Brevet FR3026778A1 — publié le 20160408

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE A TROIS BOBINES [0001] L'invention a trait à la commande des soupapes dans un moteur à combustion interne. Elle concerne, plus précisément, un actionneur électromagnétique pour soupape dans un tel moteur. [0002] La commande des soupapes doit satisfaire les contraintes suivantes. D'abord, le mouvement des soupapes doit être rapide et précis, pour faciliter l'admission, respectivement l'évacuation, des gaz. Ensuite, la course des soupapes doit être suffisante pour garantir un débit important des gaz, qu'il s'agisse de l'admission ou de l'évacuation. Enfin, les efforts transmis aux soupapes doivent être importants (notamment à l'évacuation), pour vaincre la pression régnant dans la chambre de combustion. [0003] Traditionnellement, la commande des soupapes dans les moteurs à combustion interne est réalisée mécaniquement par un système de distribution comprenant un ou plusieurs arbre(s) à cames qui entraînent les soupapes, soit directement, soit indirectement par l'intermédiaire de culbuteurs. Un arbre à came est couplé en rotation au vilebrequin par une courroie ou une chaîne de distribution. [0004] Cette technique a fait ses preuves mais elle présente un inconvénient majeur : elle ne permet aucune régulation de la commande des soupapes, sauf ponctuellement lors du réglage (essentiellement manuel) de la distribution, lors duquel on procède au calage des arbres à cames. Des systèmes de calage variable ont, certes, été imaginés mais leur mise au point est complexe, ce qui a sans aucun doute empêché leur généralisation à l'ensemble du parc automobile. En outre, il peut apparaître aux régimes élevés un phénomène d'affolement des soupapes, qui ne suivent plus le mouvement commandé par l'arbre à cames, généralement en raison d'un dysfonctionnement des ressorts de rappel des soupapes. Si l'affolement des soupapes produit en général une baisse de puissance, il peut aller jusqu'à provoquer une casse du moteur en raison de chocs des soupapes sur les pistons. [0005] Une technique alternative de commande des soupapes est l'actionnement électromagnétique. Dans cette technique, chaque soupape est entraînée au moyen d'un actionneur électromagnétique. Un ou plusieurs aimants génèrent un champ électromagnétique apte à mouvoir, par la force de Laplace, un support sur lequel est enroulée une bobine parcourue par un courant électrique et dont est solidaire la soupape. [0006] Cette technique est notamment connue du brevet français FR 2 797 297, qui décrit un actionneur électromagnétique pour soupape de moteur à combustion interne, comprenant : une armature définissant au moins deux circuits magnétiques superposés, à savoir un circuit magnétique supérieur et un circuit magnétique inférieur, chaque circuit magnétique incluant un aimant, une pièce polaire externe annulaire ferromagnétique, en contact avec l'aimant, et un noyau central ferromagnétique, la pièce polaire et le noyau définissant entre eux un entrefer ; un équipage mobile incluant : o une carcasse munie d'un corps tubulaire plongé dans l'entrefer, o une bobine enroulée dans l'entrefer sur le corps de la carcasse ; et 0 une soupape solidaire de la carcasse. [0007] Si cet actionneur donne satisfaction en théorie, sa mise en oeuvre concrète est délicate car les efforts générés sur la soupape peuvent s'avérer insuffisants. [0008] Un objectif est de proposer un actionneur électromagnétique qui réponde à l'ensemble des contraintes associées à la commande des soupapes : bonne rapidité, bon contrôle, course suffisante des soupapes, importance des efforts transmis. [0009] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un actionneur électromagnétique pour soupape de moteur à combustion interne, qui comprend : une armature définissant au moins deux circuits magnétiques superposés, à savoir un circuit magnétique supérieur et un circuit magnétique inférieur, chaque circuit magnétique incluant un aimant, une pièce polaire externe annulaire ferromagnétique, en contact avec l'aimant, et un noyau central ferromagnétique, la pièce polaire et le noyau définissant entre eux un entrefer ; un équipage mobile incluant : 0 une carcasse munie d'un corps tubulaire plongé dans l'entrefer, o une bobine enroulée dans l'entrefer sur le corps de la carcasse ; o une soupape solidaire de la carcasse ; dans cet actionneur : les aimants sont annulaires et s'étendent autour du noyau, l'équipage mobile comprend au moins trois bobines, à savoir : o une bobine supérieure qui s'étend au droit du circuit magnétique supérieur, o une bobine centrale qui s'étend entre le circuit magnétique supérieur et le circuit magnétique inférieur, o une bobine inférieure qui s'étend au droit du circuit magnétique inférieur. [0010] La présence de trois bobines permet d'accroître les efforts transmis à la soupape via la carcasse, au bénéfice de l'efficacité de l'actionneur. [0011] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : l'aimant de chaque circuit magnétique est intercalé entre une paire de pièces polaires ; - l'armature comprend une pièce polaire centrale, commune au circuit magnétique supérieur et au circuit magnétique inférieur ; la bobine centrale s'étend au droit de la pièce polaire centrale ; chaque pièce polaire est chanfreinée ; chaque circuit magnétique peut comprendre deux aimants superposés ; l'armature comprend un couvercle réalisé dans un matériau non magnétique et auquel est fixé le circuit magnétique supérieur ; le noyau est percé d'un alésage, et l'équipage mobile est pourvu d'un conduit solidaire de la carcasse, logé dans l'alésage et dans lequel circulent des fils électrique d'alimentation des bobines. Il est proposé, en deuxième lieu, un moteur à combustion interne équipé d'un actionneur tel que présenté ci-dessus et, en troisième lieu, un véhicule automobile équipé d'un tel moteur. [0012] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique illustrant un véhicule (en pointillés) équipé d'un moteur à combustion interne (en trait plein) ; la figure 2 est une vue schématique en coupe partielle illustrant le moteur, équipé de soupapes commandées chacune par un actionneur électromagnétique ; la figure 3 est une vue en coupe à échelle agrandie montrant un actionneur électromagnétique. [0013] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile - ici un véhicule particulier mais il pourrait s'agir de tout autre type de véhicule : utilitaire, camion, engin de chantier. [0014] Le véhicule 1 est équipé d'un moteur 2 à combustion interne muni de cylindres 3 définissant des chambres 4 de combustion et dans lesquels sont montés coulissants des pistons 5 liés, par des bielles 6, à un vilebrequin 7 dont la rotation entraîne les roues 8 du véhicule 1 via une transmission (non représentée). [0015] Le moteur 2 comprend, pour chaque cylindre 3, au moins une soupape 9 d'admission et une soupape 9 d'échappement. Chaque soupape 9 comprend une tige 10 qui s'étend suivant un axe X central qui définit une direction axiale. A une extrémité de la tige 10 est formée une tête 11. Chaque soupape 9 est mobile en translation par rapport à une culasse 12 du moteur 2 entre une position fermée dans laquelle la tête 11 de la soupape 9 s'appuie contre un siège 13 pour obturer un conduit 14 d'admission (ou, respectivement, un conduit 15 d'échappement) et une position ouverte dans laquelle la tête 11 est écartée du siège 13 pour mettre en communication le cylindre 3 avec le conduit 14 d'admission (ou, respectivement, le conduit 15 d'échappement). [0016] Dans l'exemple illustré, le moteur 2 est du type diesel à injection directe et comprend, à cet effet, un injecteur 16 qui débouche directement dans la chambre 4 de combustion, mais il pourrait s'agir de tout autre type de moteur à combustion interne : essence, à injection indirecte, hybride. [0017] Chaque soupape 9 est commandée en position par un actionneur 17 électromagnétique. Cet actionneur 17 est lui-même piloté par une unité 18 de contrôle informatisée équipée d'un processeur programmable. [0018] Comme on le voit sur la figure 3, chaque actionneur 17 comprend, en premier lieu, une armature 19 qui définit au moins deux circuits magnétiques superposés, à savoir un circuit 20 magnétique supérieur et un circuit 21 magnétique inférieur. [0019] Chaque circuit 20, 21 magnétique inclut un aimant (respectivement un aimant 22 supérieur et un aimant 23 inférieur), de préférence réalisé dans un alliage de terre rare néodyme-fer-bore, qui présente l'avantage d'offrir une densité énergétique élevée (jusqu'à douze fois plus importante que celle d'un aimant permanent de ferrite de baryum de taille équivalente). Chaque aimant 22, 23 est annulaire et s'étend de manière symétrique de révolution autour de l'axe X central. Chaque circuit 20, 21 magnétique inclut également une pièce 24, 25, polaire externe annulaire, symétrique de révolution autour de l'axe X central, en contact avec l'aimant 22, 23 respectif et réalisée dans un matériau ferromagnétique (c'est-à-dire dans un matériau propre à s'aimanter lorsque plongé dans un champ magnétique). Ce matériau est par exemple un acier doux. [0020] Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 3, chaque circuit 20, 21 magnétique comprend en fait deux aimants 22, 23 superposés (à savoir respectivement une paire d'aimants 22 supérieurs et une paire d'aimants 23 inférieurs), ce qui étire axialennent le champ magnétique (illustré en trait mixte) généré. [0021] Plus précisément, et comme représenté sur la figure 3, le circuit 20 magnétique supérieur comprend une pièce polaire 24 supérieure, qui s'étend à une extrémité supérieure de l'armature 19. De manière symétrique, le circuit 21 magnétique inférieur comprend une pièce 25 polaire inférieure, qui s'étend à une extrémité inférieure de l'armature 19, à l'opposé de la pièce 24 polaire supérieure. [0022] Selon un mode préféré de réalisation illustré sur la figure 3, l'armature 19 comprend une pièce 26 polaire centrale qui s'étend entre le circuit 20 magnétique supérieur et le circuit 21 magnétique inférieur. Plus précisément, la pièce 26 polaire centrale est prise en sandwich entre les aimants 22 supérieurs et les aimants 23 inférieurs. [0023] Les pièces 24, 25, 26 polaires présentent avantageusement des chanfreins 27, 28, 29 qui ont pour fonction de concentrer le champ magnétique en évitant sa dispersion. Les chanfreins 27, 28 de la pièce 24 polaire supérieure et, respectivement, de la pièce 25 polaire inférieure confère à chacune, en section radiale (figure 3), un contour sensiblement triangulaire. Quant à la pièce 26 polaire centrale, elle présente un chanfrein 29 double qui confère à sa face externe, en section radiale, un contour en V. [0024] Chaque circuit 20, 21 magnétique comprend en outre un noyau 30 central réalisé dans un matériau ferromagnétique (par ex. en acier doux). Selon un mode de réalisation préféré illustré sur la figure 3, l'armature comprend un noyau 30 unique, commun aux deux circuits 20, 21 magnétiques, qui se présente sous forme d'un cylindre de révolution autour de l'axe X central. Le noyau 30 s'étend d'une extrémité 31 supérieure, située au droit de la pièce 24 polaire supérieure, jusqu'à une extrémité 32 inférieure, située au droit de la pièce 25 polaire inférieure. Le noyau 30 présente avantageusement des chambrages 33, 34 respectifs à chacune de ses extrémités 24, 25, de sorte à concentrer le champ magnétique en combinaison avec les chanfreins des pièces polaires 24, 25. [0025] Le noyau 30 est logé de manière concentrique dans un alésage 35 défini intérieurement et conjointement par les aimants 22, 23 et les pièces 24, 25, 26 polaires. En d'autres termes, les aimants 22, 23 et les pièces 24, 25, 26 polaires s'étendent de manière annulaire autour du noyau 30. Le diamètre externe du noyau 30 est inférieur au diamètre interne de l'alésage 35, de sorte qu'est défini, entre le noyau 30 et les pièces polaires 24, 25, 26, un entrefer, c'est-à-dire un espace dans lequel le champ magnétique est dirigé sensiblement radialement. Plus précisément, trois entrefers sont définis entre le noyau 30 et les pièces polaires 24, 25, 26 : un entrefer 36 supérieur entre le noyau 30 et la pièce 24 polaire supérieure, un entrefer inférieur 37 entre le noyau 30 et la pièce 25 polaire inférieure, un entrefer 38 central entre le noyau 30 et la pièce 26 polaire centrale. [0026] Les circuits 20, 21 magnétiques génèrent chacun un champ magnétique dont les lignes de champ sont toriques autour de l'axe X central. Des lignes de champ sont ainsi esquissées en trait mixte sur la figure 3. [0027] Sur la figure 3, le signe « + » désigne par convention un pôle nord et le signe « - » un pôle sud. Les aimants 22 du circuit 20 magnétique supérieur et les aimants 23 du circuit 21 magnétique inférieur sont empilés de manière symétrique, de manière à conférer une polarité unique à la pièce 26 polaire centrale, et de sorte à générer des champs magnétiques de sens inverses. De la sorte, le sens des lignes de champ dans l'entrefer 38 central est constant, et inverse au sens des lignes de champ de l'entrefer 35 supérieur et de l'entrefer 36 inférieur. Le sens des lignes de champ est indiqué sur la figure 3 par des flèches noires superposées aux lignes en trait mixte. [0028] Comme on le voit sur la figure 3, l'armature 19 comprend en outre un couvercle 39 qui surmonte le circuit 20 magnétique supérieur auquel il est fixé. Ce couvercle 39, réalisé dans un matériau non magnétique (par exemple dans une matière plastique, dans un matériau composite ou encore dans un acier inoxydable), présente une surface 40 interne complémentaire de la pièce 24 polaire supérieure et du chambrage 33 supérieur du noyau 30 pour s'emboîter parfaitement sur ces pièces 24, 30. La fixation du couvercle 39 sur la pièce 24 polaire supérieure et le noyau 30 est de préférence réalisée par collage, ce qui présente l'avantage de ne pas altérer le champ magnétique. [0029] Le collage est également privilégié pour réaliser l'assemblage des circuits 20, 21 magnétiques, c'est-à-dire que : la pièce 24 polaire supérieure est collée à l'aimant 22 supérieur (dans le cas, illustré, où le circuit 20 magnétique supérieur comprend deux aimants 22, ceux-ci sont également mutuellement collés), la pièce 25 polaire inférieure est collée à l'aimant 23 inférieur (dans le cas, illustré, où le circuit 21 magnétique inférieur comprend deux aimants 23, ceux-ci sont également mutuellement collés), la pièce 26 polaire centrale est collée à l'aimant 22 supérieur et à l'aimant 23 inférieur. [0030] De la sorte, l'armature 19 forme un ensemble rigide, dont les éléments 22, 23, 24, 25, 26, 30, 39 sont de préférence inséparables une fois assemblés. [0031] Ainsi qu'illustré sur la figure 3, l'actionneur 17 comprend en outre un équipage 41 mobile, qui inclut une carcasse 42 réalisée dans un matériau non magnétique, par ex. dans une matière plastique ou dans un matériau composite. La carcasse 42 comprend une base 43 qui s'étend hors de l'armature 19 et un corps 44 tubulaire qui s'étend en saillie axiale à partir de la base 43. Le corps 44 s'étend sensiblement sur toute la hauteur de l'armature 19 entre le noyau 30 et les circuits 20, 21 magnétiques. Le corps 44 présente une section 45 supérieure plongée dans l'entrefer 36 supérieur, une section 46 inférieure plongée dans l'entrefer 37 inférieur, et une section 47 centrale plongée dans l'entrefer 38 central. [0032] L'équipage 41 mobile comprend en outre trois bobines réalisée chacune par enroulement hélicoïdal d'un fil réalisé dans un matériau conducteur de l'électricité (à section ronde ou rectangulaire), à savoir : o une bobine 48 supérieure enroulée sur la section 45 supérieure (de préférence de diamètre rétréci, comme illustré sur la figure 3) du corps 44, et qui s'étend de la sorte au droit du circuit 20 magnétique supérieur en étant plongée dans l'entrefer 36 supérieur, o une bobine 49 inférieure enroulée sur la section 46 inférieure (de préférence de diamètre rétréci, comme illustré sur la figure 3) du corps 44, et qui s'étend au droit du circuit 21 magnétique inférieur en étant plongée dans l'entrefer 37 inférieur, o une bobine 50 centrale enroulée sur la section 47 centrale (de préférence de diamètre rétréci, comme illustré sur la figure 3) du corps 44, et qui s'étend entre le circuit 20 magnétique supérieur et le circuit 21 magnétique inférieur - c'est-à-dire au droit de la pièce 26 polaire centrale - en étant plongée dans l'entrefer 38 central. [0033] Comme on le voit sur la figure 3, la soupape 9 est intégrée à l'équipage 41 mobile en étant solidaire de la carcasse 42. La soupape 9 peut être directement fixée sur la carcasse 42 ; selon un mode de réalisation préféré cependant, illustré sur la figure 3, l'équipage 41 mobile comprend un support 51 fixé sur la base 43 de la carcasse 42 (par exemple au moyen de vis 52), et sur lequel est fixée la soupape 9 (par exemple par vissage). Dans l'exemple illustré, le support 51 présente une forme complémentaire du chambrage 34 inférieur dans lequel il vient se loger en position de fermeture de la soupape 9. Un jeu est toutefois préservé entre le support 51 et le chambrage 34 pour compenser la dilatation de la soupape 9 en fonctionnement. [0034] Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 3, le noyau 30 peut être percé d'un alésage 53 axial, l'équipage 41 mobile étant pourvu d'un conduit 54 solidaire de la carcasse 42 et logé dans cet alésage 53. Ce conduit 54 sert de chemin de câble pour la circulation de fils électriques d'alimentation des bobines 48, 49, 50 via le support 51, de sorte que les connexions électriques se fassent en dehors de l'actionneur 17, par exemple au-delà d'une extrémité supérieure du conduit 54. Le conduit 54 étant solidaire de la carcasse 42, il doit pouvoir se mouvoir axialement par rapport au noyau 30 ; à cet effet, un jeu de fonctionnement est prévu entre l'alésage 53 central du noyau 30 et le conduit 54. [0035] La circulation, sur la commande de l'unité 18 de contrôle, d'un même courant électrique dans les bobines 48, 49, 50 plongées dans leurs entrefers 36, 37, 38 respectifs génère, par interaction avec le champ magnétique radial régnant dans les entrefers 36, 37, 38, une force connue sous le nom de « force de Laplace » qui produit un déplacement de chaque bobine 48, 49, 50, entraînant avec elle l'ensemble de l'équipage 41 mobile. [0036] La force de Laplace est proportionnelle au champ magnétique, à l'intensité du courant et à la longueur du solénoïde constituant chaque bobine 48, 49, 50. On peut donc accroître la force de Laplace générée sur chaque bobine en doublant l'enroulement de chaque bobine 48, 49, 50, comme illustré sur la figure 3, c'est-à-dire en formant deux enroulements superposés. Cette superposition permet, pour chaque bobine 48, 49, 50, de boucler les fils électriques et de réaliser, en conséquence, de localiser les connexions de chaque bobine 48, 49, 50 dans une zone restreinte. [0037] En outre, dans l'exemple représenté sur la figure 3, la bobine 50 centrale présente une hauteur (et donc une longueur de solénoïde) supérieure à celles de la bobine 48 supérieure et de la bobine 49 inférieure. Il en résulte que la force de Laplace générée dans la bobine 50 centrale est supérieure à celles générées dans la bobine 48 supérieure et dans la bobine 49 inférieure, au bénéfice d'un meilleur équilibrage de la résultante des efforts générés sur la carcasse 42. [0038] L'actionneur 17 qui vient d'être décrit présente les avantages suivants. Premièrement, le caractère électromagnétique de l'actionneur 17 permet de supprimer les classiques arbres à cames et donc de réduire l'encombrement du haut moteur. [0039] Deuxièmement, la réalisation annulaire des aimants 22, 23 et des pièces 24, 25, 26 polaires, qui s'étendent autour du noyau 30, permet d'accroître leurs dimensions et par conséquent l'intensité du champ magnétique généré, au bénéfice d'une augmentation des efforts transmis à la soupape 9. [0040] Troisièmement, les chanfreins 27, 28, 29 formés sur les pièces 24, 25, 26 polaires permettent de concentrer les champs magnétiques dans les entrefers 36, 37, 38, au bénéfice également d'une augmentation des efforts transmis à la soupape 9. [0041] Quatrièmement, la présence de trois bobines 48, 49, 50 permet d'augmenter encore les efforts transmis à la soupape 9, tout en les répartissant au mieux le long du corps 44 de la carcasse 42. [0042] L'augmentation des efforts transmis à la soupape 9 contribue à l'efficacité de l'actionneur 17 et donc à l'efficacité énergétique du moteur 2. [0043] En choisissant pour la carcasse 42 un matériau léger (par exemple un matériau composite, typiquement à base de fibre de verre ou de carbone), on diminue la masse (et donc l'inertie) de l'équipage 41 mobile, au bénéfice de la rapidité de l'actionneur 17. [0044] La forme chanfreinée des pièces 24, 25, 26 polaires permet également d'accroître leur dimension axiale (tout en limitant leur masse), et donc d'augmenter la dimension axiale des entrefers 36, 37, 38. Il en résulte une augmentation de la course de la soupape 9, au bénéfice du débit de gaz (en admission et/ou en échappement), et donc des performances du moteur 2. [0045] On notera que, bien qu'il ne soit pas indispensable, un ressort peut être ajouté à l'actionneur 17 pour rappeler la soupape vers une position d'équilibre. REVENDICATIONS1. Actionneur (17) électromagnétique pour soupape (9) de moteur (2) à combustion interne, qui comprend : une armature (19) définissant au moins deux circuits (20, 21) magnétiques superposés, à savoir un circuit (20) magnétique supérieur et un circuit (21) magnétique inférieur, chaque circuit (20, 21) magnétique incluant un aimant (22, 23), une pièce (24, 25) polaire externe annulaire ferromagnétique, en contact avec l'aimant (22, 23), et un noyau (30) central ferromagnétique, la pièce (24, 25) polaire et le noyau (30) définissant entre eux un entrefer (36, 37, 38) ; un équipage (41) mobile incluant : o une carcasse (42) munie d'un corps (44) tubulaire plongé dans l'entrefer (36, 37, 38), o une bobine (48, 49, 50) enroulée dans l'entrefer (36, 37, 38) sur le corps (44) de la carcasse (42) ; o une soupape (9) solidaire de la carcasse (424), caractérisé en ce que : les aimants (22, 23) sont annulaires et s'étendent autour du noyau (30), l'équipage (41) mobile comprend au moins trois bobines, à savoir : O une bobine (48) supérieure qui s'étend au droit du circuit (20) magnétique supérieur, 0 une bobine (49) centrale qui s'étend entre le circuit (21) magnétique supérieur et le circuit (20) magnétique inférieur, O une bobine (50) inférieure qui s'étend au droit du circuit (21) magnétique inférieur. 2. Actionneur (17) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant (22, 23) de chaque circuit (20, 21) magnétique est intercalé entre une paire de pièces (24, 25, 26) polaires. 3. Actionneur (17) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'armature (19) comprend une pièce (26) polaire centrale, commune au circuit (20) magnétique supérieur et au circuit (21) magnétique inférieur. 4. Actionneur (17) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine (50) centrale s'étend au droit de la pièce (26) polaire centrale. 5. Actionneur (17) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pièce (24, 25, 26) polaire est chanfreinée. 6. Actionneur (17) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque circuit (20, 21) magnétique comprend deux aimants (22, 23) superposés. 7. Actionneur (17) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature (19) comprend un couvercle (39) réalisé dans un matériau non magnétique et auquel est fixé le circuit (20) magnétique supérieur. 8. Actionneur (17) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (30) est percé d'un alésage (53), et en ce que l'équipage (41) mobile est pourvu d'un conduit (54) solidaire de la carcasse (42), logé dans l'alésage (53) et dans lequel circulent des fils électriques d'alimentation des bobines (48, 49, 50). 9. Moteur (2) à combustion interne équipé d'un actionneur (17) selon l'une des revendications précédentes. 10. Véhicule (1) automobile équipé d'un moteur (2) selon la revendication 9.