Brevet FR3004768A1 — publié le 20141024

DISPOSITIF DE COMMANDE PNEUMATIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de commande pneumatique. L'invention est particulièrement adaptée à la commande d'une soupape de décharge de débit de gaz d'échappement envoyés à la roue de turbine d'un turbocompresseur. Arrière-plan technologique Les turbocompresseurs sont largement utilisés dans le domaine automobile pour alimenter un moteur à combustion interne en air au-delà de la pression atmosphérique. Un turbocompresseur est constitué d'une turbine et d'un compresseur entrainé par un arbre commun. Le turbocompresseur est disposé dans un moteur à combustion interne de sorte que les gaz d'échappement entrainent la turbine. Le compresseur, placé dans le conduit d'admission du moteur et entrainé par la rotation de la turbine, aspire et comprime l'air ambiant, avant son envoi dans les cylindres du moteur. Pour garantir les niveaux de performances et de prestation du turbocompresseur, la quantité de gaz d'échappement traversant la turbine doit être régulée. A cet effet, à l'exemple du document EP0976919A2 on a incorporé au turbocompresseur une soupape de décharge disposée en amont de la turbine du turbocompresseur qui permet de dévier les gaz d'échappement envoyés à la turbine du turbocompresseur vers un conduit de dérivation, communément appelé « by-pass » en anglais, qui débouche en aval de la turbine. La soupape de décharge, communément appelé « wastegate » en anglais est actionnée par un dispositif de commande pneumatique qui permet de contrôler l'ouverture de la soupape de décharge et donc le débit de gaz d'échappement traversant la turbine. La figure 1 présente un exemple connu de dispositif de commande pneumatique de soupape de décharge de turbocompresseur par dépression. Sur la figure 1, le dispositif 1 de commande pneumatique comprend un corps creux 2 dans lequel est monté un diaphragme 3. Le diaphragme 3 étanche sépare le corps creux 2 en deux chambres A, B. Le diaphragme 3 peut se présenter sous la forme d'une membrane élastomère. 35 Le dispositif de commande 1 comprend encore une tige de commande 4 s'étendant longitudinalement selon un axe A-A, fixée par une de ses extrémités au diaphragme 3 et traversant la première chambre A par un orifice 5 de passage de la tige de commande 4. L'orifice 5 est ajusté de sorte que la tige 4 peut y coulisser et que la première chambre A forme un coussin d'air en cas de déplacement de la tige. L'ajustement peut être assuré par une bague d'étanchéité 6. La seconde chambre B comprend un ressort 7 de rappel ainsi qu'une ouverture 8 destinée à recevoir une source d'énergie pneumatique, par exemple une source de dépression. Lorsqu'aucune dépression n'est appliquée par l'ouverture 8, le ressort 7 repousse le diaphragme et contraint la tige 4 de commande dans une position 0 de repos. Lorsqu'une dépression déterminée est appliquée dans la seconde chambre B, la pression dans la première chambre A exerce une force sur le diaphragme qui contraint le ressort 7 à se rétracter. La tige de commande 4 se déplace alors linéairement dans l'axe longitudinal A- A d'une distance X par rapport à sa position de repos 0, qui correspond à une position d'équilibre des efforts en jeu. La distance X est comprise entre la position de repos 0 et une position de fin de course F. La distance entre la position 0 et la position F constitue la course du dispositif 1 de commande Un tel dispositif constitue un système masse/ressort possédant une raideur équivalente qui dépend de la raideur des ressorts de rappel et des coussins d'air contenus dans chacune des chambres A, B. Sous certaines hypothèses définies ci-après, la raideur équivalente du dispositif 1 de commande pneumatique décrit en figure 1 peut se déterminer ainsi : On considère : FA : effort appliqué sur le diaphragme 3 par la première chambre A, PA pression dans la première chambre A, SA: surface de la membrane dans la chambre A, VA : volume de la première chambre A, FB : effort appliqué sur le diaphragme 3 par la seconde chambre B, PB pression dans la seconde chambre B, SB : surface du diaphragme 3 dans la seconde chambre B, VB : volume de la seconde chambre B, FR : effort appliqué sur le diaphragme 3 par le ressort 7 de rappel, KR : raideur du ressort 7 de rappel, - LRL : longueur du ressort 7 de rappel à l'état libre, - Ltotal : course du dispositif 1 de commande pneumatique, - X : position d'équilibre de la tige 4 de commande, - dX : variation de déplacement de la position de la tige 4 de commande, - FA' : effort appliqué sur le diaphragme 3 par la première chambre A avec une variation de déplacement +dX, - VA' : volume de la première chambre A avec une variation de déplacement +dX, - Fg' : effort appliqué sur le diaphragme 3 par la seconde chambre B avec une variation de déplacement +dX, - Vg' volume de la seconde chambre B avec une variation de déplacement +dX, - FR' : effort appliqué sur le diaphragme 3 par le ressort 7 de rappel avec une variation de déplacement +dX, - R' : effort résultant d'une variation de déplacement, - Keq : raideur équivalente du dispositif de commande pneumatique 15 A l'équilibre, pour une position X donnée, on a: FA + FB + FR = 0 En projetant sur l'axe A-A longitudinal, on obtient : FA - FB - FR = 0 Ainsi : PA - SA - PB - SB - KR - (Ltotal X 1-RL)=0 , d'où : P = p SA _K (Ltotal - X - LRL ) 20 B A R SB Si on considère un déplacement, dX, rapide, c'est-à-dire que l'on considère que l'air des chambres A et B n'a pas le temps de s'échapper, le système n'est plus à l'équilibre et on obtient : ±É'B±É'R = R', soit en projection sur l'axe longitudinal A-A : FA -PB -FR = R' 25 total (X + dX) - LRL R' En considérant les fluides comme adiabatiques, on pose : P - V7 = constante, où y est le rapport de la capacité calorifique à pression constante sur la capacité calorifique à 30 volume constant. On obtient alors : PA A - SA - PB - B - SB KR - (1-total - (X + dX) - LRL ) R' V'V' A) B) Or, VA = X. SA et VB = (I_total X) . SB Ainsi, PA - SA 1( X 7 - 1} PB SB 1( L total x 7 1 K R - dX = R' X-EcIX,Ltotal - X - dX Pour un système masse / ressort, autour de son point d'équilibre, la raideur équivalente est alors donnée par : Keq = PA - SA - 1 + PB - SB 'Y + K R X L total X La figure 2 illustre un exemple obtenu par simulation d'évolution de la raideur équivalente en fonction de la position de la tige de commande. Or cette raideur équivalente est à l'origine de fréquences de résonances qui engendrent des déplacements involontaires de la tige 4 de commande et de l'organe, par exemple une soupape de décharge de turbocompresseur, commandé par cette tige, ce qui provoque une mauvaise régulation et de l'usure des composants mobiles. Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'obtenir un dispositif de commande pneumatique qui améliore la régulation et réduit l'usure lié à du déplacement intempestif de tige de commande. Pour résoudre ce problème, il est prévu selon l'invention un dispositif de commande pneumatique comprenant un corps creux dans lequel est monté un diaphragme, une tige de commande traversant par un orifice de passage le corps creux et reliant le diaphragme de sorte à être mobile avec ledit diaphragme, la partie de la tige de commande extérieure au corps creux étant destinée à être reliée à un organe à commander, le diaphragme comprenant deux faces délimitant dans le corps creux avec la première face une première chambre et avec la seconde face une seconde chambre, la seconde chambre comprenant une ouverture destinée à être reliée à une source d'énergie pneumatique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle d'un débit de fuite d'air de la première chambre. L'effet technique est que l'ajustement de la fuite de la première chambre permet d'ajuster la raideur de son volume d'air et donc la raideur globale du système. L'ajustement de la raideur permet de mieux maitriser les fréquences de résonance et par conséquent de réduire les déplacements intempestifs de la tige de commande dus aux phénomènes de résonance. De préférence, le débit de fuite d'air de la première chambre est fonction de la position de la tige de commande. De préférence, les moyens de contrôle du débit de fuite d'air comprennent, sur une partie de la tige de commande passant à travers l'orifice de passage au cours de son déplacement, une variation de section transversale de ladite partie de tige de commande. De préférence, ladite partie de la tige de commande comprend une couronne en saillie. De préférence, ladite partie de la tige de commande comprend une rainure. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comprenant un turbocompresseur équipé d'une soupape de décharge de débit de gaz d'échappement envoyés à la roue de turbine du turbocompresseur, caractérisé en ce que la soupape de décharge est actionnée par un dispositif de commande pneumatique selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique, en coupe longitudinale, d'un dispositif de commande pneumatique de l'art antérieur. - La figure 2 est un graphique présentant un exemple obtenu par simulation d'évolution de la raideur équivalente en fonction de la position de la tige de commande. - La figure 3 est une représentation schématique, en coupe longitudinale, d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de commande pneumatique de l'invention, selon une première position de la tige de commande. - La figure 4 est une représentation schématique, en coupe longitudinale, du premier de mode de réalisation d'un dispositif de commande pneumatique de l'invention, selon une seconde position de la tige de commande. - la figure 5 est un graphique présentant l'amplitude des déplacements liés au phénomène de résonance, selon le débit de fuite d'air. Description détaillée Les figures 3 et 4 présentent maintenant un mode de réalisation d'un dispositif de commande pneumatique selon l'invention. Les éléments identiques à la figure 1 sont repris avec les mêmes références. La figure 4 diffère de la figure 3 en ce que la tige de commande est dans une position différente. Sur la figure 3, le dispositif de commande pneumatique 1 comprend un corps creux 2 dans lequel est monté un diaphragme 3. Le diaphragme 3 comprend deux faces 9, 10 et délimite dans le corps creux 2avec la première face 9 une première chambre A et avec la seconde face 10 une seconde chambre B. Le diaphragme 3 sépare de manière étanche les deux chambres A, B. Le diaphragme 3 peut se présenter sous la forme d'une membrane élastomère. Le dispositif de commande 1 comprend encore une tige de commande 4 s'étendant longitudinalement selon un axe A-A, reliée par un de ses cotés au diaphragme 3, par exemple par une de ses extrémités, de sorte à être mobile avec ledit diaphragme 3. La tige de commande 4 traverse la première chambre A par un orifice 5 de passage de la tige. L'orifice 5 est ajusté de sorte que la tige 4 peut y coulisser et que la première chambre A forme un coussin d'air en cas de déplacement de la tige. L'ajustement peut être assuré par une bague d'étanchéité 6. L'autre côté de la tige de commande 4 est destinée à être reliée à un organe à commander, par exemple une soupape de décharge d'un turbocompresseur. La seconde chambre B comprend une ouverture 8 destinée être reliée à une source d'énergie pneumatique, dans cet exemple une source de dépression. La seconde chambre B comprend aussi un ressort 7 de rappel. Le fonctionnement est le suivant : Lorsqu'aucune dépression n'est appliquée par l'ouverture 8, le ressort 7 repousse le diaphragme 3 et contraint la tige 4 de commande dans une position 0 de repos, visible sur la figure 4. Lorsqu'une dépression déterminée est appliquée dans la seconde chambre B, la pression dans la première chambre A exerce une force sur le diaphragme qui contraint le ressort 7 à de rétracter. La tige de commande 4 se déplace alors linéairement dans l'axe longitudinal A-A d'une distance X par rapport à sa position de repos 0, qui correspond à une position d'équilibre des efforts en jeu. La distance X est comprise entre la position de repos 0 et une position de fin de course F. La distance entre la position 0 et la position F est désignée comme la course du dispositif 1 de commande pneumatique. Au cours du déplacement de la tige de commande 4, qui peut être compris entre la position 0 et la position F, une partie de la tige de commande 4 de même longueur que le déplacement passe à travers l'orifice 5 de passage. Conformément à l'invention, le dispositif 1 de commande pneumatique comprend des moyens de contrôle d'un débit de fuite d'air de la première chambre A. Le contrôle du débit de fuite d'air permet en effet d'influencer la raideur de la première chambre A et donc la fréquence de résonance du dispositif 1 de commande pneumatique. Dans le mode de réalisation présenté aux figures 3 et 4, la variation du débit de fuite d'air est avantageusement réalisée par une variation de section de passage entre la tige de commande 4 et l'orifice 5 de passage, ce qui permet d'ajuster la fuite de la première chambre A en fonction de la position de la tige de commande. Ainsi, dans le mode de réalisation présenté aux figures 3 et 4, les moyens de contrôle du débit de fuite d'air comprennent sur la partie de la tige de commande 4 passant à travers l'orifice 5 de passage au cours de son déplacement une variation de section transversale. Par section transversale, on entend une section selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal A-A. Cette variation de section transversale de la tige de commande 4 permet de faire varier la section de passage d'air entre la tige de commande 4 et l'orifice 5, en fonction de son déplacement linéaire, c'est-à-dire en fonction de la position X de la tige. La figure 3 montre une première position de la tige de commande 4 pour laquelle la section transversale de la tige de commande est ajustée à une première valeur de section Si dans l'orifice de passage 5 pour laquelle le débit de fuite est considéré suffisamment faible pour que la raideur équivalente telle que détaillée précédemment est dépendante de la première chambre A. La figure 4 montre une seconde position de la tige de commande 4 pour laquelle la section transversale de la tige de commande est ajustée à une seconde valeur de section S2 dans l'orifice de passage 5 pour laquelle le débit de fuite est considéré suffisamment élevé pour que la raideur équivalente telle que détaillée précédemment devient indépendante de la première chambre A. Dans ce cas, la raideur équivalente dépend uniquement du ressort de rappel 7 et du coussin d'air de la seconde chambre B. la raideur équivalente Keq s'écrit alors : Keq - PB SB 'Y +K Ltotal - X Dans ce mode de réalisation, le changement de section est binaire et formé par une couronne 11 en saillie sur la tige de commande 4. La figure 5 présente graphiquement une simulation de fonctionnement d'un dispositif de commande pneumatique de l'invention commandant une soupape de décharge de turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne. Sur la figure 5 une première courbe 12 présente en ordonnée l'amplitude des déplacements intempestifs de la tige de commande liés au phénomène de résonance, en fonction du régime moteur N, lorsque la raideur du dispositif est dépendant de la raideur de la première chambre A, c'est-à-dire lorsque le jeu est faible entre l'orifice de passage 5 et la tige de commande 4 (cas illustré par la figure 3). La seconde courbe 13 présente en ordonnée l'amplitude des déplacements intempestifs de la tige de commande liés au phénomène de résonance, en fonction du régime moteur N, lorsque la raideur du dispositif est indépendante de de la raideur de la première chambre A, c'est-à-dire lorsque le jeu entre l'orifice de passage 5 et la tige de commande 4 est important (cas illustré par la figure 4). L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit aux figures 3 et 4. Dans une variante non représentée la tige de commande peut comprendre sur la partie passant à travers l'orifice de passage au cours de sa course une variation de section transversale formée autrement que par une couronne en saillie. La variation de section transversale peut ainsi être la réalisée de manière compacte par une rainure. Dans une autre variante non représentée, les moyens de contrôle du débit de fuite peuvent être aménagé au niveau de la première chambre A sur le corps creux, par exemple au moyen d'une soupape pilotée de mise à l'air première chambre A. Cette variante est cependant plus complexe que le principe préféré présenté aux figures 3 et 4. Ce dispositif convient particulièrement à la commande pneumatique d'organe mobile tel qu'une soupape de décharge d'un turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de commande pneumatique comprenant un corps creux (2) dans lequel est monté un diaphragme (3), une tige de commande (4) traversant par un orifice (5) de passage le corps creux (2) et reliant le diaphragme (3) de sorte à être mobile avec ledit diaphragme (3), la partie de la tige de commande (4) extérieure au corps creux (2) étant destinée à être reliée à un organe à commander, le diaphragme (3) comprenant deux faces (9, 10) délimitant dans le corps creux (2) avec la première face (9) une première chambre (A) et avec la seconde face (10) une seconde chambre (B), la seconde chambre (B) comprenant une ouverture (8) destinée à être reliée à une source d'énergie pneumatique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle d'un débit de fuite d'air de la première chambre (A). 2. Dispositif (1) de commande pneumatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de fuite d'air de la première chambre (A) est fonction de la position de la tige de commande (4). 3. Dispositif (1) de commande pneumatique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du débit de fuite d'air comprennent, sur une partie de la tige de commande (4) passant à travers l'orifice (5) de passage au cours de son déplacement, une variation de section transversale de ladite partie de tige de commande (4). 4. Dispositif (1) de commande pneumatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de la tige de commande (4) comprend une couronne en saillie. 5. Dispositif (1) de commande pneumatique selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la partie de la tige de commande (4) comprend une rainure. 6. Moteur à combustion interne comprenant un turbocompresseur équipé d'une soupape de décharge de débit de gaz d'échappement envoyés à la roue de turbine du turbocompresseur, caractérisé en ce que la soupape de décharge est actionnée par un dispositif de commande pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes.30