Brevet FR3002973A1 — publié le 20140912

Unité de soupape, telle qu'unité de clapet d'échappement pour véhicules automobiles L'invention concerne une unité de soupape pour des 5 unités de combustion telles que des moteurs à combustion interne, en particulier pour des véhicules automobiles, composée d'un segment de tuyau, d'un arbre de clapet monté sur et plongeant dans celui-ci, sur lequel est prévu un clapet de soupape présent dans le 10 segment de tuyau et l'arbre de clapet étant fonctionnellement relié à un arbre de sortie d'un moyen d'entraînement pour déplacer le clapet de soupape en va-et-vient entre deux positions finales, une position d'ouverture maximale et une position de fermeture 15 maximale. Avec de tels clapets d'échappement, en particulier quand ceux-ci disposent d'une commande motorisée, notamment par l'intermédiaire d'un câble, d'une tige, ou sont commandés directement ou indirectement par 20 intercalation d'un engrenage (généralement un engrenage à vis sans fin) depuis un moteur tel qu'un moteur électrique prévu en particulier sur le clapet d'échappement, il peut arriver que ce système d'actionnement devienne défaillant, que ce soit du fait 25 d'une panne de courant ou d'un défaut mécanique. Si cela se produit précisément dans une position de fermeture ou pratiquement fermée du clapet de soupape, la conséquence en est d'abord une élévation de pression incontrôlée, laquelle peut déclencher ensuite un arrêt 30 incontrôlé du moteur d'entraînement avec un endommagement de celui-ci ou d'autres composants de la transmission, lesquels peuvent éventuellement être cause d'accident, dramatique dans le cas de motocycles. Un risque particulier additionnel est la pénétration 35 d'eau projetée au niveau du clapet d'échappement, laquelle est associée à un refroidissement brusque du tuyau d'échappement chaud et peut entraîner un coincement de clapet. Pour limiter les effets de telles défaillances du système d'actionnement causées par des pannes électriques ou mécaniques, il est déjà connu de prévoir des mesures de secours, telles que le recours à un condensateur complémentaire chargé d'assurer un angle d'ouverture minimale du clapet de soupape par commande additionnelle en cas de panne de courant. Mais 10 ceci suppose un surcoût notable et de tels moyens de commande ainsi qu'un tel condensateur sont eux-mêmes sujets à défaillances, et ce d'autant plus que l'installation d'échappement est le système qui - présente les amplitudes de vibrations maximales dans la 15 transmission. La présente invention vise à supprimer les inconvénients des dispositifs de clapets d'échappement connus et à prévoir des mesures économiques et sûres pour le fonctionnement de véhicules automobiles en 20 particulier, lesquelles puissent être appliquées dans les systèmes de tuyauterie d'échappement, p. ex. en association avec une désactivation de cylindre, un recyclage des gaz d'échappement, une commande de contre-pression, pour des catalyseurs d'échappement ou 25 pour impacter les bruits de combustion ou d'échappement. Une influence sur le comportement sonore devient en outre possible. Ceci est obtenu selon l'invention pour des dispositifs du genre susmentionné par une conception du 30 clapet de soupape et/ou du segment de tuyau correspondant telle qu'un espace demeure entre le contour intérieur du segment de tuyau et le clapet de soupape dans la position de fermeture. En position « fermée » du clapet de soupape - également qualifié 35 d'obturateur - est ainsi présenté un différentiel de sections transversales, ou - vu dans la direction de flux - un différentiel entre les surfaces efficaces du contour interne de tuyau et du clapet de soupape, ou un espacement entre les contours périphériques du clapet 5 de soupape et le contour intérieur des contours opposés du segment de tuyau, afin de générer une fuite ciblée prédéterminée supérieure à la fuite obtenue par les techniques de fabrication usuelles, et qui garantisse au moins les propriétés de fonctionnement de secours du 10 moteur à combustion interne. Ceci pourra être obtenu selon une caractéristique de l'invention, en ce que le clapet de soupape présentant habituellement une section transversale au moins sensiblement circulaire et/ou le segment de tuyau 15 présentant habituellement lui aussi une section transversale au moins sensiblement circulaire seront pourvus d'une section transversale différente de la section transversale circulaire. La section transversale du segment de tuyau pourra présenter une 20 section transversale circulaire comme il était usuel jusqu'ici, et l'obturateur être formé au moins sensiblement elliptiquement (ou inversement), le grand demi-axe du clapet de soupape étant transversal à l'arbre de clapet. La position finale du clapet pourra 25 alors être prévue perpendiculaire au sens de la longueur du segment de tuyau ou être définie avant d'atteindre la position perpendiculaire et par butée des contours de clapet contre les contours du tuyau, au niveau du demi-axe long du clapet, ou bien une butée 30 séparée pourra être prévue. Une telle conception exclura dans tous les cas les coincements de clapet susmentionnés et assurera une présence fiable des propriétés de fonctionnement de secours en cas de défaut du système d'actionnement, et ce d'autant plus 35 que la fonction assurée par l'invention ne dépend pas d'autres agrégats, car elle est tout simplement réalisée par les composants existants tels que configurés conformément à l'invention. Une unité de soupape selon l'invention pourra également se distinguer en ce que le clapet de soupape présentera sur sa périphérie extérieure au moins un aplatissement, une découpe, un évidement ou similaire. Un objet particulier de l'invention est que le système d'échappement présente dans la zone du clapet de soupape une fuite ciblée prédéterminée, et par conséquent une inétanchéité ciblée prédéterminée, qui soient supérieures à la fuite et à l'inétanchéité simplement obtenues par les techniques de fabrication usuelles, et que celles-ci soient précisément sélectionnées pour garantir les propriétés de fonctionnement de secours du véhicule. Une fuite minimale, soit un différentiel de sections transversales, ou - vu dans la direction de flux - un différentiel entre les surfaces du tuyau interne et du clapet de soupape, ou un espacement entre les contours périphériques du clapet de soupape et le contour intérieur des contours opposés du segment de tuyau, pourra en l'occurrence représenter jusqu'à 30 %, en étant avantageusement compris entre 20 et 30 %, préférentiellement entre 20 et 25 %, en étant cependant tout particulièrement supérieur à 5 %. L'invention sera décrite en détail en référence aux fig. 1 à 4c, où : la fig. 1 représente une vue d'un clapet d'échappement selon l'invention, la fig. 2 une vue du clapet d'échappement en coupe suivant la ligne II-II, la fig. 3 le fragment III de la fig. 2 en 35 agrandissement, les fig. 4a à 4c illustrent d'autres possibilités de réalisation de l'invention du tuyau d'échappement et du clapet représentées depuis la ligne IV-IV de la fig. 3. Le clapet d'échappement A est représenté sous la forme d'une unité préfabriquée avec un tuyau d'échappement 1 constitué à partir d'un profilé de tuyau fermé qui est monté, notamment par soudage, dans un système d'échappement. Un point d'appui inférieur et un point d'appui supérieur 2, 3 avec des coussinets de palier 2a, 3a et des éléments de palier 4, 5 qui y sont logés servent au montage de l'arbre de clapet 6. Les deux coussinets sont raccordés au tuyau 1 de manière étanche aux gaz, p. ex. par soudage. L'élément de palier 4 du point d'appui inférieur 2a est un palier lisse avec une fonction d'appui axial, ce pour quoi l'arbre 6 repose par un épaulement 6a contre la face frontale inférieure du palier 4 et cela sous la contrainte d'une force de ressort axiale. Le point d'appui inférieur est fermé de manière étanche par rapport à l'extérieur au moyen d'un couvercle 7. Une console 8, qui est soudée par des branches en U 8a au tuyau 1, sert avec une plaque de maintien 9 25 fixée sur celle à l'appui du moyen d'actionnement B, ici un câble. Un ressort hélicoïdal 10 s'appuie d'un côté par une extrémité 10a contre un bras 9a dirigé vers le haut de la plaque de maintien 9ab et d'un autre côté par son autre extrémité 10b contre un bras 12a 30 dirigé vers le bas d'une rondelle inférieure 12ab. La rondelle 12, qui est solidaire en rotation avec l'arbre 6, forme avec une rondelle 13 sur laquelle elle est fixée, la poulie pour l'âme du câble B. Le ressort 10 est prévu de manière à maintenir le 35 clapet de soupape fixé sur l'arbre 6 dans une position d'ouverture quand le câble est relâché à cet effet par un moteur d'entraînement. Dans cette position, le ressort contraint le bras 12b de la rondelle 12 contre le bras 9b servant de butée de la plaque de maintien 9. Le ressort 10, un ressort de pression, exerce une précontrainte axiale sur la face frontale de l'élément de palier 4 au moyen de la rondelle 12, de l'arbre 6 et de l'épaulement 6a prévu sur celui-ci. La position d'ouverture de l'obturateur 11, autrement dit la position de repos, est exagérée en fig. 1 ainsi qu'en fig. 2. Dans les fig. 1 et 2, l'obturateur 11 est réalisé aplati, elliptiquement en l'occurrence, par rapport au tuyau 2. Il a une forme différente de la forme circulaire habituelle, donc, dans le présent exemple d'exécution, avec le grand demi-axe perpendiculaire à l'arbre de clapet 6. Une telle exécution est en particulier - mais pas exclusivement - avantageuse en association avec des entraînements de clapet où - au lieu de l'entraînement par câble représenté en fig. 1 - un moteur d'entraînement électrique est utilisé, lequel entraîne directement ou indirectement l'arbre de clapet 6. De tels entraînements peuvent être prévus autobloquants et avec une coupure de l'alimentation en énergie pour économiser celle-ci, quand aucune énergie n'est exigée pour le mouvement. Les moteurs d'entraînement peuvent en l'occurrence être autobloquants en tant que tels, p. ex. être freinés ou bloqués, etc., ou bien un agrégat en aval du moteur d'entraînement, tel qu'un engrenage autobloquant, un engrenage à vis sans fin p. ex., pourra être prévu sur le trajet de transmission de force. De tels entraînements présenteront toutefois l'inconvénient en cas de panne de courant, quand l'obturateur se trouve précisément en position fermée ou pratiquement fermée, de ne pouvoir le sortir de cette position, le moteur à combustion interne s'arrêtant alors de manière incontrôlée. Ceci pourra survenir aussi, en particulier pour des motocycles, quand, l'obturateur étant fermé - celui-ci subissant 5 une-dilatation thermique plus rapide et plus forte que le tuyau d'échappement parce qu'il est situé au coeur du flux de gaz chaud - un refroidissement brusque du tuyau d'échappement se produit, notamment sous l'effet d'eau projetée, suivi d'un coincement de l'obturateur - avec 10 des conséquences catastrophiques pour lesdits motocycles. Il ressort de la fig. 1 que l'obturateur 11 représenté au moyen d'une ligne discontinue en position de fermeture lia est aplati au moins sensiblement 15 elliptiquement par rapport au tuyau 1, avec son petit demi-axe dans le sens de l'arbre 6, si bien que même en cas de panne du système d'actionnement, un débit minimal, ou une fuite ou un inétanchéité ciblée sont assurés ici en fonction du passage de fluide 14, donc 20 en fonction de la différence entre les surfaces utiles du clapet 11 et du tuyau 1. Il s'est avéré qu'une fuite minimale de pouvait être fonctionnelle jusqu'à 30 %, celle-ci étant avantageusement comprise entre 20 et 30 %, particulièrement avantageusement entre 20 et 25 25 %, préférentiellement entre 10 et 20, en étant toutefois supérieure à 5 %. Mais cet effet pourra également être obtenu en ce que le tuyau et le clapet, ou le clapet seulement, auront une forme différente de la forme circulaire et 30 en ce qu'une fuite minimale ciblée sera prévue entre ceux-ci, laquelle sera (sensiblement) supérieure à l'interstice résultant des tolérances de fabrication usuelles. L'application du clapet contre le tuyau en position de fermeture de la vanne sera alors réalisée par butée d'au moins une zone de clapet distante de l'arbre. En fig. IVa, la fuite est obtenue en recourant à un obturateur llaa conventionnel au moins sensiblement circulaire dans un segment de tuyau la d'une installation d'échappement, à section transversale non circulaire, en l'occurrence elliptique et réalisé comme tuyau profilé. Pour des applications exceptionnelles, il pourra aussi être avantageux de pourvoir chacun des 10 deux composants, l'obturateur et le segment de tuyau, d'une section transversale autre que circulaire avec un passage correspondant en position finale « fermée » du clapet. Mais, pour des applications définies, il pourra également être avantageux le cas échéant, 15 indépendamment du fait qu'une fuite ou une perte de débit volumique supérieures aux tolérances données sont ou non présentées dans la position la plus fermée du clapet de soupape - de pourvoir aussi d'une section transversale autre que circulaire au moins le segment 20 de tuyau de l'unité de clapet d'échappement et les zones en amont et/ou en aval du système de tuyau d'échappement, et cela au moins sur des longueurs importantes, p. ex. en cas de conditions de manque de place ou d'encombrement, et de recourir également à un 25 tuyau profilé pour ces segments. Suivant une autre conception inventive, il sera également possible - indépendamment de l'utilisation de clapets d'échappement - de pourvoir des zones du système de tuyau d'échappement distantes des clapets d'échappement 30 d'une section transversale différant sensiblement, au-delà des tolérances usuelles, de la section circulaire, des segments étant formés d'un tuyau profilé, tel qu'un tuyau aplati avec un profil au moins sensiblement constant, s'étendant sur des longueurs du système de 35 tuyau d'échappement supérieures à ce qui est normalement le cas pour des zones de transition d'un profil de tuyau à un autre ou à d'autres dimensions de tuyau. Il pourra aussi être avantageux de recourir à cette section transversale autre que circulaire et au clapet de soupape devant l'extrémité de l'installation d'échappement, soit directement en tant qu'extrémité de l'installation d'échappement, même au lieu d'un obturateur de tuyau termihal, la section transversale de la partie d'extrémité de l'installation d'échappement ainsi que le clapet de soupape, autrement dit tout l'aspect visuel de cette zone, pouvant être adaptés au design du véhicule et/ou au comportement de bruit souhaité. Ceci pourra également être avantageux dans les cas où jusqu'ici plusieurs, notamment deux tuyaux d'échappement débouchaient sur un obturateur de tuyau terminal commun. Désormais, au lieu de ceci, les deux extrémités de tuyau d'échappement pourront être pourvues d'un obturateur et d'un / de clapet(s) de soupape configuré(s) en conséquence. De tels modes de réalisation de l'invention sont décrits dans la demande de brevet d'invention allemande DE 10 2013 003 981.9 du 10 mars 2013, dont le contenu intégral est ici intégré à la présente demande. Les fig. 4b et 4c représentent d'autres possibilités de réalisation d'une fuite ciblée et prédéterminée dans la position la plus fermée des clapets llb et 11c dans les carters lb et lc, les encoches, découpes, aplatissements llba, llbb, llbc ou autres pouvant être prévus en tant que profilage unique ou multiple sur le clapet, y compris avec une répartition irrégulière. Pour réaliser cela, au moins le segment de tuyau opposé à l'obturateur pourra aussi - ou en plus - présenter un renflement correspondant. L'obturateur pourra également être perforé en conséquence. La fig. 3, laquelle représente un fragment III de la fig. 2, illustre finalement la conception du point d'appui 3. Après insertion de l'arbre 6 et du palier lisse 4 par le bas dans le coussinet de palier 2a et par leur partie supérieure dans le coussinet de palier 3a, et la mise en place du corps de palier 5 en pointillés, lequel repose de manière relativement lâche entre l'arbre 6 et le coussinet 3a, celui-ci est comprimé par application d'une force F prédéterminée au moyen d'un poinçon annulaire, jusqu'à ce qu'il prenne la forme 5a en gris, le matériau étant soumis à une déformation plastique, l'élément de palier 5 rendant alors étanche l'arbre 6 ainsi que le coussinet 3a et l'arbre 6 étant simultanément logé. Le degré de déformation est déterminé, outre par la pression à appliquer, par la course axiale sur laquelle le coussinet de palier est refoulé par le poinçon, les deux étant à prendre en compte pour assurer une déformation suffisante du corps de palier, ici en graphite tendre renforcé par des fils métalliques tressés, sans que la cohésion du corps de palier en soit affectée. REVENDICATIONS1. Unité de soupape, composée d'un segment de tuyau, d'un arbre de clapet (6) monté sur et plongeant 5 dans celui-ci, sur, lequel est prévu un clapet de soupape présent dans le segment de tuyau et l'arbre de clapet (6) étant fonctionnellement relié à un arbre de sortie d'un moyen d'entraînement pour déplacer le clapet de soupape en va-et-vient entre une position 10 d'ouverture et une position de fermeture, caractérisée en ce qu'un espace demeure entre le contour intérieur du segment de tuyau et le clapet de soupape dans la position de fermeture. 15 2. Unité de soupape, en particulier selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet de soupape et/ou le segment de tuyau présentent une section transversale différente d'une section transversale au moins sensiblement circulaire. 20 3. Unité de soupape, en particulier selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le clapet de soupape est de forme plus plate que le tuyau. 25 4. Unité de soupape, en particulier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le clapet de soupape est de forme au moins sensiblement elliptique. 30 5. Unité de soupape, en particulier selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le grand demi-axe du clapet de soupape est orienté au moins sensiblement perpendiculairement à l'arbre de clapet (6). 35 6. Unité de soupape, en particulier selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le clapet de soupape présente sur sa périphérie extérieure au moins un aplatissement, une découpe, un évidement ou similaire. 7. Système d'échappement recourant à une unité de soupape, en particulier selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système d'échappement présente au niveau du clapet de soupape une fuite ciblée prédéterminée, supérieure à la fuite obtenue par les techniques de fabrication usuelles. 8. Système d'échappement recourant à une unité de soupape, en particulier selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système d'échappement présente au niveau du clapet de soupape une fuite ciblée prédéterminée, supérieure à la fuite obtenue par les techniques ou les tolérances de fabrication usuelles.