Brevet FR2823529A1 — publié le 20021018

dudit puits. DISPOSITIF DE COMMANDE DE SOUPAPE A POINT MORT La présente invention concerne les dispositifs permettant de déplacer chacun une soupape suivant l'axe de la soupape et comportant un actionneur qui lui est propre et ag it sur une tige de poussée de so upa pe afi n d'amener alte rn ativement la sou pape dans une position d'ouverture et une position de fermeture. L'invention 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 o so nt action nées par un arbre à cames entra né par le moteu r. Les vitesses d'ouve rtu re et de fermeture des soupapes sont faibles lorsque le moteur est bas régime, ce qui est défavorable au remplissage des chambres de combustion. On a déjà proposé des actionneurs électromagnétiques permettant de rébuire les inconvénients ci-dessus, utilisant un effet d'électroaimant. L'actionneur comporte une palette en matériau ferromagnétique liée à une tige de poussée de soupape et déplaçable par au moins une bobine montée sur un circuit ferromagnétique entre deux positions stables définies par l'appui de la palette contre le circuit ferromagnétique. Des moyens de rappel élastique maintiennent au repos la soupape dans une position intermédiaire entre les positions d'ouverture complète et de fermeture. Un tel dispositif o peut comporter un actionneur à une seule bobine (FR-A2 784 222) ou à deux bobines à actions opposées (demande de brevet FR98 11 670). Les moyens de rappel élastique sont constitués par un ressort ou plus fréquemment deux ressorts mécaniques hélicoidaux ou par un ou des ressorts pneumatiques (demande de brevet FR 00 03111). L'ensemble soupape-ressort-palette constitue un système oscillant excité par alimentations périodiques alternées et ayant une fréquence propre, qui peut être ajustée en cas d'utilisation de ressorts pneumatiques. L'énergie apportée par la bobine ou les bobines permet de vaincre la contre-pression à l'ouverture de la soupape et les frottements. o Un tel dispositif à commande électromagnétique présente de nombreux avantages par rapport au système classique à arUre à cames. Il donne beaucoup plus 2 2823529 de souplesse. Il est simple et permet facilement de maintenir les soupapes en position de fermeture ou de pleine ouverture. Mais ses performances sont limitées. L'excitation d'une bobine ne crée une force d'attraction élevée que lorsque l'entrefer est très faible, de sorte que l'énergie doit être apportée sur une très faible partie de la course, d'o une s. com mande délicate. Il est difficile d' arriver à u n asservisse m ent g aranti ssant q ue la palette et la soupape arrivent à faible vitesse en butée, alors que cela est nécessaire pour réduire le bruit. Enfin, le caractère balistique du pilotage et la nécessité d'appliquer des forces sur une très faible portion de la course conduisent à une grande sensibilité aux évolutions des forces perturbatrices. o Diverses améliorations (FR-A -2 784 222 et demandes de brevet FR 11 6670 et 00 0311) permettent de réduire les inconvénients ci-dessus, mais sans écarter totalement les causes fondamentales des difficultés. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif de commande de soupape à actionneur propre, agissant sur une seule soupape, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. Elle vise plus particulièrement à fournir un dispositif dans lequel l'énergie nécessaire pour compenser les pertes et amener la soupape dans sa position de pleine ouverture ou de fermeture peut être fournie sur l'ensemble de la course et non pas seulement en fin de course, comme c'est le cas avec un dispositif dans lequel des forces importantes ne sont o créées que iorsqu'une palette approche de la position de fermeture de l'entrefer d'un circuit ferromagnétique. L'invention vise également à obtenir un meilleur profil de vitesse permettant d'arriver à un atterrissage de la soupape sur son siège à vitesse faible. Elle propose notamment dans ce but un dispositif de commande de soupape à déplacement linéaire suivant son axe entre une position de fermeture par appui sur un siège et une position d'ouverture, munie d' au moins un ressort de fermeture, le dit dispositif comprenant un actionneur ayant un organe moteur relié à un organe de poussce sur la soupape dans le sens de l'ouverture par une tringlerie ayant au moins un point mort d'irréversibilité correspondant à la fermeture de la soupape et ayant un so ressort de rap pel dans un sens co rrespondant à l'ouvertu re de la so u pape. 3 2823529 Dans un mode avantageux de réalisation, I'organe moteur est rotatif et entrane un excentrique. La tringlerie peut alors comporter une biellette placée obliquement par rapport à l'axe de la soupape, reliant l'excentrique au point d'articulation d'une genouillère reliant un point fixe à l'organe de poussée sur la soupape. s Le ressort de rappel peut alors étre constitué par un ressort de traction reliant la biellette à un point d'ancrage et exerçant une action dans le sens de l'ouverture de la soupape. La non-linéarité apportée par l'excentrique augmente le gradient d'énergie potentielle accumulée par les ressorts et en conséquence la dynamique propre de o l'ensemble oscillateur. Etant donné que l'énergie nécessaire pour compenser les pertes dues au frottement et à la contre-pression peut être apportée sur la majeure partie de la course, I'asservissement est facilité. L'ensemble organe moteur-excentrique est généralement associé à un moteur électrique muni d'une électronique de commande permettant de déplacer s angulairement 1'excentrique. Le moteur peut avoir des natures très diverses. On peut notamment utiliser un moteur à commutation électronique et à aimant permanent, un moteur à réluctance variable et éventuellement pas-à-pas. En provoquant un mouvement angulaire alternatif de l'excentrique, de part et d'autre de l'orientation correspondant à la fermeture de la soupape, il est possible de o régler aisément la course d'ouverture de la soupape, c'est-à-dire de réaliser une ouverture variable. Cette disposition conserve le stockage d'énergie potentielle dans les ressorts de rappel à la fermeture et à l'ouverture qui constitue un intérêt des systèmes antérieurs. De plus la commande peut être également prévue pour provoquer, à régime élevé du moteur et alors qu'on recherche une pleine ouverture, un mouvement de s rotation continu de l'excentrique pendant les phases d'ouverture et de fermeture de la soupape. Le ressort de rappel peut être un ressort mécanique, ayant un point d'ancrage fixe ou ajustable. On peut également utiliser un ressort pneumatique avantageusement à pression réglable. A l'aide d'un ressort pneumatique à pression réglable ou d'un so ressort mécanique à point d'ancrage réglable ou à raideur réglable, il est possible d'ajuster la positon d'équilibre, c'est-à-dire la longueur du déplacement de la soupape à partir de sa position de fermeture pour laquelle les énergies potentielles du ressort de fermeture et du ressort de rappel s'équilibrent. Notamment pour que les soupapes soient fermées à l'arrêt, on peut annuler l'énergie potentielle du ressort inverse. D'autres moyens encore peuvent être utilisés pour atteindre ce résultat. s Un dispositif du genre rapporté ci-dessus présente de nombreux avantages. L'irréversibilité, au moins dans la position de fermeture, facilite le maintien dans cette position. Le bruit est réduit, puisqu'il n'y a pas venue en butée d'une palette. Il est facile d'amener la soupape en position fermée et de la maintenir; il est également facile de les maintenir, par exemple le moteur à l'arrêt, ce qui crée un frein moteur. o Du point de vue du rendement énergétique, I'invention écarte la difficulté liée à la très faible course sur laquelle peut s'effectuer le pilotage dans le cas d'un actionneur à commande électromagnétique d'une palette. Un pilotage plus précis est possible. Le rendement énergétique est amélioré. Et le dispositif peut facilement être prévu pour créer une ouverture variable, notamment par modulation de l'énergie potentielle du ressort d'ouverture, obtenue par exemple soit par déplacement d'un point d'ancrage, soit par utilisation d'une pression variable dans un ressort pneumatique. On conserve par ailleurs intégralement le caractère d'oscillateur d'un système à palette, qui permet de récupérer l'énergie cinétique des pièces en mouvement. Enfin, comme indiqué plus haut, la non-linéarité apportée par la constitution en double o genouillère résultant du montage oblique et de l'excentrique augmente le gradient d'énergie potentielle et la dynamique propre de l'oscillateur. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparatront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuiiers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. Le description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, s dans lesquels: - la figure 1 montre 1'ensemble constitué d'une soupape et de son dispositif de commande selon un premier mode de réalisation, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la soupape et le plan d'action de l'actionneur; - la figure 2 est un schéma cinématique du dispositif de commande de la figure 1; o - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne 111-111 de la figure 1; 2823529 - la figure 4 est un diagramme montrant la variation, en fonction du déplacement de la soupape à partir de sa position de fermeture, de l'énergie cinétique du système oscillant et du temps de transition. L'actionneur montré en figures 1 et 2 constitue un ensemble destiné à être monté s sur la culasse 12 d'un moteur. Plusieurs dispositifs sont montés côte à côte et chacun affecté à une soupape du moteur. La soupape 14 proprement dite a une constitution classique. Elle comporte une tête d'appui sur son sièpe et une queue de soupape sur laquelle est rapportée un plateau 16 d'appui d'un ressort 18 de rappel dans le sens de la fermeture, qu'on to qualifiera par la suite de ressort direct. Ce ressort prend appui sur une coupelle fixe 20 placée sur la culasse 12. Dans le mode de réalisation représenté, la queue de soupape est guidée par une douille 22 solidaire de la coupelle 20. L'actionneur du dispositif représenté sur la figure 1 comporte un moteur rotatif 24 relié à un excentrique 26. Le moteur peut avoir n'importe quelle constitution à condition qu'il permette une rotation dans les deux sens si l'on souhaite pouvoir réaliser une ouverture partielle et qu'il permette de déterminer sa position angulaire à l'aide d'une électronique de commande 28 permeKant de réaliser un asservissement qui est facilité par l'importance de la course sur laquelle peut être réalisé le pilotage. ll est seulement important que la commande du moteur ne freine pas le déplacement de l'ensemble en o absorLant de l'énergie cinétique. Il peut être complété par un capteur de position 34 facilitant l'asservissement de la commande en position du moteur 24. L'excentrique 26 représenté en figure 3 est constitué par un disque calé sur l'arbre du moteur 24 et portant un pivot 30 excentré par rapport à l'axe de rotation. Sur ce pivot est articulé une biellette 32 qui reste en permanence oblique par rapport à l'axe de la soupape 14 ce qui a l'intérêt de réduire l'encombrement et constituant une genouillère. La biellette 32 est reliée par une genouillère à un levier 36 de poussée de la soupape dans le sens de l'ouverture. Cette genouillère est constituée de deux bras 38 et 40. Les deux bras sont articulés l'un à l'autre et à la biellette 32 par un pivot 42. Le o bras 38 relie ainsi le pivot 42 à un point 44 d'articulation sur le levier 36. Le bras 40 relie 6 2823529 le pivot42 à un point d'articulation fixe 46. L'ensemble de la biellette et des bras constitue ainsi un tringlerie à genouillère. Un ressort 48 de rappel dans un sens correspondant à 1'ouverture de la soupape, dit ressort inverse, est tendu entre le pivot 30 et un point d'ancrage 50. Ce point d'ancrage est choisi de façon que la direction de la force exercée par le ressort reste très proche de l'orientation de la bielleKe aussi bien lorsque la soupape est fermée que lorsqu'elle est dans la position de pleine ouverture indiquée en tirets sur la figure 2. La position de ce point peut être immuable. L'emplacement du point d'ancrage 50 peut également être ajustable, notamment lorsque l'on souhaite pouvoir provoquer une o ouverture variable de la soupape ou un ajustement de la position de repos. La tringlerie ainsi constituée présente deux points morts, pour lesquels une poussée ou traction de la biellette ne peut provoquer une rotation de l'actionneur. L'un de ces points morts existe lorsque l'actionneur est dans l'état représenté sur la figure 1, c'est-à-dire lorsque la soupape est fermée et les deux bras dans le prolongement l'un de 1'autre. L'autre point mort correspond à la disposition montrée en tirets sur la figure 2 (pleine ouverture de la soupape). Les échanges d'énergie et déplacements lors du fonctionnement d'un dispositif du genre montré en figure 1 ont 1'allure illustrée en figure 4. La figure 4 montre (courbe en traits pleins) que 1'énergie cinétique Eci dans une o configuration à ressorts alignés et dont la vitesse se réduit progressivement lors de la fin d'ouverture ou de fermeture de façon symétrique. La ligne en traits mixtes, qui correspond au fonctionnement d'un système à genouillère du genre montré en figures 1 et 2, montre que 1'énergie cinétique se libère plus rapidement à partir de la fermeture, et avec une amplitude supérieure à celle que s l'on trouve avec le montage classique (courbe en trait plein). En conséquence, la dynamique est accrue, I'ouverture de la soupape est plus rapide pour les mêmes caractéristiques de ressort. La courbe en tirets montre la variation de la position en fonction du temps et notamment le fait que la vitesse d'impact de la soupape est réduite par rapport à un montage différent. o A faible vitesse, le fonctionnement est le suivant, à partir de l'état représenté en figure 1, o un jeu de distribution, non visible, subsiste entre le levier 36 et la queue de soupape. Dès le début de rotation de l'excentrique, les actions combinées du ressort inverse 48 et du moteur d'entranement de l'excentrique provoquent l'appui du levier sur la queue de soupape et l'entranement de celle-ci dans le sens de l'ouverture contre l'action du ressort de fermeture qui accumule de l'énergie potentieile. Le s mouvement se poursuit ainsi jusqu'au point mort opposé, correspondant à la pleine ouverture qui est maintenue pendant le temps nécessaire sans que le moteur d'entranement de l'excentrique n'ait à exercer une force de maintien appréciable du fait du caractère irréversible de la tringlerie. Puis le moteur est de nouveau commandé pour ramener la tringlerie dans l'état montré en figure 1. to A vitesse plus élevée, qui exige des vitesses d'ouverture et de fermeture de soupape également élevée, le système fonctionne à la résonance pour un choix approprié des paramètres mécaniques. Si on souhaite une ouverture partielle de la soupape, notamment aux faibles charges et faibles vitesses, on utilisera un fonctionnement alternatif du moteur avec la s présence d'un seul point mort. 8 2823529 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande de soupape à déplacement linéaire suivant son axe entre une position de fermeture par appui sur un siège et une position d'ouverture, s munie d'au moins un ressort de fermeture (18), le dit dispositif comprenant un actionneur ayant un organe moteur (26) relié à un organe (36) de poussée sur la soupape dans le sens de l'ouverture par une tringlerie (32 -42) ayant au moins un point mort d'irréversibilité correspondant à la position de fermeture de la soupape et ayant un ressort (48) de rappel dans un sens correspondant à l'ouverture de la soupape. o 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe moteur est rotatif et est équipé d'un excentrique. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ia tringlerie comporte une biellette (32) placée obliquement par rapport à l'axe de la soupape, reliant l'excentrique au point d'articulation d'une genouillère reliant un point fixe (46) à I'organe de poussée sur la soupape et en ce que le ressort de rappel est constitué par un ressort reliant la biellette à un point d'ancrage (50) et exerçant une action dans le sens de l'ouverture. 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'excentrique est associé à un moteur électrique muni d'une électronique de commande (28) et o permettant de déplacer angulairement l'excentrique. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur électrique est un moteur à aimant permanent à commutation électronique ou à moteur à reluctance variable. 6. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'électronique de s commande est prévue pour provoquer un mouvement angulaire alternatif de l'excentrique, de part et d'autre de l'orientation correspondant à la fermeture de la soupape, permettant une ouverture variable. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ressort de rappel est à raideur réglable. so 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ressort de rappel est à point d'ancrage réglable. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ressort de rappel est un ressort pneumatique à pression réglable. lO. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications l à 9, caractérisé par des moyens permettant de régler la position d'équilibre de la soupape à partir de sa s position de fermeture pour laquelle les énergies potentielles du ressort de fermeture et du ressort de rappel s'équilibrent. ll. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la position