configurations suivantes, soit (figure 3) première configuration: (figure 3 a) par une chaîne cinématique (11) synchrone de la rotation du moteur, identique au mouvement de l'arbre à cames traditionnel mais dont la vitesse de rotation est égale ou supérieure à la vitesse de rotation du moteur deuxième configuration: (figure 3 b) par un moteur auxiliaire électromagnétique (12) qui entraîne l'arbre à une vitesse constante troisième configuration: (figure 3 c) par un moteur auxiliaire électromagnétique (13) qui n'entraîne l'arbre que pendant la période de démarrage, et qui est désaccouplé dès que la vitesse de rotation du moteur thermique est suffisante, la rotation de l'arbre étant alors assurée par une chaîne cinématique synchrone identique au premier cas ci-dessus. La séquence de passage s'effectuant par les moyens connus des embrayages centrifuges quatrième configuration: (figure 3 d) par un moteur électromagnétique (14) qui n'entraîne l'arbre que pendant la période de démarrage, mais qui, dès que la vitesse de rotation du moteur principal est suffisante, est entraîné par une chaîne cinématique synchrone identique à la première configuration, et se transforme alors en générateur d'énergie électrique. Cette dernière configuration condense en un seul auxiliaire les fonctions de démarreur et d'alternateur, tout en apportant le soutien énergétique au fonctionnement du dispositif selon l'invention. 2- par soupape ou groupe de soupapes agissant en parallèle commander un embrayage électromagnétique et une came (figure 4 et figures 8, 9, 10, La figure 4 est une coupe selon l' axe général du moteur thermique, les figures 8, 9, 10 et 11 sont coupes simplifiées perpendiculaires à l'axe de rotation. Chaque embrayage électromagnétique se compose de un disque en matériau ferromagnétique doux (15) libre en rotation translation centré sur l'arbre un 'lectroaimant de structure torôidale (16), fixé rigidement au bâti moteur (17) ou à la culasse ou plus généralement sur une partie solidaire du bâti moteur et attirant le disque ci dessus lorsqu'il est commandé. Les distances séparant disque et électroaimant sont de l'ordre de 0,5 mm ce qui est une configuration économiquement optimale pour l'exploitation des performances attractives de l'électroaimant aux moindres coûts. une butée mobile (18), entraînée par l'arbre dans sa rotation, mais pouvant coulisser latéralement, ceci grâce, par exemple, à des cannelures (19) prévues à cet effet sur l'arbre. Cette butée est en contact direct avec le disque ferromagnétique et est donc déplacée latéralement dès que le disque est attiré par l'électroaimant. Elle vient alors au contact de 2 ou plusieurs rouleaux coniques (20) tournant librement sur leur axe (21) solidaire de la came (22) de commande de soupape, ladite came tournant et glissant librement sur le palier (23) supportant l'arbre par l'intermédiaire de 2 coussinets demi-cylindriques (24) d'un type connu en construction mécanique, et concentrique à celui-ci. Cette mise en contact, provoquée par l'effort généré par l'électroaimant amène les rouleaux (20) au contact de la partie fixe (25), ce qui déclenche immédiatement la rotation de la came qui ne s'arrêtera que lorsque l'équilibre des énergies, potentielles, cinétiques et de frottement sera obtenu. 3- par came, un ressort de transfert d'énergie et ses accessoires chaque ressort (26) accumule l'énergie cinétique de la came lors de la fermeture de la soupape, pour la restituer lors de la séquence d'ouverture. 4- un dispositif de mesure de la position angulaire de la carie II comprend lié à la came, un codeur angulaire (27), analogique ou numérique et, lié au bâti, un lecteur ou capteur (28) soit numérique soit analogique qui indique la position angulaire instantanée de la came (22) 5- une soupape (ou plusieurs) avec son (leurs) ressorts) (30) de rappel, son (leurs) poussoir(s) (31) et tous les accessoires de liaison conventionnels attachés à ce type de cinématique cette disposition commune du domaine public n'a pas à être décrite 6- un dispositif de commande électronique et numérique, (figure 5) regroupant la commande de toutes les soupapes comprenant un calculateur numérique (32), recevant ses informations du calculateur central (33) du moteur thermique, ce calculateur décidant des délais d'ouverture et de fermeture, de la course des soupapes, et de l'angle de calage et des informations provenant de l'ensemble des capteurs moteur (49). Le calculateur de commande de soupapes est chargé de mesurer à chaque instant la position de chaque came (22), par l'intermédiaire du codeur (27) et du capteur (28), de moduler l'effort appliqué au disque par l'intermédiaire du courant électrique délivré à l'électroaimant (16), afin d'assurer les modes de fonctionnements intelligents non limitatifs ci-dessous explicités. Un bloc électronique (34) de puissance traduit les ordres du calculateur en un courant électrique délivrant force désirée. Les calculateurs d'injection et d'allumage (pour les moteurs à allumage commandé) sont repérés (50) et (51) figure 5. Explication du fonctionnement du dispositif selon l'invention: Le dispositif selon l'invention utilise 2 sources d'énergies: d'une part l'énergie mécanique fournie par la rotation d'un arbre entraîné par un moyen extérieur et d'autre part l'énergie électromagnétique, qui commande et contrôle l'énergie mécanique mais qui ne peut apporter seule l'énergie nécessaire. L'explication suivante du fonctionnement suppose l'arbre (10) anime d'une vitesse suffisante, et telle qu'elle assure la vitesse désirée de commutation des soupapes. Elle décrit le cycle d'ouverture et de fermeture d'une soupape (29), ainsi que les conséquences dues à une coupure du circuit de commande, aléa particulièrement fréquent. On suppose l'ensemble graissé convenablement selon les moyens communément utilisés. Fonctionnement de l'embrayage en régime permanent: Le commentaire suivant fait référence aux figures 4,5,6,7,8,9,10, 11 La figure 4 est une coupe selon l'arbre d'un dispositif de commande d'une soupape. La figure 5 représente l'organisation d'un système de contrôle La figure 6 représente 3 schémas explicatifs du fonctionnement de l'embrayage par rouleaux coniques La figure 7 est une coupe semblable à la coupe 4, mais l'embrayage est activé La figure 8 représente une vue schématique du dispositif en position soupape fermée La figure 9 représente une vue schématique du dispositif en position soupape ouverte La figure 10 représente une vue schématique du dispositif au repos après coupure intempestive de la commande électromagnétique, soupape quasi fermée. C'est la position dite de sécurité. La figure 11 représente une version de came à 3 bosses et 3 rouleaux. La figure 12 est le diagramme temporel décrivant le mouvement cinématique d'une soupape Au repos, les composants constituant un embrayage se trouvent dans les conditions suivantes: l'électroaimant (16) n'est pas excité. Le disque (15), monté fou sur l'arbre (10) ou sur la butée mobile (18) tourne à une vitesse quelconque. La butée mobile (18) tourne toujours à la vitesse de l'arbre (10). Elle est d'une part contact avec le disque (15) et d'autre part légèrement écartée du contact des rouleaux (20), l'ecartement étant provoqué par le film d'huile (figure 6 indice a) présent à la surface des rouleaux (20). La came (22) est supposée en position soupape (29) fermée, donc d'une comprimant le ressort de transfert d'énergie (26), au travers de son poussoir (35) et d'autre part contact juste glissant ou légèrement distante du poussoir (31) du ressort (30) de soupape, celle-ci étant fermée. Les rouleaux (20) ne tournent pas et sont au contact du bâti (17) sur la butée fixe ('15) au travers d'un léger film d'huile. Dès qu'un courant électrique parcourt le bobinage de l'électroaimant (16), le disque (15) est attiré. La force d'attraction est une fonction du courant et de l'entrefer entre électroaimant (16) et disque (15). Des méthodes numériques ou analogiques permettent d'assurer le contrôle de cette force. Dans un premier temps, la force provoque le déplacement de la butée mobile (18) qui vient réduire les épaisseurs des films d'huile entre butée mobile (18) et rouleaux (20) et entre rouleaux (20) et butée fixe (25). Cette réduction augmente le coefficient de frottement qui passe de quelques millièmes (--0,001) à quelques dixième (--0,1) (figure 6 indice b). Cela créé un couple moteur qui tend à entraîner la came (22) en rotation, mais qui n'est pas suffisant pour vaincre les frottements des 2 poussoirs (31) et (35) et de l'axe sur cette came (22) et donc mouvoir la came. Lorsque la force d'attraction s'accroît, les films d'huile ci-dessus disparaissent et le frottement de glissement fait place à un roulement au fonctionnement physique très différent, utilisé dans les roulements à billes ou à rouleaux (figure 6 c). Ce nouvel état provoque une brutale élévation du coefficient de frottement qui passe alors à 0,5 voire 1 ou plus. I1 provoque alors une accélération brutale du mouvement de la came (2) qui se trouve entraînée à une vitesse moitié de la vitesse de 1`arbre(10). Ceci correspond à la première partie de la zone temporelle A figure 12. pour accélérer la transition entre l'état de frottement fluide et l'état de roulement, les rouleaux peuvent comporter, si nécessaires des stries cylindriques accélérant la destruction du film d'huile Dans un second temps, l'excitation de l'électroaimant (16) est coupée ou réduite. Le régime de roulement s'arrête instantanément et la came (22) continue sa révolution, mue par sa propre énergie cinétique, et par l'énergie due à la détente du ressort de transfert d'énergie (26). Ceci correspond à la seconde partie de la zone temporelle A figure 12. Dans un troisième temps, le mouvement de la came (22) s'arrête. La soupape (29) est ouverte, mais le point d'arrêt est instable, car la réaction du poussoir (31) de ressort de soupape (3(>) tend à inverser le mouvement de ladite came. Tous ces déplacements sont mesurés instantanément par le capteur de rotation (28). Dès qu'une inversion du sens de rotation est constatée, le calculateur (32) ordonne une nouvelle excitation de l'électroaimant (16) proportionnelle au mouvement désiré. L'ouverture de la soupape (29) est donc constitué d'une suite d'allers-retours qui entretiennent le film d'huile entre le poussoir (31) et la came (22). Ceci correspond à la zone temporelle B figure 12. Ce mode de fonctionnement permet, en cas de rupture de la commande électronique qui se traduit par l'impossibilité de commander l'électroaimant (16) de ramener la soupape (29) en position de quasi fermeture et d'éviter ainsi toute détérioration par interférence avec le mouvement du piston (non représenté) Dans un quatrième temps, lorsque la décision de fermeture est prise par le calculateur (32), l'embrayage est de nouveau sollicité comme lors du premier temps ci dessus, puis coupé dès que l'énergie cinétique, augmentée de l'énergie de détente du ressort de soupape (30) est suffisante pour vaincre les énergies de frottement, de compression du ressort dit de transfert d'énergie (26) et de laminage des gaz. Afin de s'assurer de ne pas dépasser le point de fermeture, le calculateur (32) minore le temps d'action de l'électroaimant (16), puis, en fonction des informations délivrées par le capteur de rotation (28) ajoute l'impulsion de force juste nécessaire pour conclure le cycle du mouvement. Ceci correspond à la zone temporelle C figure 12. 2: fonctionnement de l'embrayage en régime transitoire: Lorsque la vitesse du moteur thermique évolue rapidement, comme c'est le cas des moteurs des voitures automobiles, ou lorsque la viscosité de l'huile de graissage change, par exemple au cours des instants suivant le démarrage, les durées et les dates de début d' initialisation des électroaimants (16) varient rapidement et de manière importantes. Le calculateur (32) en ces cas, tient compte des résultats des commandes précédentes et des informations fournies par le calculateur central (33) pour prédire selon des algorithmes connus, les nouvelles durées, les nouvelles forces et les nouvelles dates initiales des commandes de soupapes du cycle suivant. De même, l'ouverture de la soupape (29) peut être limitée à une valeur prédéterminée, pour, par exemple tenir compte d'une optimisation temporaire des rendements et de la combustion. 3: fonctionnement du moteur d'entraînement de l'arbre: Selon l'invention, lorsqu'elle est utilisée pour le démarrage du moteur thermique, par l'intermédiaire d'un moteur auxiliaire (12) ou (13) ou (14), le flux d'air d'évacuation du ventilateur de refroidissement de ce dernier est conduit à l'intérieur des canalisations d'admission d'air du moteur thermique, afin d'assurer la ventilation par de l'air pur des cylindres et ainsi d'assurer un démarrage optimal sans aléas qui pourrait sinon générer une combustion incomplète et donc polluante. 4: fonctionnement de la commande La commande des électroaimants (16) s'effectue par des moyens connus développés pour le contrôle actif des actionneurs électromagnétiques. Les algorithmes de commande du calculateur (32) tiennent compte des exigences découlant des progrès scientifiques et techniques concernant la thermodynamique des moteurs thermiques La description suivante, non limitative, correspond une application du concept un moteur 3 cylindres en ligne. La figure 13 présente une coupe de la commande de distribution des 3 cylindres, la figure 14 étant une coupe transversale. La figure 15 représente schématiquement le dispositif de ventilation des cylindres en phase de démarrage. Cet ensemble représente une distribution selon l'invention, l'arbre (10) étant entraîné par un moteur - alternateur (36) entraîné par la poulie 37 dès que le moteur thermique a acquis une vitesse de rotation suffisante. Le disque (15) est constitué d'un matériau ferromagnétique doux du type AFK 102 ou autre matériau robuste à forte induction à saturation (2 tesla) et à faible conductivité électrique, et de très faible induction rémanente, ce qui réduit ainsi la masse en mouvement et ne nécessitent pas le feuilletage destiné à limiter les courants de Foucault. Pour réduire les coûts, un seul disque est utilisé pour activer 2 soupapes lorsque cela est possible comme le font les disques (38). Les culasses des électroaimants (39) sont économiquement réalisées à partir de fer fritté qui ne nécessite que très peu de reprises d'usinage, et conservent leurs qualités magnétiques à fréquence élevées, ce qui est obligé pour obtenir des impulsions mécaniques rapides. Les matériaux de base des butées fixes (40) et mobiles (41) ainsi que des rouleaux (20) sont des aciers à roulement type 100C6 (AISI 52 100) ou 80DCV 40 (AISI M 50), ou tout autre matériau de grande dureté superficielle et peu sensible au fretting. Les parties coniques des butées et des rouleaux ont un angle au sommet tel qu'elles assurent un roulement selon une génératrice du cône sans glissement. Cette description non limitative utilise des cames dites à simples bosses (42) allégées de façon à présenter un moment d'inertie minimum. Une conception à base d'alliage fritté rend ces pièces peu coûteuses. Des cames à 2 ou 3 bosses ou plus (figure 11) peuvent être adoptées. Le choix de 3 rouleaux assure d'ailleurs un excellent centrage. Les demi coussinets (43) et (44) ont un diamètre extérieur supérieur au diamètre extérieur des cannelures (19) de l'arbre (10). Cette configuration permet un empilage de l'ensemble des pièces, fixées par 3 ou 4 tirants d'assemblage (45) dont un seul est en partie visible. Les capteurs (28) sont, dans cette description constitués de capteurs de distance à induction. Tout autre procédé est applicable pourvu qu'il assure une précision de mesure angulaire suffisant, pour ne pas générer un hystérésis perturbant. Le codeur angulaire est constitué d'une spirale massive directement venue de frittage avec la came (42). Cette spirale croit continûment de 0 360 . La figure 15 montre schématiquement le circuit d'air de ventilation comportant la durite (46) réunissant la sortie d'air de refroidissement du moteur alternateur à l'entrée du filtre à air (47), un volet mobile (48) évitant le refoulement de l'air vers l'extérieur, à l'entrée du filtre. La figure représente le volet en position démarrage, l'air étant alors soufflé par le moteur. REVENDICATIONS 1) Dispositif de commande de soupapes caractérisé en ce qu'il utilise simultanément l'énergie mécanique d'un arbre tournant (10) pour générer les puissances transitoires importantes et l'énergie électromagnétique d'un ensemble comprenant, par soupape (29) commandée un électroaimant (16), et un disque ((15) ou (38) une butée mobile (18), une butée fixe (25), plusieurs rouleaux (20) solidaires d'une came (22), un ressort de transfert d'énergie (26), un ressort de rappel de soupape (30), un codeur angulaire (27) et son capteur (28). 2) dispositif de commande de soupapes selon revendication 1 caractérisé par ce qu'il procure un moyen de démarrage des moteurs thermiques, utilisant pour cela un moteur électromagnétique (12), (13), (14) actionnant l'arbre tournant (10). 3) dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le moteur (13), est désexcité quand la vitesse de rotation du moteur thermique est suffisante 4) dispositif selon revendications 2 et caractérisé par le fait que le moteur (14) peut selon son mode de conception se transformer en générateur d'énergie électrique. 5) dispositif de commande de soupapes selon revendication 1 caractérisé en ce que les électroaimants (16) agissent sur des pièces ferromagnétiques en forme de disque (15) à de très petites distances et pendant de très courts instants 6) dispositif selon revendication 5 revendiquant l'utilisation de fer et d'alliages frittés et d'alliages magnétiques à grande résistivité électrique pour les pièces constitutives de l'électroaimant (16) et du disque (15), et d'alliage fritté pour la réalisation de la came (29) et du codeur angulaire (27) qui lui est solidaire. 7) dispositif de commande de soupapes par embrayage selon revendication 1 caractérisé par le fait que les pièces de révolution assurant un roulement sans glissement, butée mobile (18), butée fixe (25) et rouleaux (20) sont de forme conique et élaborés en acier dur dit acier à roulement. 8) dispositif selon revendications 1 et caractérisé par le fait que l'entraînement de la came (22) s'effectue par un effort de roulement. 9) dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que les dispositions géométriques, mécaniques et de commande assurent un retour de la came (22) et de la soupape commandée (29) en position de quasi fermeture cas de panne de ladite commande 10) dispositif selon revendications 2,3,4 tel que l'air de refroidissement du moteur électromagnétique (12), (13), (14) est utilisé pour ventiler les cylindres du moteur thermique avant démarrage.