Brevet FR2811467A1 — publié le 20020111

Actionneur de soupape électrodynamique et agencement d'une pluralité de tels actionneurs. La présente invention concerne les actionneurs électromagnétiques de soupapes d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne. Les actionneurs ou actuateurs se divisent en deux classes: les actionneurs électromécaniques et les actionneurs électrodynamiques. Dans 0o les premiers, un élément ferromagnétique lié à la soupape est placé dans un champ magnétique variable généré par des moyens fixés sur l'actionneur, et se déplace grâce aux forces créées par la variation du champ magnétique. Dans les seconds, une bobine conductrice est liée à la soupape et est placée dans un champ magnétique constitué par des bobines, comme montré par exemple dans la publication WO 97 06 356, ou par des aimants permanents, comme montré dans la demande de brevet français n 99 10254, au nom de la Demanderesse, et dont on incorpore ici l'enseignement. Cette dernière montre un actionneur électrodynamique pour soupape à tige, d'un moteur à combustion interne, assurant l'ouverture et la fermeture sélective de la soupape, comportant un corps en matériau à perméabilité magnétique elevée formé d'un élément central et d'un élément périphérique définissant entre eux un entrefer fixe, deux aimants permanents pour générer un champ magnétique à l'intérieur dudit entrefer fixe, et un bobinage mobile relié à ladite soupape par une ossature, ledit bobinage étant adapté pour se déplacer dans l'entrefer fixe selon l'axe de la soupape, et entraînant la soupape lorsqu'il est traversé par un courant électrique. Les aimants sont empilés axialement de part et d'autre de l'élément central. Bien que cette réalisation représente une amélioration notable sur les actionneurs de l'art antérieur, il est apparu certaines limitations que la présente invention a pour but de contourner. L'invention a pour but de proposer un actionneur amélioré dans ses performances vis-à-vis du dispositif connu. L'invention atteint son but grâce à un actionneur du type précité, caractérisé en ce que les aimants permanents sont disposés non plus axialement mais latéralement par rapport à l'axe de la soupape, et en ce que le corps définit avec lesdits aimants deux entrefers respectivement supérieur et inférieur à l'intérieur desquels deux bobines liées à la soupape sont adaptées pour se déplacer lorsqu'elles sont traversées par des courants de sens inverse (c'est-à-dire que leur bobinage est enroulé en sens opposé). Avantageusement, les deux bobines ont une longueur supérieure à la longueur de leur entrefer respectif, afin d'obtenir une force constante sur toute la longueur du déplacement des bobines. Avantageusement, l'élément périphérique est formé de deux plaques reliant les extrémités des aimants et formant une ouverture centrale o0 définissant, avec l'élément central, les deux entrefers. Avantageusement, les plaques se rétrécissent au niveau des ouvertures pour concentrer le flux magnétique. L'ouverture est bordée par un rebord dont la hauteur définit l'entrefer. Avantageusement, l'une des bobines, de préférence la bobine inférieure, est attelée à une bague ferromagnétique coopérant avec l'entrefer de la bobine pour retenir la soupape dans une position déterminée (en principe la position fermée), en l'absence de passage de courant. L'invention concerne aussi un agencement d'une pluralité d'actionneurs alignés d'un groupe moto-propulseur, dans lequel les actionneurs sont disposés en quinconce sur deux niveaux, pour une meilleure exploitation de l'espace disponible. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caractéristiques seront mis en évidence à la lecture de la description suivante, se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe de l'actionneur connu par la demande de brevet français n 99 10254, que la présente invention perfectionne; - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe et de dessus de 1' actionneur de soupape modifié conformément à l'invention; - la figure 4 est un schéma de la position relative de deux actionneurs en quinconce. La figure 1 montre la soupape connue 7 montée coulissante par sa tige 2 d'axe D dans un guide (non représenté) monté en partie dans la culasse d'un moteur. L' actionneur de soupape 7 est constitué par un corps 19 se composant d'une partie tubulaire 6 fermée à sa première extrémité 17, et présentant une ouverture à sa seconde extrémité 18, la partie tubulaire 6 présentant une perméabilité magnétique élevée. La partie 6 définit un logement cylindrique intérieur, dont l'axe est sensiblement identique à l'axe D de 1 soupape 7. Le corps 19 comporte un élément cylindrique central 5 placé entre deux aimants permanents 15, 16 et constitué, comme la partie 6, par une matière de perméabilité magnétique élevée. Un élément cylindrique complémentaire 11, réalisé dans la même matière que la partie tubulaire 6, est placé sous l'empilement des deux aimants permanents 15, 16 et de l'élément central 5. Cet empilement ménage avec la partie tubulaire un 1o évidement tubulaire 21 d'épaisseur sensiblement constante jouant le rôle d'entrefer, adapté pour favoriser les valeurs élevées de champs magnétiques (par exemple supérieure à 1 Tesla). L'élément 11 définit avec l'extrémité 18 une ouverture tubulaire 23. Le circuit magnétique ainsi défini permet la création d'un flux magnétique dont l'allure est représentée de façon schématique sur la figure. La tige de soupape 2 est soudée à une tige noyau 1 pour constituer une pièce monobloc allégée et compactée. Sur la tige noyau 1 est frettée une base cylindrique 3 qui supporte une ossature tubulaire 22 elle-même supportant un bobinage 4. Le bobinage 4 est placé dans l'entrefer 21 dans lequel il peut effectuer une translation et une rotation selon l'axe D. Le bobinage 4 est alimenté électriquement par des fils souples non représentés. Un calculateur électronique commande l'alimentation en courant de ces fils suivant des stratégies appropriées. Par passage de courant électrique à travers le bobinage 4, ce dernier se trouve soumis à une force de Lorentz perpendiculaire au courant et aux champs magnétiques et tend à se déplacer suivant la direction de cette force, confondue avec D. La force est proportionnelle à l'amplitude du champ magnétique, à l'intensité du courant traversant le bobinage 4 et à la longueur de fil parcouru par le courant dans le champ magnétique. L' actionneur peut comporter une butée 8 pour limiter la course de la soupape 7. Un capteur piézo-électrique 12, placé au niveau de l'ossature 3, peut contrôler l'effort de fermeture de la soupape 7. Un ressort de rappel 24 peut servir à maintenir la soupape 7 en position fermée en l'absence de passage de courant. Préférentiellement, le bobinage 4 reste tout au long de sa course à l'intérieur de l'évidement tubulaire 21, ce qui permet de dimensionner l'ouverture 23 pour le passage seul de l'ossature 22. En outre celle-ci est réalisée dans un matériau présentant une perméabilité magnétique élevée afin de ne pas interrompre le circuit magnétique au niveau de l'ouverture 23. Un capteur de position 14 peut être utilisé pour diagnostiquer l'usure de soupape ou pour contrôler la position de soupape. L'invention sera décrite sur les figures 2 et 3, et les éléments identiques ou analogues à ceux décrits dans la figure 1 portent le même numéro de référence, augmenté de 100. Alors que dans la soupape connue, les aimants permanents 15, 16 sont disposés axialement et forment un empilement avec l'élément cylindrique central 5, selon l'invention, les aimants permanents 115, 116 sont disposés latéralement et symétriquement par rapport à l'élément central 105, avec, par exemple, l'axe N-S parallèle à l'axe D comme représenté. Cette nouvelle disposition change complètement le parcours des flux magnétiques (représentés par des flèches sur la figure 2). Les forces de Lorentz qui assurent le déplacement de la partie mobile de l'actionneur dépendent en partie du sens du flux magnétique qui la traverse. Comme ce sens est opposé en partie haute et en partie basse de l'actionneur, on prévoit sur l'équipage de l'actionneur deux bobines 104 et 104' qui sont traversées par des courants de sens opposé. De ce fait, les forces de Lorentz qui s'exercent sur chaque bobine 104, 104' sont de même sens et permettent le déplacement de l'équipage ou ossature mobile reliée à la soupape, selon une architecture du type de celle de la figure 1. Cette nouvelle répartition des flux magnétiques permet d'obtenir des surfaces actives (correspondant à des surfaces de bobines traversées par des lignes de flux magnétique perpendiculaires) beaucoup plus importantes que dans la soupape connue o la surface active de la partie fixe correspondait sensiblement à la partie équidistante des aimants supérieurs et inférieurs et n'était pas précisément délimitée. Au contraire, dans la présente invention, les aimants permanents 115, 116, sont prolongés, en partie supérieure et inférieure, par des pièces 130 et 130' réalisées en matériau de perméabilité magnétique élevée (type acier) dont la géométrie permet de canaliser les lignes de flux. Elles se présentent sous la forme de plaques montées sur et sous les aimants 115, 116, et venant former autour de l'élément central 105 une ouverture 131, 131' bordée d'un rebord plus haut 132, 132'. Ces ouvertures 131, 131' ménagent avec l'élément central 105 des entrefers d'épaisseur constante respectivement supérieur et inférieur dans lesquels les bobinages 104, 104' peuvent se déplacer. Les plaques 130, 130' présentent un rétrécissement au niveau des ouvertures 130, 130' de manière à concentrer les lignes de flux au niveau des entrefers, ce qui entraîne des forces de Lorentz d'amplitude plus élevée. Les plaques 130, 130' délimitent des zones de vide de part et d'autre de la partie centrale de l'ossature mobile de façon à forcer la circulation du flux à travers les entrefers. Les différentes dimensions des aimants permanents, et des parties 130, 130' sont optimisées pour avoir un flux maximal entre les deux entrefers tout en présentant une masse et un encombrement minimale. Les bobines 104, 104' sont dimensionnées pour que, tout au long de leur course, une plus grande partie de celles-ci reste dans leur entrefer respectif. Plus précisément, la course de la soupape est de 10 mm environ. Pour l'entrefer supérieur, la surface active est complètement occupée en permanence par la bobine 104. Pour la partie inférieure, en position haute (celle représentée sur la figure 2), la bobine inférieure 104' n'est pas complètement en permanence en vis-à-vis du second entrefer, ceci étant dû à la présence d'une bague 133 en acier dans le prolongement inférieur de la bobine inférieure 104'. D'une façon générale, la présente invention limite à tout moment la partie de la bobine se trouvant hors de l'entrefer, car cette partie, qui est bien entendu aussi traversée par un courant contribue peu aux forces de Lorentz, assurant le déplacement de l'ossature, tandis que le passage du courant y dissipe de l'énergie. La bague d'acier 133 permet de maintenir la soupape en position haute sans dépense énergétique. En effet, elle est le siège d'une force magnétique provoquée par les aimants permanents 115, 116 qui force la partie mobile, et donc la soupape, en position haute. Bien entendu, cette force magnétique va s'opposer à la force de Lorentz lors du mouvement descendant de la soupape. Toutefois les économies d'énergie sont appréciables ainsi que les gains de masse et d'encombrement dû à l'absence d'un ressort de rappel qui assure habituellement le maintien de la soupape en position haute. Le courant traversant les bobines 104, 104' peut avoir la même amplitude et dans ce cas seuls deux fils d'alimentation sont nécessaires pour alimenter les deux bobines, qui en fait appartiennent à un unique bobinage. Toutefois, pour régler de façon précise la force de déplacement de l'ossature, on peut envisager de piloter de façon différente les courants traversant chaque bobine qui est, dans ce cas, alimentée séparément. Du fait de la disposition latérale des aimants, l'encombrement latéral de l'actionneur de l'invention peut être supérieur à celui de l'actionneur connu. Aussi, il est avantageux d'utiliser un agencement particulier des actionneurs pour un groupe moto-propulseur comportant une rangée de soupapes à d'actionneurs. Les actionneurs sont disposés en quinconce, c'est- à-dire en deux niveaux superposés o les actionneurs du niveau supérieur chevauchent deux actionneurs du niveau inférieur, comme l'illustre de o0 manière schématique la figure 4 qui montre un actionneur 119 de niveau inférieur, et un actionneur de niveau supérieur 119' à cheval sur l'actionneur 119 et un actionneur voisin non représenté. Naturellement, les tiges de soupapes des actionneurs du niveau supérieur seront de longueur plus grande que celles des actionneurs placés directement sur la culasse. Les soupapes d'admission et d'échappement étant généralement placées en vis-à- vis, la disposition des actionneurs en quinconce permet dans une certaine mesure de contourner la contrainte imposée par l'encombrement. REVENDICATIONS 1. Actionneur électrodynamique pour soupape à tige, d'axe D, d'un moteur à combustion interne, assurant l'ouverture et la fermeture sélective de la soupape, comportant un corps en matériau à perméabilité magnétique élevée formé d'un élément central (105) et d'un élément périphérique (130, 130') définissant entre eux un entrefer fixe, deux aimants permanents (115, 116) pour générer un champ magnétique à l'intérieur dudit entrefer fixe, et au moins un bobinage mobile (104, 104'), relié à ladite soupape par une ossature, ledit bobinage (104, 104') étant adapté pour se déplacer dans l'entrefer fixe selon l'axe D, et entraînant la soupape lorsqu'il est traversé par un courant électrique, caractérisé en ce que les aimants (115, 116) sont disposés latéralement par rapport à l'axe D, et en ce que le corps (105, 130, 130') définit avec lesdits aimants deux entrefers respectivement supérieur et inférieur à l'intérieur desquels deux bobines (104, 104') liées à la soupape sont adaptées pour se déplacer lorsqu'elle sont traversées par des courants de sens inverse. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bobines ont une longueur supérieure à la longueur de leur entrefer respectif. 3. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément périphérique est formé de deux plaques (130, 130') reliant les extrémités des aimants (115, 116) et formant une ouverture centrale (131, 131') définissant, avec l'élément central (105), les deux entrefers. 4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques (130, 130') se rétrécissent au niveau des ouvertures (131, 131') pour concentrer le flux magnétique. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ouverture (131, 131') est bordée par un rebord (132). 6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'une des bobines, de préférence la bobine inférieure (104'), est attelée à une bague ferromagnétique (133) coopérant avec l'entrefer de la bobine pour retenir la soupape dans une position déterminée, en l'absence de passage de courant. 7. Agencement d'une pluralité d'actionneurs alignés d'un groupe moto- propulseur, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les actionneurs sont disposés en quinconce sur deux niveaux.