Brevet FR3054001A1 — publié le 20180119

-1- SYSTE1VIE DE COMMANDE HYDRAULIQUE DE SOUPAPES POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE AVEC RECUPERATION D'ENERGIE MAXIMALE Domaine technique La présente invention concerne un système de commande hydraulique d'une soupape, notamment pour moteur thermique de véhicule automobile ou de poids lourds. L'invention concerne également un mécanisme comprenant au moins une soupape et un tel système. L'invention concerne également un moteur de véhicule automobile ou de poids lourds comprenant un tel mécanisme, et un procédé de mise en oeuvre d'un tel mécanisme. Le domaine de l'invention est celui des systèmes de commande de soupapes sans cames (« camless » en anglais). Arrière-plan de l'invention De manière connue, le principe de fonctionnement d'un moteur camless consiste à piloter individuellement chaque soupape sans utiliser d'arbre à cames. En pratique, les soupapes sont actionnées directement par un système de commande comprenant des actionneurs hydrauliques et/ou électromagnétiques. Un tel système permet de réduire la consommation du moteur et de prévoir une distribution variable, qui s'adapte facilement à différentes conditions de fonctionnement du véhicule en service. Le document US5248123 décrit un exemple de système de commande hydraulique de soupape. Le système comprend une pompe hydraulique, une bâche hydraulique, et deux circuits délimités de part et d'autre d'une valve moteur. Lors de la sortie de la soupape, le premier circuit est alimenté en fluide sous pression par la pompe, tandis que le second circuit est relié à la bâche. Lors du retour de la soupape, le second circuit à son tour est alimenté en fluide sous pression par la pompe, tandis que le premier circuit est relié à la bâche. Ces mises à la bâche entraînent des pertes d'énergie au sein du système, ce qui n'est pas satisfaisant. 3054001 -2- Exposé de l'invention Le but de la présente invention est de proposer un système de commande amélioré. 5 A cet effet, l'invention a pour objet un système de commande hydraulique d'une soupape, notamment pour moteur de véhicule automobile ou poids lourd, ce système comprenant : - un circuit amont présentant une première pression ; 10 - un circuit aval qui comporte une chambre de volume variable délimité par la soupape et présentant une seconde pression ; - une électrovanne de pilotage qui est interposée entre le circuit amont et le circuit aval, et qui pilote successivement une sortie et un retour de la soupape au cours d'un cycle de commande ; et 15 - un dispositif de rappel qui stocke une énergie de rappel lors de la sortie de la soupape et restitue cette énergie de rappel lors du retour de la soupape. Conformément à l'invention, ce système comprend : - un accumulateur hydraulique qui équipe le circuit amont et qui stocke une énergie 20 récupérée lors du retour de la soupape, puis restitue cette énergie récupérée lors de la sortie de la soupape au cycle suivant ; et - un circuit de retour comprenant un tiroir hydraulique de retour et une bâche hydraulique ; où le tiroir hydraulique de retour est interposé entre la chambre et la bâche hydraulique. Ce 25 tiroir est piloté par un différentiel de pression entre la première pression et la seconde pression, et il relie la chambre à la bâche hydraulique en cas de remontée incomplète de la soupape, assurant ainsi une remontée complète de la soupape lors du retour. Ainsi, l'invention permet de garantir le retour de la soupape en position haute, en 30 compensant les frottements et fuites dans le système. Egalement, le retour à la bâche peut être fait par sécurité, par exemple en cas de grippage de l'électrovanne. 3054001 -3- L'énergie récupérée par l'accumulateur hydraulique lors du retour de la soupape est égale à l'énergie de rappel restituée par le dispositif de rappel, diminuée des pertes mécaniques et/ou hydrauliques au sein du système. 5 Avantageusement, le moteur peut comprendre plusieurs soupapes équipées d'un système de commande selon l'invention. L'invention permet de prévoir une course variable pour les soupapes. L'invention permet d'améliorer le frein moteur, en maintenant les soupapes quasiment fermées ou complètement fermées. L'ouverture et la fermeture de chaque soupape peuvent se décaler par rapport à la position du piston moteur. L'invention 10 offre la possibilité de couper un ou plusieurs cylindres du moteur. Une réduction de la consommation de carburant de 10 à 15 % peut être réalisée, grâce à la possibilité de variation de la course et à la variation du phasage des soupapes. Dans le cadre de l'invention, les soupapes sont montées comme dans le cas d'un 15 système de commande par arbre à cames. Cependant, le système selon l'invention est positionné sur la soupape à la place des poussoirs ou des culbuteurs. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison : 20 - L'électrovanne de pilotage a un compartiment interposé entre le tiroir hydraulique de retour et la bâche hydraulique, ce compartiment étant fermé lors de la sortie et ouvert lors du retour de la soupape. - Le circuit amont comporte un dispositif de pompage faisant monter la première pression à une valeur moyenne au démarrage du système, puis maintenant cette 25 valeur moyenne de la première pression au cours du cycle, en compensant d'éventuelles fuites dans le système. - En fin de sortie de la soupape, la seconde pression est inférieure ou égale au double de la valeur moyenne de la première pression. - Le dispositif de rappel est constitué par un ressort, un accumulateur pneumatique 30 ou un accumulateur hydraulique. L'invention a également pour objet un mécanisme comprenant au moins une soupape et un système de commande hydraulique tel que mentionné ci-dessus. 3054001 -4- Selon un mode de réalisation préféré, le mécanisme comprend plusieurs soupapes et, pour chaque soupape, un système commandant cette soupape. 5 L'invention concerne également un moteur de véhicule automobile ou poids lourd, comprenant un mécanisme tel que mentionné ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un mécanisme tel que mentionné ci-dessus. 10 Le procédé comprend un cycle de fonctionnement comportant : - une étape de sortie de la soupape, pilotée par un transfert de pression depuis le circuit amont vers la chambre via l'électrovanne de guidage, durant laquelle l'accumulateur hydraulique restitue l'énergie récupérée lors du cycle précédent ; et 15 - une étape de retour de la soupape, pilotée par un transfert de pression depuis la chambre vers le circuit amont via l'électrovanne de guidage, dans laquelle l'accumulateur hydraulique stocke de l'énergie récupérée. En cas de remontée incomplète de la soupape durant l'étape de retour, le tiroir 20 hydraulique de retour est piloté de manière à relier la chambre à la bâche hydraulique, assurant ainsi la remontée complète de la soupape. Description sommaire des figures 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un graphe illustrant la course d'une soupape dans un moteur, selon l'état de la technique ; 30 - la figure 2 est une représentation schématique d'un système de commande hydraulique de soupape conforme à l'invention, montrant la sortie de la soupape ; - la figure 3 est une représentation schématique analogue à la figure 2, montrant le retour de la soupape ; 3054001 -5- - la figure 4 est une représentation schématique analogue aux figures 2 et 3, en mode retour à la bâche. Description détaillée Sur la figure 1 est représentée une courbe illustrant la course de sortie et de retour d'une soupape équipant un moteur, selon l'état de la technique. L'axe des abscisses correspond au temps (en seconde), tandis que l'axe des ordonnées correspondant à la position de la soupape (en mètre). La plupart des systèmes de commande de soupapes existants comportent des moyens de retour à la bâche, conçus de sorte que l'énergie qui a servi à réaliser le mouvement de sortie de la soupape est perdue. Ainsi, de l'énergie doit être remise dans le système pour réaliser le mouvement de retour de la soupape. Lors de la sortie S de la soupape, celle-ci comprime un ressort. Lors du retour R de la soupape, la détente du ressort permet de récupérer de l'énergie. En fin de cycle, un écart E peut être observé entre la position initiale et la position 20 de retour de la soupape. En effet, le retour à la position initiale ne se fait pas à cause des pertes de frottement et des fuites du système. Ainsi, il faut prévoir un système qui permet à la soupape de revenir sur son siège. Sur les figures 2 à 4 est représenté un mécanisme 1 conforme à l'invention, 25 comprenant une soupape 2 et un système 10 de commande hydraulique de la soupape 2. Le mécanisme 1 est destiné à équiper un moteur de véhicule automobile ou de poids lourd. Les figures 2 et 3 montrent un fonctionnement du système 10 en mode normal, selon un cycle de commande incluant une sortie S2 de la soupape 2 montrée à la figure 2 et 30 un retour S2 de la soupape 2 montré à la figure 3. 5 10 15 La figure 4 montre un fonctionnement du système 10 en mode retour à la bâche. 3054001 -6- Le système 10 comprend un circuit amont 20, un circuit aval 30, et une électrovanne de pilotage 40 interposée entre le circuit amont 20 et le circuit aval 30. Le système 10 comprend également un circuit de retour 50, incluant un tiroir hydraulique de retour 60, pour la mise en oeuvre du mode retour à la bâche. Le système 10 comprend 5 également un dispositif de rappel 70. La soupape 2 comprend une tige 2A qui s'étend selon un axe longitudinal et une coupelle 2B qui s'étend radialement à cet axe longitudinal. La soupape 2 comprend également une tête de soupape, non représentée dans un but de simplification, formée 10 intégralement avec la tige 2A à l'opposé de la coupelle 2B. Le circuit amont 20 comprend une pompe hydraulique 21, une valve antiretour 22, une intersection 23, un accumulateur hydraulique 24, une vanne de vidange 25, une bâche hydraulique 26 et quatre conduites 201, 202, 203 et 204. 15 La pompe hydraulique 21 est reliée à la bâche 26, dans laquelle est stocké le fluide hydraulique du système 10. La pompe 21 délivre le fluide sous pression dans la conduite 201, sur laquelle est positionnée la valve antiretour 22. Cette valve 22 autorise le passage de fluide uniquement dans le sens amont-aval, de la pompe 21 jusqu'à 20 l'intersection 23. L'intersection 23 est définie au croisement des conduites 201, 202 et 203. La conduite 201 relie la pompe 21 à l'intersection 23. La conduite 202 relie l'accumulateur 24 et le tiroir antiretour 60 à l'intersection 23. La conduite 203 relie l'électrovanne de 25 pilotage 40 à l'intersection 23. L'accumulateur 24 est connecté à la conduite 202. L'accumulateur 24 est conçu pour stocker de l'énergie récupérée lors du retour R2 de la soupape 2, puis restituer cette énergie récupérée lors de la sortie S2 de la soupape 2 au cycle suivant. 30 La vanne de vidange 25 est positionnée sur la conduite 204, qui est raccordée à la conduite 201 en aval de la pompe 21 et en amont de la valve 22. La vanne 25 est également reliée à la bâche 26. 3054001 -7- La bâche 26 est un réservoir pressurisé qui assure la récupération, le refroidissement et la filtration du fluide. Egalement, la bâche 26 alimente la pompe 21 en fluide pour le fonctionnement du système 10. 5 Le circuit aval 30 comprend deux valves antiretour 31 et 32, un cylindre 33 recevant la soupape 2, et trois conduites 301, 302 et 303. Les valves antiretour 31 et 32 sont positionnées respectivement sur les conduites 301 et 302, qui relient chacune l'électrovanne 40 au cylindre 33. La valve 31 10 autorise le passage de fluide uniquement dans le sens amont-aval, de l'électrovanne 40 vers le cylindre 33, lors de la sortie S2 de la soupape 2. La valve 32 autorise le passage de fluide uniquement dans le sens aval-amont, du cylindre 33 vers l'électrovanne 40, lors du retour R2 de la soupape 2. 15 Le cylindre 33 reçoit la soupape 2 en liaison glissière. Plus précisément, la coupelle 2B et une partie de la tige 2A sont logées dans le cylindre 33. La coupelle 2B délimite deux chambres 34 et 35 dans le cylindre 33. Le cylindre 33 a un volume fixe, tandis que les chambres 34 et 35 ont des volumes variables en fonction des déplacements de la soupape 2. Le cylindre 33 comprend une paroi cylindrique 36 et deux parois planes 37 et 38. La 20 chambre 34 est délimitée par la coupelle 2B et les parois 36 et 37. La chambre 35 est délimitée par la coupelle 2B et les parois 36 et 38. La tige 2A s'étend à travers une ouverture 39 formée dans la paroi 38. La chambre 34 est connectée aux conduites 301, 302 et 303. En mode normal, le 25 fluide s'écoule à travers la conduite 301 vers la chambre 34 lors de la sortie S2 de la soupape 2, et s'écoule à travers la conduite 302 depuis la chambre 34 lors du retour R2 de la soupape 2. En mode retour, le fluide s'écoule depuis la chambre à travers la conduite 303, qui se sépare en deux conduites 501 et 502. 30 On définit une pression pA dans le circuit amont 20 au niveau de l'intersection 23, et une pression pB dans le circuit aval 30 à l'intérieur de la chambre 34. 3054001 -8- La pompe 21 est prévue pour faire monter la pression pA dans le circuit amont 20 à une valeur moyenne au démarrage du système 10, puis maintenir cette valeur moyenne de pression pA au cours du cycle, en compensant d'éventuelles fuites dans le système 10. La valeur nominale de la pression pA est de l'ordre de 200 bars. 5 La pression pB dans la chambre 34 atteint une valeur de l'ordre de 400 bars en fin de sortie S2 et avant le retour R2 de la soupape 2. Les pressions pA et pB sont à l'équilibre en fin de retour R2 de la soupape 2. L'accumulateur hydraulique 24 permet d'éviter les pics de pression dans le système 10. 10 L'électrovanne 40 est conçue pour guider la circulation de fluide entre le circuit amont 20 et le circuit aval 30, plus précisément entre la conduite 203 d'une part, et sélectivement la conduite 301 ou 302 d'autre part. Ainsi, l'électrovanne 40 permet de piloter successivement la sortie S2 et le retour R2 de la soupape 2 au cours du cycle de 15 commande. L'électrovanne 40 comprend un carter 41 et un boisseau 42 coulissant dans le carter 41. L'électrovanne 40 comprend un actionneur 43 pour piloter le déplacement du boisseau 42 dans le carter 41. Le boisseau 42 comporte des sections larges empêchant le passage de 20 fluide et des sections étroites autorisant le passage de fluide à travers l'électrovanne 40. L'électrovanne 40 comprend un compartiment 44 pour l'écoulement de fluide entre les circuits 20 et 30. Le compartiment 44 est relié aux conduites 301 et 302 via des orifices formés dans le carter 41. Lors de la sortie S2 de la soupape 2, le boisseau 42 est positionné 25 pour permettre l'écoulement de fluide de la conduite 203 vers la conduite 301 à travers le compartiment 44. Lors du retour R2 de la soupape 2, le boisseau 42 est positionné pour permettre l'écoulement de fluide de la conduite 302 vers la conduite 203 à travers le compartiment 44. 30 L'électrovanne 40 comprend un deuxième compartiment 45 pour l'écoulement de fluide au sein du circuit de retour 50, comme détaillé ci-après. 3054001 -9- Le circuit de retour 50 comprend le tiroir hydraulique de retour 60, une valve antiretour 67, une bâche hydraulique 68, et quatre conduites 501, 502, 503 et 504. Les conduites 501 et 502 sont toutes deux reliées à la chambre 34 via la conduite 303. Le tiroir 60 est interposé entre la chambre 34 et la bâche hydraulique 68. La conduite 503 relie 5 le tiroir 60 et l'électrovanne 40. La valve anti-retour 67 est positionnée sur la conduite 504, tandis que la bâche 68 est positionnée à l'extrémité aval de la conduite 504. En pratique, les références 26 et 68 désignent la même bâche au sein du système 10. Néanmoins, la référence 68 est utilisée pour distinguer la bâche au sein du 10 circuit de retour 50. Le tiroir 60 comprend un carter 61 et un boisseau 62 coulissant dans le carter 61. Le boisseau 62 comporte des sections larges empêchant le passage de fluide et une section étroite autorisant le passage de fluide à travers le tiroir 60. 15 Le tiroir 60 comprend deux chambres 63 et 64 pour piloter le déplacement du boisseau 62 dans le carter 61. La chambre 63 est reliée à la chambre 34 via les conduites 502 et 303. La chambre 64 est reliée au circuit amont 20 via la conduite 202. 20 Dans le mode de réalisation des figures 2 à 4, les chambres 63 et 64 présentent un même diamètre, et les sections larges du boisseau 62 présentent le même diamètre pour chaque chambre 63 et 64. En alternative, les chambres 63 et 64 peuvent présenter des diamètres différents, et dans ce cas les sections larges du boisseau 62 présentent des diamètres différents pour chaque chambre 63 et 64. 25 Le tiroir 60 comprend un compartiment 65 pour l'écoulement de fluide entre les conduites 501 et 503. Le compartiment 65 est relié aux conduites 501 et 503 via des orifices formés dans le carter 61. Lorsque la pression dans la chambre 63 est supérieure ou égale à la pression dans la chambre 64, comme sur les figures 2 et 3, le boisseau 62 est 30 positionné pour empêcher l'écoulement de fluide de la conduite 501 vers la conduite 503 à travers le compartiment 65. Lorsque la pression dans la chambre 63 est égale ou inférieure à la pression dans la chambre 64, comme sur la figure 4, le boisseau 62 est positionné pour 3054001 -10- permettre l'écoulement de fluide de la conduite 501 vers la conduite 503 à travers le compartiment 65. Le compartiment 45 de l'électrovanne 40 est interposé entre le tiroir 60 et la bâche 5 hydraulique 68. Le compartiment 45 est relié aux conduites 503 et 504 via des orifices formés dans le carter 41. Lors de la sortie S2 de la soupape 2, le boisseau 42 est positionné pour empêcher l'écoulement de fluide de la conduite 503 vers la conduite 504 à travers le compartiment 45. Lors du retour R2 de la soupape 2, le boisseau 42 est positionné pour permettre l'écoulement de fluide de la conduite 503 vers la conduite 504 à travers le 10 compartiment 44. Autrement dit, le compartiment 45 est fermé lors de la sortie S2 et ouvert lors du retour R2 de la soupape 2. En pratique, le tiroir hydraulique de retour 60 permet de relier la chambre 34 à la bâche hydraulique 68 en cas de remontée incomplète de la soupape 2 lors du retour R2. 15 Lorsque la chambre 34 est reliée à la bâche 68, la remontée complète de la soupape 2 est assurée lors du retour R2. Ce mode retour à la bâche est mis en oeuvre pour garantir la remontée en position haute de la soupape 2, en compensant les frottements et fuites dans le mécanisme 1. 20 Egalement, ce mode retour à la bâche peut être mis en oeuvre par sécurité, par exemple en cas de grippage de l'électrovanne 40. Le dispositif de rappel 70 est conçu pour stocker une énergie de rappel lors de la sortie S2 de la soupape 2, puis restituer cette énergie de rappel dans le système 10 lors du 25 retour R2 de la soupape 2. L'énergie récupérée par l'accumulateur hydraulique 24 lors du retour R2 de la soupape 2 est égale à l'énergie de rappel restituée par le dispositif de rappel 70, diminuée des pertes mécaniques et/ou hydrauliques au sein du système 10. 30 Sur l'exemple des figures 2 à 4, le dispositif de rappel 70 est constitué par un ressort. En variante, le dispositif de rappel 70 peut être constitué par un accumulateur pneumatique ou un accumulateur hydraulique. 3054001 Par ailleurs, le mécanisme 1 et le système 10 peuvent être conformés différemment des figures 2 à 4 sans sortir du cadre de l'invention. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent 5 être, en totalité ou pour certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, le mécanisme 1 et le système 10 peuvent être adaptés en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. REVENDICATIONS1. Système (10) de commande hydraulique d'une soupape (2), notamment pour moteur de véhicule automobile ou poids lourd, le système (10) comprenant : - un circuit amont (20) présentant une première pression (pA) ; - un circuit aval (30) qui comporte une chambre (34) de volume variable délimité par la soupape (2) et présentant une seconde pression (pB) ; - une électrovanne de pilotage (40) qui est interposée entre le circuit amont (20) et le circuit aval (30), et qui pilote successivement une sortie (S2) et un retour (R2) de la soupape (2) au cours d'un cycle de commande ; et - un dispositif de rappel (70) qui stocke une énergie de rappel lors de la sortie (S2) de la soupape (2) et restitue cette énergie de rappel lors du retour (R2) de la soupape (2) ; caractérisé en ce que le système (10) comprend : - un accumulateur hydraulique (24) qui équipe le circuit amont (20) et qui stocke une énergie récupérée lors du retour (R2) de la soupape (2), puis restitue cette énergie récupérée lors de la sortie (S2) de la soupape (2) au cycle suivant ; et - un circuit de retour (50) comprenant un tiroir hydraulique de retour (60) et une bâche hydraulique (68) ; où le tiroir hydraulique de retour (60) est interposé entre la chambre (34) et la bâche hydraulique (68), est piloté par un différentiel de pression entre la première pression (pA) et la seconde pression (pB), et relie la chambre (34) à la bâche hydraulique (68) en cas de remontée incomplète de la soupape (2), assurant ainsi une remontée complète de la soupape (2) lors du retour (R2). 2. Système (10) de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrovanne de pilotage (40) a un compartiment (45) interposé entre le tiroir hydraulique de retour (60) et la bâche hydraulique (68), ce compartiment (45) étant fermé lors de la sortie (S2) et ouvert lors du retour (R2) de la soupape (2). 3054001 -13- 3. Système (10) de commande hydraulique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit amont (20) comporte un dispositif de 5 pompage (21) faisant monter la première pression (pA) à une valeur moyenne au démarrage du système (10), puis maintenant cette valeur moyenne de la première pression (pA) au cours du cycle, en compensant d'éventuelles fuites dans le système (10). 10 4. Système (10) de commande hydraulique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'en fin de sortie (S2) de la soupape (2), la seconde pression (pB) est inférieure ou égale au double de la valeur moyenne de la première pression (pA). 5. Système (10) de commande hydraulique selon l'une des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de rappel (70) est constitué par un ressort, un accumulateur pneumatique ou un accumulateur hydraulique. 6. Mécanisme (1) comprenant au moins une soupape (2) et un système (10) de commande hydraulique selon l'une des revendications 1 à 5. 20 7. Moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme (1) selon la revendication 6. 8. Procédé de mise en oeuvre d'un mécanisme (1) selon la revendication 6, caractérisé 25 en ce que le procédé comprend un cycle de fonctionnement comportant : - une étape de sortie (S2) de la soupape (2), pilotée par un transfert de pression depuis le circuit amont (20) vers la chambre (34) via l'électrovanne de guidage (40), durant laquelle l'accumulateur hydraulique (24) restitue l'énergie récupérée lors du cycle précédent ; et 30 - une étape de retour (R2) de la soupape (2), pilotée par un transfert de pression depuis la chambre (34) vers le circuit amont (20) via l'électrovanne de guidage (40), dans laquelle l'accumulateur hydraulique (24) stocke de l'énergie récupérée ; 3054001 -14- et en ce qu'en cas de remontée incomplète de la soupape (2) durant l'étape de retour (R2), le tiroir hydraulique de retour (60) est piloté de manière à relier la chambre (34) à la bâche hydraulique (68), assurant ainsi la remontée complète de la soupape (2).