Brevet FR2940392A1 — publié le 20100625

VOLET D'OBTURATION DE CANALISATION D'UN MOTEUR THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne le domaine des volets d'obturation de canalisations de fluide et, plus particulièrement, les volets utilisés dans les véhicules automobiles pour obturer de manière hermétique une canalisation de gaz d'un moteur thermique à combustion interne. De manière classique, un volet d'obturation est monté dans une canalisation tubulaire de gaz. Le volet est monté mobile autour d'un axe d'entraînement, auquel il est fixé de manière solidaire, entre une position d'ouverture et une position d'obturation, pour contrôler la quantité de gaz circulant dans la canalisation. De manière traditionnelle, le volet se présente sous la forme d'un disque circulaire venant obturer la canalisation selon un plan sensiblement transversal à l'axe de la canalisation. L'homme du métier qui cherche à fabriquer un volet d'obturation de canalisation est confronté à un dilemme. Il doit, d'une part, obtenir un volet dont la surface d'obturation épouse au plus près la surface de passage de la canalisation et, d'autre part, autoriser un jeu suffisant entre le volet et la canalisation pour permettre au volet d'obturation de se déplacer en rotation entre ses positions d'ouverture et d'obturation. Les gaz qui circulent dans une canalisation de gaz d'un moteur à combustion interne sont des gaz à haute température (100°C-800°C). Le volet d'obturation de la canalisation, généralement en inox, a tendance à s'échauffer au contact de ces gaz chauds. Au fur et à mesure que la température du volet augmente, le volet se dilate. Ainsi, les dimensions de la surface d'obturation du volet sont plus importantes à haute température (volet dilaté) qu'à basse température (volet non dilaté). Afin d'éviter que le volet d'obturation n'exerce une force radiale sur la paroi intérieure de la canalisation lorsqu'il se dilate, on usine le volet de manière à ce que sa surface d'obturation corresponde, lorsqu'il est dilaté au maximum de ses régimes d'utilisation, à la surface de passage de la canalisation. Un tel volet présente des inconvénients certains en ce qui concerne l'étanchéité, le jeu entre le volet et la canalisation étant trop important à basse température, lorsque le volet n'est pas dilaté. On connaît également des paliers de guidage en rotation du volet dans la canalisation qui sont agencés pour drainer les calories du volet et les évacuer hors de l'ensemble formé par la canalisation et le volet. Toutefois, ces paliers ne permettent pas de drainer de manière homogène les calories du volet, alors qu'ils sont onéreux à mettre en oeuvre. Ainsi, les zones du volet les plus éloignées des paliers se dilatent et entraînent les inconvénients cités précédemment, qui plus est de manière non homogène. Afin d'éliminer au moins certains de ces inconvénients, la Demanderesse propose un volet d'obturation d'une canalisation d'écoulement de fluide d'un moteur thermique à combustion interne agencé pour être déplacé entre une position d'ouverture et une position d'obturation de l'écoulement du fluide dans la canalisation, volet caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un alliage métallique dont le coefficient de dilatation moyen pour des températures comprises entre 0 et 300 degrés Celsius (°C) est inférieur ou égal à 5.2 x 10"6 par degré Celsius. Un alliage métallique ayant un coefficient de dilatation aussi faible à ces températures permet avantageusement, dans les régimes thermiques d'utilisation du volet, de s'affranchir des dilatations et de former un volet dont la surface d'obturation correspond précisément à la surface de passage de la canalisation à laquelle le volet est destiné. Le jeu entre le volet d'obturation et la canalisation est ainsi maîtrisé. En outre, le volet est simple à fabriquer et ne nécessite pas de moyens supplémentaires devant être rapportés sur le volet. Le volet comprend en fait une protection � intégrée �, puisqu'elle résulte de la composition même du volet ; cette solution est non seulement efficace mais encore simple à mettre en oeuvre. Alors que l'homme du métier cherchait à résoudre les problèmes de dilatation avec des moyens certes originaux mais complexes à mettre en oeuvre, le mérite de la Demanderesse a été de proposer une solution en relation avec la composition même du matériau formant le volet. Des alliages métalliques ayant un faible coefficient de dilatation sont utilisés principalement dans les composants électroniques, en particulier dans les puces de silicium et pour les canons à électron des téléviseurs. De tels alliages métalliques sont de bons conducteurs de courant électrique, ce qui explique leur utilisation en électronique. En effet, en fonctionnement, lors de la circulation d'un courant électrique, les composants électroniques sont amenés à s'échauffer par effet Joule et se dilatent. La dilatation d'un composant électronique perturbe son fonctionnement, générant des imprécisions ou des erreurs logiques lors d'opérations de calcul réalisées par le composant électronique ; l'utilisation d'un alliage à faible coefficient de dilatation est donc particulièrement avantageuse dans cette application. Pour un composant électronique, la dilatation génère des inconvénients d'ordre logique, tandis que pour un volet mécanique, la dilatation génère des inconvénients d'ordre cinématique liés au déplacement du volet dans sa canalisation. L'intégration d'un alliage métallique ayant un faible coefficient de dilatation 30 dans un volet d'obturation mécanique permet de tirer parti d'avantages cinématiques de l'alliage qui n'étaient pas exploités dans leur application originelle en électronique. De préférence encore, le volet est constitué d'un alliage métallique dont le coefficient de dilatation moyen pour des températures comprises entre 0 et 200 degrés Celsius (°C) est inférieur ou égal à 2.5 x 10-6 par degré Celsius (°C-'). De préférence, le volet d'obturation est réalisé en un alliage Fer-Nickel comprenant entre 30% et 45% de Nickel. De préférence encore, le volet d'obturation est réalisé en un alliage Fer-Nickel comprenant : entre 35% et 36,5% de Nickel (Ni), entre 0% et 0,25% de Silicium (Si), entre 0% et 0,05% de Carbone (C), entre 0,2% et 0,4% de Manganèse (Mn), entre 0% et 0,0015% de Soufre (S) et entre 0% et 0,008% de Phosphore (P). Dans la plage de température des gaz circulant dans une canalisation d'un moteur thennique à combustion interne, le volet ne se dilate que très faiblement. Ainsi, le volet peut être usiné précisément de manière à ce que le jeu formé entre le volet et la canalisation soit minimum. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, le volet d'obturation est réalisé en un alliage Fer-Nickel comprenant : û 41% de Nickel (Ni), - 0,10% de Silicium (Si), - 0,02% de Carbone (C) et û 0,5% de Manganèse (Mn). L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente une vue en perspective schématique d'un volet d'obturation selon l'invention dans une canalisation de gaz et - la figure 2 représente une vue en perspective d'un volet d'obturation selon l'invention. En référence à la figure 1, un volet 20 d'obturation d'une canalisation tubulaire de fluide 30 d'un moteur thermique à combustion interne, s'étendant selon un axe Xc, comporte un corps globalement plat de forme sensiblement circulaire, avec un renflement central creux 25. Autrement dit, le volet 20 comprend une cheminée tubulaire centrale 25, s'étendant suivant un axe Z,,, et deux ailettes latérales 21, 22 symétriques par rapport à l'axe Z,,, le volet 20 étant monobloc comme représenté sur la figure 2. La cheminée tubulaire 25 s'étend selon l'axe Z, du volet 20 qui est également son axe de rotation dans la canalisation 30 ; l'axe Z, de rotation du volet est ici perpendiculaire à l'axe Xc de la canalisation. La cheminée 25 est agencée pour recevoir un arbre d'entraînement 40, ici de section circulaire, permettant d'entraîner le volet 20 en rotation dans la canalisation 30. L'arbre 40 est monté entre deux ouvertures formées dans la canalisation 30 comme représenté sur la figure 1. Le volet 20 est rendu solidaire en rotation de l'arbre 40 par des moyens appropriés, ce qui permet de l'entraîner en rotation en faisant tourner l'arbre d'entraînement 40 autour de l'axe Z. La cheminée 25 est ici de section circulaire mais il va de soi qu'elle peut se présenter sous des formes diverses telles que, par exemple, une cheminée de section carrée, rectangulaire ou comprenant un méplat pour être solidaire en rotation, par complémentarité de formes, d'un arbre d'entraînement 40 de section adaptée. 15 20 Dans le cas de la présente espèce avec une section circulaire, la cheminée 25 est rendue solidaire en rotation de son arbre d'entraînement 40 par tout moyen approprié tel qu'un ergot de l'arbre reçu dans une encoche de la cheminée 25. Le volet d'obturation 20 est réalisé ici en un alliage métallique dont le coefficient de dilatation moyen pour des températures comprises entre 0 et 300 degrés Celsius (°C) est inférieur ou égal à 5.2 x 10"6 par degré Celsius (°C"1). 10 Selon une première forme de réalisation, le volet est réalisé en un alliage métallique Fer-Nickel connu sous sa désignation commerciale N42. Composants Ni C Si Mn Fe Pourcentage des composants dans l'alliage N42 41 0.02 0.10 0.5 complément Tableau 1 : Composition de l'alliage N42 En référence au tableau 1 ci-dessus, l'alliage métallique N42 comprend principalement du Nickel (41%) et du Fer (58%-59%). Il comprend en outre du Carbone (0,02%), du Silicium (0,1%) et du Manganèse (0,5%). Le coefficient de dilatation moyen du N42 est inférieur à 4.5 x 10"6 par degré Celsius (°C"1) dans la plage de température 0-300°C, comme représenté sur le tableau 2 ci-dessous. Intervalle de Coefficient moyen température x10"6.oC"i oC 0-30 Le jeu entre le volet 20 et la canalisation 30 ne varie que faiblement dans la plage de température des gaz circulants dans la canalisation 30. Le volet 20, en alliage N42, peut ainsi être usiné précisément aux dimensions de la surface de passage de la canalisation 30, le jeu ménagé entre le volet 20 et la canalisation 30 étant faible. Cela permet de limiter le risque de fuite lors de l'obturation de la canalisation 30 par le volet 20. Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, le volet 20 est réalisé en un alliage métallique Fer-Nickel connu sous sa désignation commerciale INVAR� M93. Composants Ni C Si Mn S P Fe Pourcentage des 35- dilatation de l'INVAR � M93 est inférieur ou égal à 5.2 x 10-6 par degré Celsius (°C-') dans la plage de température 0-300 °C, comme représenté sur le tableau 4 ci-dessous. Intervalle de Coefficient moyen température x10-6.°C_1 °C 0-100 1.3 0-200 2.5 0-300 5.2 Tableau 4 : Dilatation de l'alliage INVAR � M93 en fonction de la température L'alliage INVAR� M93 présente une bonne aptitude au soudage et peut être soudé par tout type de technique (Tungsten Inert Gas (TIG), Metal Inert Gas (MIG), laser ou plasma). Il est ainsi très simple de relier l'arbre d'entraînement 40 au volet 20 par soudage. Le montage et la fixation du volet 20 dans la canalisation 30 est ici simple et rapide. En effet, comme la protection contre la dilatation est intégrée au volet 20, ce dernier est facilement manipulable. En règle générale, pour un moteur thermique à combustion interne, la température des gaz d'admission peuvent avoisiner 200°C. Or, pour la plage de température 0-200°C, le coefficient de dilatation de l'INVAR � M93 est plus faible que celui du N42. Le coefficient de dilatation moyen de l'INVAR � M93 pour des températures comprises entre 0 et 200 degrés Celsius (°C) est inférieur ou égal à 2.5 x 10-6 par degré Celsius (°C"'). L'utilisation de l'INVAR � M93 est ainsi particulièrement intéressante dans cette plage de température pour laquelle la dilatation du volet est très faible (inférieure à 2.5 x 10-6 par degré Celsius (°C"')). Grâce à cet alliage, on peut usiner la surface d'obturation du volet 20 au plus près des dimensions de la surface de passage de la canalisation 30 afin de garantir l'étanchéité de l'obturation, la très faible dilatation du volet 20 ne perturbant pas sa cinématique. Le fonctionnement du volet 20 dans la canalisation 30 va maintenant être 5 détaillé. En référence à la figure 1, un flux de gaz d'admission (G) se déplace de l'amont vers l'aval dans la canalisation 30 qui débouche ici sur les cylindres d'un moteur thermique à combustion interne. 10 Dans cet exemple, on considère le volet 20 initialement en position d'obturation dans la canalisation 30, les ailettes 21, 22 du volet 20 étant orientées sensiblement orthogonalement à l'axe de la canalisation Xe. Le volet 20, ici en INVAR � M93, est usiné de manière à ménager, en position d'obturation, un jeu 15 minimal entre le volet 20 et la surface de la canalisation 30. L'obturation de la canalisation 30 par le volet 20 est ainsi hermétique. En position d'obturation, le flux de gaz d'admission (G) est bloqué dans son déplacement dans la canalisation 30 par le volet d'obturation 20 qui s'échauffe en 20 contact des gaz (G). Le volet 20 ne se dilate que faiblement en raison du faible coefficient de dilatation moyen de l'INVAR � M93. Comme la dilatation du volet 20 est maîtrisée, la cinématique du volet 20 dans la canalisation 30 n'est pas perturbée par elle. Ainsi, pour ouvrir la canalisation 30, 25 on entraîne en rotation l'arbre d'entraînement 40 pour déplacer le volet 20 de sa position d'obturation à sa position d'ouverture, dans laquelle les ailettes 21, 22 du volet 20 sont orientées par exemple parallèlement à l'axe de la canalisation Xc. Le flux de gaz d'admission (G) est ainsi libre de se déplacer en aval du volet d'obturation 20. 30 Il a été ici décrit un volet 20 dont la surface d'obturation est circulaire mais il va de soi que d'autres formes pourraient également convenir (carrée, rectangle, oblongue ou elliptique). Il va de soi que la surface de passage de la canalisation 30 peut être adaptée en conséquence. De manière incidente, on peut obturer une canalisation de section circulaire par un volet dont la surface d'obturation est elliptique. Il va également de soi que l'entraînement du volet 20 peut être réalisé par 10 différents moyens (arbre traversant, pivot d'un seul côté du volet, etc.).5 Revendications1. Volet (20) d'obturation d'une canalisation (30) d'écoulement de fluide d'un moteur thermique à combustion interne agencé pour être déplacé entre une position d'ouverture et une position d'obturation de l'écoulement du fluide dans la canalisation (30), volet caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un alliage métallique dont le coefficient de dilatation moyen pour des températures comprises entre 0 et 300 degrés (°C) est inférieur ou égal à 5,2 x 10-6 par degré Celsius (°C"'). 2. Volet selon la revendication 1, dans lequel le volet d'obturation est réalisé en un alliage métallique dont le coefficient de dilatation moyen pour des températures comprises entre 0 et 200 degrés (°C) est inférieur ou égal à 2,5 x 10-6 par degré Celsius (°C"'). 3. Volet selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le volet d'obturation est réalisé en un alliage Fer-Nickel comprenant entre 30% et 45% de Nickel. 4. Volet selon la revendication 3, dans lequel le volet d'obturation est réalisé en 20 un alliage Fer-Nickel comprenant : entre 35% et 36,5% de Nickel (Ni), entre 0% et 0,25% de Silicium (Si), entre 0% et 0,04% de Carbone (C), entre 0,2% et 0,4% de Manganèse (Mn), 25 entre 0% et 0,0015% de Soufre (S) et entre 0% et 0,008% de Phosphore (P). 5. Volet selon la revendication 3, dans lequel le volet d'obturation est réalisé en un alliage Fer-Nickel comprenant : 30 ù 41% de Nickel (Ni), 12- 0,10% de Silicium (Si), - 0,02% de Carbone (C) et - 0,5% de Manganèse (Mn).