Brevet FR2849110A1 — publié le 20040625

SYSTEME DE REGULATION DE LA PRESSION D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR MONOCYLINDRE L'invention concerne un système de régulation de la pression d'échappement d'un moteur monocylindre. Les systèmes de régulation de pression utilisent des vannes disposées sur la conduite d'échappement du moteur Au niveau de l'échappement d'un monocylindre, les contraintes sont nombreuses: température pouvant atteindre 500 C, résistance aux pulsations engendrées par un monocylindre, encrassement d aux suies. Une régulation précise de la pression d'échappement sur les moteurs monocylindres diesel et essence permet de simuler une pression turbo d'un moteur poly-cylindres Afin d'obtenir une simulation correcte, la précision de la régulation de pression doit être de l'ordre de 5 mbar sur toute la plage de fonctionnement de la vanne 15 utilisée. Deux types de vannes sont utilisés pour une telle application: des vannes à papillon et des vannes à clapet Elles présentent toutefois plusieurs inconvénients. Les vannes à papillon posent des problèmes d'encrassement dus 20 aux suies et entraînant le grippage Par ailleurs, la précision de régulation de la pression est faible, de l'ordre de 15 mbar, en raison des débits pulsés et du mouvement de rotation de l'axe du papillon engendrant des fluctuations de la section de passage. Les vannes à clapet présentent une tendance au grippage à haute 25 température due à la conicité du clapet sur son siège Ces vannes manquent de fidélité en position, ce qui entraîne une précision insuffisante dans la régulation de la pression, cette dernière pouvant subir des variations de l'ordre de 30 mbar. L'invention vise à pallier à ces inconvénients en proposant un 30 système de régulation de la pression d'échappement simple et résistant, permettant des réglages rapides et fidèles Le système selon l'invention permet également de réguler la pression avec une grande précision afin de simuler un turbo. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un système de 35 régulation de la pression d'échappement d'un moteur monocylindre, ledit moteur comportant une conduite d'échappement des gaz, le système comprenant: une vanne à glissière apte à fonctionner à des températures élevées et comportant une lame mobile en translation dans une glissière, ladite vanne étant disposée sur ladite conduite d'échappement de sorte que la lame obture la conduite sensiblement perpendiculairement, un moteur pas à pas commandant l'ouverture et la fermeture de la vanne à glissière, un dispositif de régulation de la pression commandant le moteur pas à pas. L'utilisation d'une vanne à glissière, encore appelée vanne guillotine, permet de s'affranchir du mouvement parasite d aux pulsations du moteur de sorte qu'une meilleure stabilité de la pression d'échappement peut être obtenue L'élimination de ce mouvement parasite est due en partie au fait que la vanne obture le flux de gaz 15 perpendiculairement à ce dernier. Par ailleurs, la vanne à glissière permet d'assurer une bonne précision du réglage de la pression sur quasiment toute sa plage de fonctionnement En effet, en raison de son principe de fonctionnement, la section d'ouverture de la vanne varie linéairement en fonction du 20 déplacement de la lame, sur environ 90 % du déplacement maximal de la lame Dans le cas des vannes à papillon, la variation de la section d'ouverture n'est linéaire que sur 20 % de la plage de fonctionnement de la vanne ce qui contribue à augmenter les fluctuations de pression. Enfin, un autre avantage de l'utilisation d'une vanne à glissière 25 est le nettoyage " automatique " de la lame d à son principe de fonctionnement, par frottement de la lame sur la glissière et sur les bords de la conduite, réduisant ainsi l'encrassement de la lame. Un moteur pas à pas peut être utilisé permettant de déplacer la lame de la vanne avec une précision de l'ordre du millimètre, afin 30 d'améliorer la précision du réglage de la pression. Dans une variante, la lame présente une partie sensiblement rectangulaire dont la surface est supérieure à la section de la conduite, et une partie d'extrémité située du côté de la lame en contact le premier avec la conduite lors de la fermeture de la vanne, ladite partie 35 d'extrémité présentant des dimensions inférieures à celles de la partie sensiblement rectangulaire Notamment, le bord libre de ladite partie d'extrémité peut présenter une dimension inférieure à la section de la conduite La réduction des dimensions de la lame à son extrémité permet d'améliorer la linéarité entre la section d'ouverture et le déplacement de la lame Combinée avec un déplacement au millimètre près, la configuration de la lame permet de régler la pression avec une précision de l'ordre de + 2 mbar. Encore dans une variante, le dispositif de régulation de la pression comprend un capteur de pression situé sur la conduite en amont de la vanne, un dispositif de réglage du déplacement de la lame de la vanne en fonction de la pression d'échappement en amont de la 10 vanne, et des moyens électroniques de pilotage reliés audit dispositif de réglage Ces derniers peuvent par exemple être programmés afin d'obtenir un profil de section donné lors du fonctionnement du moteur. Dans une variante, le dispositif de régulation de la pression comprend un dispositif de régulation du courant d'alimentation audit 15 moteur pas à pas relié aux, et commandé par, ledit dispositif de réglage. Ce dispositif de régulation du courant d'alimentation permet d'assurer une vitesse de sortie du moteur très faible, par exemple de l'ordre de 3 à 4 mm/s (vitesse de déplacement de la lame), tout en garantissant une force suffisante pour le déplacement de la lame. Dans une variante, la lame et sa glissière sont disposées à l'intérieur d'un corps étanche comprenant un conduit de passage des gaz sensiblement perpendiculaire à la lame, un axe reliant la lame au moteur pas à pas s'étendant dans la direction de coulissement de la lame En particulier, le moteur pas à pas peut entraîner en rotation une 25 vis sans fin coopérant avec une extrémité filetée dudit axe de sorte que la rotation de la vis sans fin entraîne la translation de l'axe et le déplacement de la lame Cette transmission du mouvement entre le moteur pas à pas et la lame par un système vis écrou contribue également à l'élimination du mouvement parasite d aux pulsations du 30 moteur. On peut également prévoir des fins de course coopérant avec un chariot de positionnement disposé sur la vis sans fin du moteur et se déplaçant en même temps que la lame, afin d'arrêter le fonctionnement du moteur lorsque la lame atteint des positions extrêmes 35 prédéterminées, assurant ainsi la sécurité de l'ensemble du point de vue mécanique. Dans une variante, le corps étanche comprend deux parties complémentaires comportant chacune une surface de jonction perpendiculaire au conduit, les deux surfaces de jonction étant solidarisées ensemble de façon étanche, la glissière étant solidaire de la 5 surface de jonction d'une des parties, le moteur pas à pas est fixé sur le corps étanche, à distance de ce dernier au moyen d'un support moteur, lequel est fixé sur une plaque isolante disposée sur le corps étanche, une vis étoupe vissée dans la plaque isolante assurant l'étanchéité de l'axe de la lame Cet arrangement permet de protéger le moteur pas à 10 pas de la chaleur présente au niveau de la vanne et de la conduite d'échappement. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un système 15 de régulation selon l'invention; la figure 2 est une vue de côté de la vanne à glissière utilisée dans le système de régulation de la figure 1, le corps de la vanne étant ouvert, la figure 3 est une vue en perspective de la vanne représentée 20 figure 2. Le système 10 selon l'invention permet de réguler la pression d'échappement d'un moteur monocylindre 12 A cet effet, le système 10 est relié à une conduite d'échappement 14 du moteur 12. Ce système 10 comprend une vanne à glissière 16, un moteur pas 25 à pas 18 commandant l'ouverture et la fermeture de la vanne à glissière 16 et un dispositif de régulation de la pression 20, tel que représenté figure 1. La vanne à glissière 16 est montée sur la conduite d'échappement 14 du moteur monocylindre 12, de sorte que l'on peut faire varier la 30 section de la conduite d'échappement afin d'augmenter la contrepression d'échappement en amont de la vanne. La vanne à glissière 16 et son moteur pas à pas 18 sont décrits en référence aux figures 2 et 3. La vanne à glissière 16 comporte une lame 22 mobile en 35 translation dans une glissière 24 en forme de U Le déplacement en translation de la lame est assuré par un axe 26 s'étendant dans la direction de coulissement de la lame et reliant la lame 22 au moteur pas àpas 18. La lame et la glissière sont disposées dans un corps étanche 28. Ce dernier comporte un conduit 30 le traversant de part en part, 5 destiné à être connecté à la conduite d'échappement 14 pour le passage des gaz De façon connue, la lame 22 et sa glissière 24 sont agencées de sorte que la lame coulisse sensiblement perpendiculairement au conduit 30 entre deux positions extrêmes o elle obture ou n'obture pas le conduit La lame 22, la glissière 24 et le corps 28 sont réalisés dans 10 des matériaux résistants aux températures élevées. Le corps étanche 28 comprend deux parties 28 a, 28 b comportant chacune une surface de jonction 29 perpendiculaire au conduit 30 Les deux parties 28 a, 28 b sont fixées l'une à l'autre, par exemple au moyen de vis 31 Sur la surface de jonction 29 de l'une des parties 28 a, est 15 fixée la glissière 24. L'étanchéité du corps étanche 28 est assurée par un joint (non représenté) résistant à haute température logé dans une gorge sur le pourtour d'une des surfaces de jonction 29 Ce joint est par exemple un joint torique en graphite. La lame 22 présente une partie 32 de forme sensiblement rectangulaire, dont la surface est supérieure à la section du conduit 30. Cette partie rectangulaire 32 coopère avec la glissière 24 afin de permettre le déplacement de la lame La lame comprend également une partie d'extrémité 34, solidaire de la partie 32 et située du côté de la 25 lame en contact le premier avec le conduit 30 lors de la fermeture de la vanne, à l'opposé de l'axe 26 Cette partie d'extrémité 34 présente des dimensions inférieures à celles de la partie rectangulaire 32 Dans le mode de réalisation représenté, elle présente une forme de trapèze régulier, le petit côté du trapèze formant le bord libre de la lame et étant 30 de dimension inférieure au diamètre de la section du conduit La lame 22 présente ainsi sensiblement une forme de pointe du côté opposé à l'axe 26 Bien entendu, d'autres formes de lames peuvent être réalisées, par exemple des formes plus pointues ou arrondies, afin d'obtenir une 35 meilleure linéarité entre le déplacement de la lame et la section d'ouverture du conduit. Une plaque isolante 36, traversée par l'axe 26, est fixée sur le corps étanche 28, par exemple au moyen de vis L'étanchéité de l'axe 26 par rapport au corps 28 est assurée par une vis étoupe 38 fixée sur la plaque isolante 36. Sur cette plaque isolante 36, est fixé un support de moteur 39 en forme de tige, dont l'autre extrémité supporte le moteur pas à pas 18. Ce support moteur s'étend parallèlement à l'axe 26. Le moteur pas à pas 18 entraîne en rotation une vis sans fin 40 coaxiale avec l'axe 26 L'extrémité de ce dernier comporte une partie 10 filetée qui coopère avec un filetage interne correspondant (non représentés) de la vis sans fin 40 Le moteur pas à pas 18 est choisi pour permettre un déplacement de la lame de la vanne au millimètre près Il permet par exemple un déplacement à une vitesse de l'ordre de 3 à 4 mm/s, tout en garantissant une force suffisante pour le 15 déplacement transversal de l'axe 26. Deux fins de course électriques réglables 42 sont fixées sur un support de fin de course 44 solidaire du moteur pas à pas 18 (figure 2, ces éléments ont été omis de la figure 3 pour plus de clarté) Elles sont par exemple fixées au moyen de vis dans des trous oblongs du support 20 44 (non représentés), de sorte que leur position peut être réglée Un chariot de positionnement 46 monté sur la vis sans fin 40 est déplacé en translation simultanément avec l'axe 26 Les fins de course 42 sont disposées de manière à venir en contact avec le chariot de positionnement 46 lorsque ce dernier atteint l'une des deux positions 25 extrêmes de la lame 22 Elles sont reliées au moteur pas à pas 18 de sorte que l'alimentation de celui-ci est coupée dans ces positions extrêmes D'autres moyens peuvent être employés afin de limiter la course de la lame. Le dispositif de régulation de la pression 20 permet de 30 commander l'ouverture et la fermeture de la vanne à glissière 16 en fonction du profil de pression souhaité. A cet effet, il comprend: un capteur de pression 48 situé sur la conduite 14 en amont de la vanne à glissière 16, un dispositif de réglage 50 du déplacement de la lame de la vanne en fonction de la pression d'échappement mesurée en amont par le capteur 48, et des moyens électroniques 52 reliés au dispositif de réglage 50. Le dispositif de réglage 50 est par exemple une boucle PID qui permet à la fois de contrôler le déplacement de la lame, par exemple en mesurant la vitesse du moteur pas à pas 18, et de le corriger en commandant le moteur pas à pas. Les moyens électroniques 52 sont par exemple une unité centrale d'ordinateur qui pilote la boucle PID 50 en exécutant des consignes en fonction d'informations concernant le fonctionnement du moteur monocylindre 12. Le dispositif de régulation de pression 20 comprend en outre un dispositif de régulation 54 du courant d'alimentation du moteur pas à pas 18 Il peut s'agir par exemple d'un hacheur 4 cadrans (boîtier PWM), commandé par le dispositif de réglage 50. En raison de leur éloignement par rapport au corps de vanne 28 15 et à la conduite d'échappement 14, le moteur pas à pas 18 et le dispositif de régulation de pression 20 ne sont pas soumis à des températures élevées et peuvent être conçus pour supporter des températures plus faibles que la vanne Toutefois, on pourrait envisager de rapprocher ces éléments en utilisant un dispositif de refroidissement, 20 tel qu'un ventilateur, ou un dispositif de protection De tels dispositifs pourraient également être rajoutés au mode de réalisation décrit. Bien entendu, d'autres modes de réalisation de la vanne glissière et/ou du dispositif de régulation de la pression peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de régulation de la pression d'échappement ( 10) d'un moteur monocylindre ( 12), ledit moteur comportant une conduite d'échappement des gaz ( 14), caractérisé en ce qu'il comprend: une vanne à glissière ( 16) apte à fonctionner à des températures élevées et comportant une lame ( 22) mobile en translation dans une glissière ( 24), ladite vanne étant disposée sur ladite conduite d'échappement de sorte que la lame peut obturer la conduite sensiblement perpendiculairement, un moteur pas à pas ( 18) commandant l'ouverture et la fermeture de la vanne à glissière, un dispositif de régulation de la pression ( 20) commandant le moteur pas à pas ( 18). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 15 moteur pas à pas ( 18) permet de déplacer la lame ( 22) de la vanne avec une précision de l'ordre du millimètre. 3 Système selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que la lame ( 22) présente une partie ( 32) sensiblement rectangulaire dont la surface est supérieure à la section de ladite conduite ( 14), et une partie 20 d'extrémité ( 34) située du côté de la lame en contact le premier avec la conduite ( 14) lors de la fermeture de la vanne, ladite partie d'extrémité présentant des dimensions inférieures à celles de la partie sensiblement rectangulaire. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bord 25 libre de ladite partie d'extrémité ( 34) présente une dimension inférieure au diamètre de la section de la conduite ( 14). Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de régulation de la pression ( 20) comprend: un capteur de pression ( 48) situé sur la conduite ( 14) en amont 30 de la vanne à glissière ( 16), un dispositif de réglage ( 50) du déplacement de la lame ( 22) de la vanne en fonction de la pression d'échappement mesurée en amont de la vanne par le capteur ( 48), des moyens électroniques de pilotage ( 52) reliés audit dispositif 35 de réglage ( 50). 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de régulation de la pression ( 20) comprend un dispositif de régulation du courant d'alimentation ( 54) audit moteur pas à pas ( 18) relié aux, et commandé par, ledit dispositif de réglage ( 50). 7 Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la lame ( 22) et sa glissière ( 24) sont disposées à l'intérieur d'un 5 corps étanche ( 28) comprenant un conduit ( 30) de passage des gaz sensiblement perpendiculaire à la lame, un axe ( 26) reliant la lame au moteur pas à pas ( 18) s'étendant dans la direction de coulissement de la lame. 8 Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 10 moteur pas à pas ( 18) entraîne en rotation une vis sans fin ( 40) coopérant avec une extrémité filetée dudit axe ( 26) de sorte que la rotation de la vis sans fin ( 40) entraîne la translation de l'axe ( 26) et le déplacement de la lame ( 22). 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il 15 comprend des fins de course ( 42) coopérant avec un chariot de positionnement ( 46) disposé sur la vis sans fin ( 40) du moteur et se déplaçant en même temps que la lame ( 22), lesdites fins de course ( 42) permettant d'arrêter le fonctionnement du moteur pas à pas ( 18) lorsque la lame ( 22) atteint des positions extrêmes prédéterminées. 10 Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le corps étanche ( 28) comprend deux parties complémentaires ( 28 a, 28 b) comportant chacune une surface de jonction ( 29) perpendiculaire au conduit ( 30), les deux surfaces de jonction ( 29) étant solidarisées ensemble de façon étanche, la glissière ( 24) étant solidaire 25 de la surface de jonction ( 29) d'une des parties, et en ce que le moteur pas à pas ( 18) est relié au corps étanche ( 28), à distance de ce dernier au moyen d'un support moteur ( 29), ce dernier étant fixé sur une plaque isolante ( 36) disposée sur le corps étanche ( 28), une vis étoupe ( 38) vissée dans la plaque isolante ( 36) assurant l'étanchéité de l'axe 30 ( 26) de la lame.