Brevet FR2926125A1 — publié le 20090710

Vanne trois voies à deux volets L'invention concerne une vanne trois voies à deux volets et cette invention est née d'un problème de boucle EGR d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant, en référence à la figure 7 en annexe, le moteur 21, un collecteur d'échappement 22 des gaz de combustion, une turbine 25 de turbo-compresseur 24, la boucle de recirculation des gaz d'échappement (EGR) 28, avec un refroidisseur 29 et la vanne trois voies 30 basse pression disposée en amont du compresseur 26 du turbo-compresseur 24 et reliée à lui par sa sortie et comportant deux entrées pour recevoir de l'air frais et les gaz d'échappement refroidis, en un mélange dont la pression est augmentée dans le compresseur 26, et un collecteur d'admission 23 du moteur pour recevoir les gaz d'échappement et l'air du compresseur. La vanne trois voies pourrait également être disposée du côté froid du moteur, avec une entrée en aval du compresseur du turbo-compresseur, et deux sorties reliées respectivement à l'échappement et au refroidisseur de la boucle EGR. La boucle EGR vise à réduire l'émission de dioxyde d'azote, par diminution de la température de combustion, par ralentissement de la combustion du mélange comburant et absorption d'une partie des calories. Le refroidisseur de la boucle EGR permet de faire chuter la température de combustion à fort régime (forte charge). Pour revenir à la vanne trois voies disposée du côté du collecteur d'admission, du côté froid, plusieurs modes opératoires de la vanne trois voies et donc du moteur peuvent être envisagés. Le moteur peut ne recevoir que de l'air frais, sans gaz d'échappement recirculés. Le moteur peut recevoir de l'air frais mélangé à une partie des gaz d'échappement, la différence de pression entre l'échappement et l'admission du moteur étant suffisante pour assurer la recirculation des gaz d'échappement. Quand la différence de pression n'est pas suffisante pour la recirculation des gaz d'échappement et pour assurer le bon taux EGR, on peut créer une contre-pression par étranglement de la voie d'échappement en aval de la boucle EGR, pour ainsi forcer une partie des gaz d'échappement vers la voie d'admission du moteur. Cette solution, par sa complexité, n'est toutefois pas très satisfaisante et il est préférable d'utiliser la boucle EGR de la façon suivante. - Le débit de l'air frais dans la voie d'arrivée de l'air de la vanne EGR étant maximum, - on ouvre progressivement la voie des gaz EGR dans la vanne et, - avant que le débit des gaz EGR dans la vanne n'augmente plus, - on ferme progressivement la voie d'arrivée de l'air frais pour continuer de faire croître le débit des gaz EGR, suivant une courbe monotone croissante. L'invention de la présente concerne d'abord, mais non exclusivement, une vanne trois voies à deux volets pour pouvoir utiliser la boucle EGR comme défini ci-dessus et qui soit d'un bon prix et d'un encombrement aussi réduit que possible. Naturellement, la demanderesse n'entend pas limiter l'application de la vanne de l'invention à l'utilisation développée ci-dessus de la boucle EGR et c'est pourquoi son invention concernera, de façon générale, toute vanne trois voies à deux volets qui doivent être actionnés avec un déphasage temporel. Dans ce cas, celui évoqué ci-dessus, les deux volets sont disposés dans les deux voies d'entrée de la vanne, dans l'autre, dans les deux voies de sortie. Ainsi, l'invention concerne une vanne trois voies à deux volets respectivement disposés dans deux des trois voies de la vanne comprenant des moyens de commande et d'actionnement des volets pour les entraîner en pivotement de l'une à l'autre de deux positions d'ouverture et de fermeture des voies, caractérisée par le fait qu'il est prévu des moyens de commande uniques pour les deux volets et des moyens d'actionnement agencés pour être commandés par les moyens de commande uniques et pour actionner les deux volets avec un déphasage temporel. De préférence, les moyens de commande comprennent un moteur à courant continu, - les moyens d'actionnement comprennent une cinématique d'engrenages attaquée par un pignon dentée de l'arbre du moteur de commande et qui engrène avec une roue dentée cylindrique intermédiaire à deux dentures coaxiales, respectivement de rapports d'engrenage différents, - la roue intermédiaire coopère avec deux couronnes dentées solidaires en rotation des deux volets. Dans la forme de réalisation préférée de la vanne de l'invention, les volets sont disposés dans ses deux voies d'entrée, la vanne étant alors une 15 vanne de boucle EGR pour côté froid, reliée au collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode d'utilisation de la vanne trois voies de l'invention ainsi que de la 20 vanne trois voies elle-même, en référence au dessin en annexe, sur lequel - les figures la, 1b, 1c, 1d illustrent les quatre modes d'utilisation de la vanne trois voies de la boucle EGR dont l'utilisation particulière et décrite ci-après ; - les figures 2a, 2b, 2c représentent les courbes de débit d'air (la), de 25 débit naturel de gaz d'échappement EGR (dgn) et de débit, forcé selon le procédé d'utilisation, de gaz d'échappement EGR (dgf), en fonction des positions angulaires (a) des volets correspondants ; - la figure 3 est une vue en perspective de la cinématique d'une vanne trois voies à deux volets, selon l'invention, volet d'air ouvert et volet des gaz 30 fermé ; - la figure 4 est une vue de la vanne de la figure 3, volet des gaz en position d'ouverture partielle ; - la figure 5 est une vue de la vanne de la figure 3, volet des gaz ouvert et volet d'air fermé ; - la figure 6 est une vue partielle en perspective de la cinématique d'une vanne trois voies selon une variante du mécanisme de déphasage temporel de la fermeture du volet d'air par rapport à l'ouverture du volet des gaz et - la figure 7 représente de façon simplifiée, la boucle EGR utilisée selon le mode illustré sur la figure 1. La vanne EGR 1 des figures la, lb, 1c, schématiquement, comporte une entrée d'air 2, une entrée de gaz d'échappement recirculés 3 et une sortie d'air et de gaz 4. La vanne 1 est ici une vanne à deux volets, un volet 5 dans la voie d'entrée d'air 2 et un volet 6 dans la voie d'entrée de gaz 3. Tout d'abord, le volet d'air 5 est dans une position angulaire (0°) permettant un débit d'air maximal dans la voie 2 et le volet d'arrivée des gaz 6, dans une position angulaire (90°) obturant la voie 3. Puis, sans que le volet d'air 5 ne pivote, le volet d'arrivée des gaz 6 commence à pivoter pour ouvrir progressivement la voie 3 aux gaz d'échappement EGR (figure la). Il s'agit de la zone I des courbes 2. Puis, le volet d'air 5 restant dans la même position d'ouverture maximale de l'entrée d'air 3, le volet des gaz 6 pivote pour considérablement ouvrir la voie des gaz 6 (figure 1 b). Il s'agit de la zone II des courbes 2. Dans une certaine position angulaire du volet des gaz 6, ici de 35°, c'est-à-dire après une rotation de 55°, le débit des gaz dans la voie 3 n'augmente pratiquement plus et, tout en continuant de faire pivoter le volet des gaz 6, on commence alors à faire pivoter le volet d'air 5 pour fermer la voie d'arrivée d'air 2, avec un déphasage temporel correspondant, et, ainsi, forcer le moteur à aspirer d'avantage de gaz EGR (figure l c). On entre dans la zone III des courbes 2, la courbe de débit des gaz d'échappement s'infléchissant pour continuer de monter. Cette zone III s'étend jusqu'à ce que le volet des gaz 6 atteigne la position angulaire O° d'ouverture maximale de la voie d'entrée de gaz 3 et que le volet d'air se trouve dans la position angulaire (90°) d'obturation de la voie d'entrée d'air 2. Pour la mise en oeuvre de l'alimentation de la vanne EGR trois voies 1, telle que définie ci-dessus, cette vanne trois voies présente la cinématique qui va maintenant être décrite en référence aux figures 3 à 5. 10 La cinématique de la vanne trois voies 1 comporte un engrenage s'étendant, ici, entre un moteur à courant continu 7 et deux arbres 51, 61 d'entraînement en rotation du volet d'air 5 et du volet des gaz 6, respectivement. Les deux arbres 51, 61 s'étendent parallèlement l'un à l'autre. 15 De l'arbre 14 du moteur 7 est solidaire un pignon 8 d'entraînement d'une roue dentée intermédiaire 9 portant une denture périphérique 10 et une denture centrale 11. 20 La denture périphérique 10 de la roue intermédiaire engrène avec une couronne dentée 12 d'entraînement en rotation du volet d'air 5. La couronne dentée 12 est libre en rotation par rapport à l'axe 51 du volet 5. L'entraînement en rotation de ce volet 5 par la couronne 12 se fait par l'intermédiaire d'un doigt d'entraînement 15 qui est, lui, solidaire en rotation 25 de l'axe 51 du volet 5. Ce doigt 15 est disposé au repos contre une butée réglable 16 solidaire du corps de la vanne (non représenté). La couronne 12 comporte une échancrure angulaire 17 adaptée à permettre la rotation libre de la couronne 12 sur un secteur angulaire défini, sans entraîner le doigt 15, c'est-à-dire le volet 5. C'est lorsque la couronne 12 est entraînée en rotation 30 au-delà de ce secteur angulaire, dans un sens ou dans l'autre, que le bord de l'échancrure 17 entraîne alors le doigt 15.5 La denture centrale 11 de la roue intermédiaire 9 engrène quant à elle avec une couronne dentée 13 d'entraînement en rotation du volet des gaz 6. La couronne dentée 13 est solidaire en rotation de l'axe 61 du volet 6. Le volet 6 est donc entraîné en rotation directement par la rotation de la couronne 13, tandis que le volet 5 est entraîné en rotation seulement lorsque la couronne 12 entraîne en rotation le doigt 15. Dans l'exemple considéré, le moteur 7, par son pignon 8, entraîné en rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, entraîne la roue intermédiaire 9 en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. A son tour, la roue 9, par ses dentures 10, 11 entraîne, dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, les deux couronnes dentées 12, 13, qui sont donc entraînées en rotation par la même roue intermédiaire 9, mais via deux dentures différentes 10, 11. Le rapport d'engrenage entre l'arbre 14 du moteur 7 et le volet des gaz 6 est ici de 15,67, le rapport entre l'arbre 14 et le volet d'air 5 lorsqu'il est entraîné étant de 6,67. Le mécanisme de déphasage de la fermeture du volet d'air 5 va maintenant être décrit. Les figures 3, 4, et 5 montrent les couronnes et roues dentées à différentes étapes de la rotation du pignon 8. De la figure 3 à la figure 4, les couronnes 12 et 13 sont entraînées dans le sens contraire des aiguilles d'une montre de sorte provoquant l'ouverture du volet 6 tandis que le volet 5 reste immobile et ce grâce à l'échancrure angulaire 17. Sur la position de la figure 4, l'un des bords de cette échancrure 17 vient en contact avec le doigt 15. La rotation de la couronne 12 se poursuit alors en direction de la position représentée figure 5, le doigt 15 (et par conséquent le volet 5) étant alors entraîné en rotation. Le volet 5 se ferme donc avec un déphasage temporel permis par l'échancrure 17. Une variante de réalisation du mécanisme de déphasage est représentée à la figure 6. Selon cette variante, une traverse 50 à deux bras radiaux 52, 53 est montée sur l'arbre 51 du volet 5. Chacun des bras 52, 53 comporte à son extrémité un doigt d'entraînement 54, 55, s'étendant sensiblement parallèlement à l'arbre 51. Dans la couronne dentée 12 sont ménagées deux lumières circulaires 56, 57 d'entraînement des doigts 54, 55 en translation circulaire. Les doigts 54, 55 s'étendent respectivement dans ces deux lumières 56, 57. Tant que les doigts 54, 55 ne sont pas en appui contre l'un des fonds 58 des lumières 56, 57, l'arbre 51 et le volet d'air 5 ne peuvent pas être entraînés en rotation. Dès que les doigts 54, 55 viennent en butée contre les fonds respectifs des deux lumières 56, 57, la couronne dentée 12 les entraîne avec elle, ce qui provoque la mise en rotation du volet 5. Pour assurer le fonctionnement correct de la vanne trois voies, il faut que l'ouverture angulaire des lumières soit inférieure à 180°. Si ag est l'angle de rotation du volet des gaz 6, aa, l'angle de rotation du volet d'air 5, la relation (1) doit être satisfaite (ag -aa) x % 30° (2) Le rapport d'engrenage R = ag doit alors satisfaire la relation (3) aa R 35 Dans l'exemple évoqué ci-dessus, on a considéré 30 R = 15,67 =2'35 6,67 Les lumières circulaires 56, 57 sont ménagées dans la couronne 12 par rapport au secteur denté de la couronne 12 en tenant compte de l'amplitude de la rotation angulaire du volet des gaz 6 avant que le volet d'air 5 ne commence sa rotation. La vanne qui vient d'être décrite est remarquable par son unicité de 10 commande, au seul niveau du moteur à courant continu 7, ce qui la rend d'un meilleur prix et d'un encombrement réduit. Cette commande peut être réalisée à l'aide d'un pont en H, bien connu de l'homme du métier, avec deux paires d'interrupteurs en série et le 15 composant à commander ù ici le moteur ù relié aux deux points milieux des deux paires d'interrupteurs, les deux paires étant branchées entre une tension batterie et la masse. 20 25 30 REVENDICATIONS 1 - Vanne trois voies (1) à deux volets (5,6) respectivement disposés dans deux des trois voies (2,3) de la vanne comprenant des moyens (7-12) de commande et d'actionnement des volets (5,6) pour les entraîner en pivotement de l'une à l'autre de deux positions d'ouverture et de fermeture des voies (2,3), caractérisée par le fait qu'il est prévu des moyens de commande uniques (7) pour les deux volets (5,6) et des moyens d'actionnement (9-12) agencés pour être commandés par les moyens de commande uniques (7,8) et pour actionner les deux volets (5,6) avec un déphasage temporel. 2 - Vanne trois voies selon la revendication 1, dans laquelle les 15 moyens de commande comprennent un moteur à courant continu (7). 3 - Vanne trois voies selon la revendication 2, dans laquelle les moyens d'actionnement comprennent une cinématique d'engrenages (9-12) attaquée par un pignon denté (8) de l'arbre du moteur de commande (7) et 20 qui engrène avec une roue dentée cylindrique intermédiaire (9) à deux dentures coaxiales (10, 11). 4 - Vanne trois voies selon la revendication 3, dans laquelle la roue intermédiaire (9) coopère avec deux couronnes dentées (12, 13) solidaires 25 en rotation des deux volets (5,6). 5 - Vanne trois voies selon l'une des revendications 1 à 4, dans lesquelles les volets (5,6) sont disposés dans ses deux voies d'entrée (2,3), la vanne étant alors une vanne de boucle EGR pour côté froid, reliée au 30 collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile.