Brevet FR2955168A1 — publié le 20110715

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet une vanne de commande pour un circuit de circulation de liquide, en particulier de liquide de refroidissement dans un moteur à combustion interne. Une telle vanne comporte d'une part un boîtier de soupape réalisé en une ou plusieurs pièces qui est muni d'un orifice d'entrée branché sur une conduite d'entrée, ainsi que d'au moins deux orifices de sortie respectivement branchés sur une conduite de sortie et renferme d'autre part au moins deux éléments d'obturation actionnés par des moyens de commande pour ouvrir ou fermer sélectivement selon une loi prédéfinie un orifice de sortie associé lorsqu'un paramètre de fonctionnement atteint des valeurs prédéfinies. Chaque élément d'obturation est mobile entre une position d'ouverture dans laquelle il permet la circulation de liquide dans la conduite de sortie associée et une position de fermeture dans laquelle il vient en appui contre un siège pour bloquer cette circulation. Etat de la technique Les moteurs à combustion interne sont classiquement équipés de soupapes thermostatiques, en règle générale à deux ou trois voies, qui permettent de régler le débit du liquide de refroidissement, en particulier pour permettre de les amener plus rapidement à leur température de fonctionnement, ce en ralentissant ou en interdisant la circulation de ce liquide au-dessous d'une valeur de seuil prédéfinie de sa température. De telles soupapes thermostatiques sont le plus souvent constituées par des thermostats à cire à simple action ou à double action. Un thermostat à cire est composé d'un support, d'un siège de soupape, d'un élément d'obturation et d'une petite pastille de cire qui constitue son élément essentiel. A froid, l'élément d'obturation repose sur son siège et le liquide de refroidissement ne circule pas. Lorsque la température augmente, la cire se dilate et pousse l'élément d'obturation qui s'écarte de son siège, laissant ainsi passer le liquide de refroidissement. Du fait de leur structure, les thermostats à cire ont une grande inertie thermique et ne permettent que des régulations passives. Par suite, un premier inconvénient de ces thermostats est lié à la longueur de leur temps de réponse qui fait que le seuil de tempéra- 2 ture du liquide de refroidissement entraînant l'ouverture de l'élément d'obturation doit être faible. En effet, pour éviter des problèmes thermiques liés par exemple à une charge passagère du moteur, il est nécessaire de garantir que le thermostat à cire s'ouvre avant que le liquide de refroidissement atteigne des températures trop élevées. De plus, du fait de la faiblesse et de surcroît du caractère relativement instable du seuil de température d'ouverture, les thermostats à cire ne permettent pas d'obtenir une régulation très précise. lo Il en résulte que de tels thermostats ne permettent pas d'optimiser le rendement d'un moteur du point de vue de la gestion thermique. Un autre inconvénient des thermostats de ce type est lié au fait qu'ils ne sont pas de nature à commander l'ouverture et la fermeture 15 de plus de deux conduites de sortie. Or, dans les nouveaux moteurs à combustion interne, la gestion thermique devient de plus en plus complexe dans la mesure où de nombreux éléments doivent être refroidis (moteur, huile de la boîte de vitesses, huile du moteur, chauffage de la cabine du conducteur, turbo, es- 20 sence, EGR...). Pour remédier à ces inconvénients, il a récemment été pro-posé d'adjoindre à des thermostats à cire une résistance électrique de nature à réchauffer la cire et donc à accélérer l'ouverture de l'élément d'obturation. 25 Une telle adjonction permet d'augmenter la température de seuil du liquide de refroidissement et donc d'augmenter l'efficacité de la régulation ; toutefois, le temps de réponse du thermostat demeure relativement long et la précision de la régulation demeure insuffisante dans la mesure où la résistance électrique ne constitue qu'une aide à l'ouverture 30 de l'élément d'obturation et non à sa fermeture, et où la cire a toujours une inertie thermique importante. De plus, des thermostats à cire, même équipés de résistances électriques, ne sont pas de nature à commander l'ouverture et la fermeture de plus de deux conduites de sortie. 35 Afin de palier à ces inconvénients, il a déjà été proposé d'équiper des circuits de circulation de liquides de vannes de commande autres que des thermostats à cire, en particulier de vannes équipées d'éléments d'obturation rotatifs ou linéaires. 3 De telles vannes doivent toutefois être équipées de joints d'étanchéité dynamiques qui entrainent des problèmes de gestion des for-ces de friction de nature à exiger un surdimensionnement de l'actionneur augmentant ainsi l'énergie nécessaire à l'actionnement ou un surdimen- sionnement du réducteur qui pénalisera le temps de réponse. But de l'invention L'invention a pour objet de proposer une vanne de commande pour un circuit de circulation de liquide, en particulier de liquide de refroidissement dans un moteur à combustion interne de nature à remédier à ces inconvénients, ayant en particulier un temps de réponse très court grâce à une régulation dynamique de l'ouverture et de la fermeture des éléments d'obturation et permettant de commander l'ouverture et la fermeture de plus de deux conduites de sortie. Il est ainsi possible d'améliorer le rendement du moteur 15 grâce à une augmentation de la température de seuil du liquide de refroidissement et de régler une répartition du flux de ce liquide entre les différents éléments du moteur qui doivent être refroidis. Un autre objet de l'invention consiste à proposer une vanne de commande du type susmentionné se distinguant par une configuration 20 particulièrement simple et compacte, mais néanmoins peu sensible à de quelconques problèmes de gestion de forces de friction grâce à l'absence de tout joint d'étanchéité dynamique interne. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une vanne de commande 25 pour un circuit de circulation de liquide, en particulier de liquide de refroidissement dans un moteur à combustion interne comportant d'une part un boîtier de soupape muni d'au moins une ouverture d'entrée branchée sur au moins une conduite d'entrée, ainsi que d'au moins deux ouvertures de sortie respectivement branchées sur une conduite de sortie, et 30 renfermant d'autre part au moins deux éléments d'obturation actionnés par des moyens de commande pour ouvrir ou fermer sélectivement selon une loi prédéfinie une ouverture de sortie associée lorsqu'un paramètre de fonctionnement atteint des valeurs prédéfinies, chacun de ces éléments d'obturation étant mobile entre une position d'ouverture dans laquelle il 35 permet la circulation de liquide dans la conduite de sortie associée, et une position de fermeture dans laquelle il vient en appui contre un siège pour bloquer cette circulation. 4 Selon l'invention, une telle vanne est caractérisée en ce que les moyens de commande sont constitués par au moins une came mobile en translation ou en rotation et équipée d'au moins deux pistes de commande respectivement associées à un élément d'obturation et coopérant chacune avec au moins une tige suiveuse solidaire de cet élément d'obturation. Selon l'invention, le déplacement des cames est commandé par au moins un actionneur qui pourra être relié à un ou plusieurs capteur(s) sensible(s) au paramètre de fonctionnement qui peut être constitué à titre d'exemple non limitatif par un capteur de température ou un capteur de position. Un tel capteur transmet ainsi en permanence un signal à l'actionneur de commande qui déplace en réponse la came et par suite les éléments d'obturation pour ouvrir ou fermer les orifices de sortie et les conduites de sortie lorsque le paramètre de fonctionnement atteint les va-leurs prédéfinies. L'actionneur de commande du déplacement de la came, et donc de l'ouverture et de la fermeture des éléments d'obturation, peut être de type quelconque sans pour cela sortir du cadre de l'invention : électri- que, pneumatique, hydraulique... Les éléments d'obturation sont quant à eux en règle générale soumis à un mouvement linéaire axial ou radial et les éléments suiveurs peuvent avoir constamment un simple contact ou un double contact avec la piste de commande associée. Un avantage essentiel de la vanne de commande conforme à l'invention est lié au fait qu'elle permet de garantir une parfaite étanchéité en position de fermeture en l'absence de joints d'étanchéité dynamiques internes entre les éléments d'obturation et les conduites de sortie, le seul joint d'étanchéité dynamique devant être monté entre l'axe de l'actionneur et le boîtier de soupape, où les phénomènes de friction sont faibles et faciles à gérer. Un autre avantage essentiel de la vanne de commande conforme à l'invention est lié au fait qu'il est facile de modifier les conditions d'ouverture et de fermeture des orifices et des conduites de sortie par modification des pistes de commande de la came. La mise au point du système sera donc facilitée lors du dé-veloppement. Ainsi, la progressivité des ouvertures/fermetures de chaque branche pourra être optimisée selon les besoins énergétiques du moteur, ce qui est particulièrement difficile dans le cas d'éléments d'obturation linéaires ou rotatifs. 5 Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la vanne de commande est réalisée de sorte que les efforts de pression statiques et dynamiques exercés sur les éléments d'obturation par le liquide en circulation tendent à déplacer ces éléments vers leur position de fermeture. Une telle configuration permet de réduire dans une large mesure les efforts d'entraînement, donc de diminuer les dimensions et la consommation en énergie de l'actionneur et parallèlement de réduire le rapport de réduction et par suite le temps de réponse de la vanne. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, chacun des éléments d'obturation coopère avec un ressort de rappel susceptible de le maintenir à force contre son siège en position de fermeture. Dans la mesure où les éléments d'obturation tendent à être déplacés vers leur position de fermeture sous l'action de la pression exercée sur eux par le liquide en circulation, ces ressorts de rappel n'ont pas à vaincre cette pression mais agissent dans le même sens que celle-ci pour garantir l'étanchéité en position de fermeture. Pour améliorer encore cette étanchéité, il est avantageux de surmouler un joint d'étanchéité, en particulier en caoutchouc, sur l'élément d'obturation ou autour du siège de cet élément. Selon l'invention, les ressorts de rappel ont également pour fonction de faciliter le guidage des tiges suiveuses et d'augmenter les tolérances de fabrication pouvant être admises. En particulier, et selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la tige suiveuse de chacun des élé- ments d'obturation est montée, de part et d'autre de cet élément, dans deux paliers de guidage solidaires du boîtier, un jeu étant prévu au niveau d'au moins l'un de ces paliers de guidage de façon à permettre au ressort de rappel associé de compenser des désalignements ou des défauts d'orientation du siège de nature à entrainer des défauts d'étanchéité en position de fermeture. Selon l'invention, on peut à titre d'exemple prévoir un jeu au niveau de chacun des paliers de guidage des tiges suiveuses. 6 En tant que variante, il est également possible de ne prévoir un tel jeu qu'au niveau du palier de guidage le plus éloigné de la came, c'est-à-dire situé à l'opposé de celle-ci par rapport à l'élément d'obturation. Conformément à cette variante, un contact annulaire entre les tiges suiveuses et le palier de guidage le plus proche de la came ou un palier sphérique équipant les tiges suiveuses à ce niveau permet de compenser des désalignements des tiges suiveuses provoqués par des efforts tangentiels liés au profil de la came ou des défauts d'orientation du siège des éléments d'obturation. Selon l'invention, la connectique électrique des capteurs et de l'actionneur pourra être commune. Le type de liaison entre l'actionneur et la came peut égale-ment être quelconque sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, la came est constituée par un pignon rotatif ou par une crémaillère linéaire et l'actionneur est relié à celle-ci par l'intermédiaire d'une transmission à vis sans fin. Conformément à cette caractéristique, l'axe de l'actionneur est tangentiel à la came, ce qui laisse une grande liberté pour le position-20 nement de cet élément. Dessins Les caractéristiques de la vanne de commande qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 25 - la figure 1 est une vue en perspective partiellement coupée d'une vanne de commande conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective « éclatée » représentant la came et les éléments d'obturation, - la figure 3 est une coupe longitudinale de la vanne de commande, 30 - les figures 4a à 4d sont des schémas représentant le montage d'un élément d'obturation. Description d'un mode de réalisation de l'invention Selon la figure 1, la vanne de commande comprend un boîtier 1 réalisé en trois parties qui comporte un orifice d'entrée 2 représenté 35 schématiquement qui est branché sur une conduite d'entrée de liquide de refroidissement, ainsi que trois orifices de sortie qui sont respectivement branchés sur une conduite de sortie 31, 32, 33 de ce liquide. 7 Les orifices de sortie des conduites de sortie 31, 32, 33 peu-vent respectivement être fermés par un élément d'obturation circulaire 41, 42, 43 représenté plus précisément sur la figure 2. Les éléments d'obturation 4 sont mobiles entre une position d'ouverture dans laquelle ils permettent la circulation de liquide dans la conduite de sortie 3 associée et une position de fermeture dans laquelle ils viennent en appui contre un siège 5 associé solidaire du boitier 1 comme représenté sur les figures 4a à 4d pour bloquer cette circulation. Selon les figures 2, 3 et 4, le déplacement des éléments d'obturation 4 entre la position d'ouverture et la position de fermeture est commandé par une came rotative 6 qui est équipée de trois pistes de commande 71, 72, 73 respectivement associées à un élément d'obturation 41, 42, 43 (figure 2). La rotation de la came 6 est commandée par un actionneur 15 8 coopérant avec un train d'engrenages de sorte que son axe de sortie 9 et par suite la came 6 tourne à une vitesse prédéfinie. L'actionneur 8 est relié à un capteur de température 10 qui lui transmet constamment un signal représentatif de la valeur de la température du liquide entrant dans l'orifice d'entrée 2. 20 En réponse à ce signal, l'actionneur 8 commande la rotation de la came 6 et par suite l'ouverture ou la fermeture des éléments d'obturation 4. De manière plus précise et selon la figure 2, chacun des éléments d'obturation 41, 42, 43 est solidaire d'une tige suiveuse 11 25 s'étendant au travers de cet élément, à sa partie médiane. Une première extrémité 111 des tiges suiveuses 11 est constamment en contact avec la piste de commande 7 associée de la came 6 pour commander l'ouverture et la fermeture des éléments d'obturation 4. Selon les figures 4a à 4d, chacun des éléments d'obturation 30 4 coopère avec un ressort de rappel 12 susceptible de le maintenir à force contre son siège 5 en position de fermeture de façon à garantir l'étanchéité à ce niveau. La tige suiveuse 11 de chacun des éléments d'obturation 4 est montée, de part et d'autre de cet élément, dans deux paliers de gui-35 dage 131, 132 solidaires du boîtier 1. Selon les figures 4a et 4b, un jeu est prévu au niveau de chacun des paliers de guidage 131, 132 des tiges suiveuses 11. 8 Comme représenté sur la figure 4a, un tel jeu permet au ressort de rappel 12 de compenser un désalignement des tiges suiveuses 11. Comme représenté sur la figure 4b, un tel jeu permet éga-5 lement au ressort 12 de compenser un défaut d'orientation du siège 5 de l'élément d'obturation 4. Selon les figures 4c et 4d, seul est prévu un jeu au niveau du palier de guidage 132 le plus éloigné de la came 6, c'est-à-dire situé à l'opposé de celle-ci par rapport à l'élément d'obturation 4. 10 Selon la figure 4c, un contact annulaire est prévu entre la tige suiveuse 11 et le palier de guidage 131 le plus proche de la came 6. Selon la figure 4d, la tige suiveuse 11 est équipée d'un palier sphérique 14 au niveau du palier de guidage 131 le plus proche de la came 6. 15 Ces configurations permettent là encore de compenser un désalignement de la tige suiveuse 11 ou une mauvaise orientation du siège 5 de l'élément d'obturation 4. 20 NOMENCLATURE 1 Boîtier 2 Orifice d'entrée 3, 31, 32, 33 Conduite de sortie 4, 41, 42, 43 Eléments d'obturation 5 Siège 6 Came rotative 7, 72, 73 Pistes de commande l0 8 Actionneur 9 Axe de sortie Capteur de température 11 Tige suiveuse 111 Première extrémité 12 Ressort de rappel 131, 132 Palier de guidage 14 Palier sphérique20 REVENDICATIONS1 °) Vanne de commande pour un circuit de circulation de liquide, en particulier de liquide de refroidissement dans un moteur à combustion in-terne comportant d'une part un boîtier de soupape (1) muni d'au moins un orifice d'entrée (2) branché sur au moins une conduite d'entrée, ainsi que d'au moins deux orifices de sortie respectivement branchés sur une conduite de sortie (4), et renfermant d'autre part au moins deux éléments d'obturation actionnés par des moyens de commande pour ouvrir ou fer-mer sélectivement une ouverture de sortie associée lorsqu'un paramètre de fonctionnement atteint des valeurs prédéfinies, chacun de ces éléments d'obturation (4) étant mobile entre une position d'ouverture dans laquelle il permet la circulation de liquide dans la conduite de sortie (3) associée, et une position de fermeture dans laquelle il vient en appui contre un siège (5) pour bloquer cette circulation, caractérisée en ce que les moyens de commande sont constitués par au moins une came (6) mobile en translation ou en rotation et équipée d'au moins deux pistes de commande (7, 72, 73) respectivement associées à un élément d'obturation (4, 42, 43) et coopérant chacune avec au moins un élément suiveur (11) solidaire de cet élément d'obturation (4, 42, 43), le déplacement de la came (6) étant commandé par un actionneur (8) pouvant être relié à un ou plu-sieurs capteur(s) (10) sensible(s) au paramètre de fonctionnement. 2°) Vanne de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle est réalisée de sorte que les efforts de pression statiques et dynamiques exercés sur les éléments d'obturation (4) par le liquide en circulation tendent à déplacer ces éléments vers leur position de fermeture. 3°) Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chacun des éléments d'obturation (4) coopère avec un ressort de rappel (12) susceptible de le maintenir à force contre son siège (5) en position de fermeture de façon à garantir l'étanchéité à ce niveau. 4°) Vanne de commande selon la revendication 3, caractérisée en ce que 11 la tige suiveuse (11) de chacun des éléments d'obturation (4) est montée, de part et d'autre de cet élément, dans deux paliers de guidage (131, 132) solidaires du boîtier (1), un jeu étant prévu au niveau d'au moins l'un de ces paliers de guidage (131, 132) de façon à permettre de compenser des désalignements de la tige (11) ou des défauts d'orientation du siège (5), de nature à entraîner des défauts d'étanchéité en position de fermeture. 5°) Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la came (6) est constituée par un pignon rotatif ou par une crémaillère linéaire et l'actionneur (8) est relié à celle-ci par l'intermédiaire d'une transmission à vis sans fin.15