Brevet FR3084129A1 — publié le 20200124

Vanne avec un palier rotule et ligne d'échappement comprenant une telle vanne L'invention concerne en général les vannes, notamment les vannes pour ligne d'échappement. Certaines lignes d'échappement comportent des vannes, agencées le long des conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement. De telles vannes permettent par exemple de moduler la quantité de gaz d'échappement recyclés vers l'aspiration des chambres de combustion, de dévier une partie des gaz d'échappement vers un échangeur récupérateur de chaleur, ou encore d'obturer entièrement ou partiellement une partie ou sous-partie de la ligne d'échappement à des fins acoustiques ou de régulation de la contrepression, dans le cas de désactivation de cylindres du moteur. Le flux de gaz d'échappement est pulsé, quand le moteur est un moteur thermique à explosion. La pulsation des gaz dépend d'un grand nombre de facteurs. Elle est notamment fonction du nombre de cylindres du moteur. L'agencement du collecteur captant les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion du moteur influence le mélange des gaz provenant de chaque cylindre, et détermine ainsi la signature de la pulsation des gaz. Par ailleurs, les volumes filtrants tels que les catalyseurs ou les filtres à particules atténuent la pulsation des gaz. Enfin, la vitesse et la charge du moteur déterminent respectivement la fréquence et l'amplitude de la pulsation des gaz. Les vannes de type papillon sont particulièrement sensibles à la pulsation des gaz. En effet, ces vannes comportent typiquement un volet fixé à un arbre rotatif guidé par un ou plusieurs paliers. De manière à permettre un montage aisé de l'arbre dans le ou les paliers et à réduire le coefficient de friction, il est généralement prévu un interstice entre le diamètre extérieur de l'arbre et le diamètre intérieur du palier. Le volet est placé dans le flux de gaz d'échappement. Les gaz d'échappement exercent sur le volet une force variable, pulsée, dont la fréquence est proportionnelle à la fréquence de pulsation des gaz. Cette force génère un mouvement de va-et-vient de l'arbre à l'intérieur du palier, transversalement, qui dans certains cas crée un bruit de claquement. Ce bruit de claquement peut être entendu par l'utilisateur du véhicule et dégrade la qualité perçue par l'utilisateur. Ceci n'est pas acceptable, notamment dans le segment des véhicules premium. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une vanne qui ne présente pas le défaut ci-dessus. A cette fin, l'invention selon un premier aspect porte sur une vanne comprenant : - un corps de vanne ; - un volet disposé dans le corps de vanne ; 2 - une liaison rotative du volet au corps de vanne, la liaison rotative comprenant au moins un arbre d'entraînement en rotation du volet ; - un palier de guidage en rotation de l'arbre d'entraînement ; l'arbre d'entraînement présentant une extrémité longitudinale ayant une surface en forme 5 de calotte sphérique, le palier de guidage comprenant une cuvette en portion de sphère, de forme conjuguée de celle de la surface en forme de calotte sphérique, la surface en forme de calotte sphérique de l'extrémité longitudinale reposant dans la cuvette. Du fait que la surface en forme de calotte sphérique de l'arbre d'entraînement repose dans une cuvette de forme complémentaire ménagée sur le palier de guidage, les 10 oscillations transversales de l'arbre d'entraînement sont empêchées. La rotation de l'arbre d'entraînement autour de l'axe de rotation reste possible, mais la coopération de forme entre l'extrémité de l'arbre d'entraînement et le palier de guidage empêche les déplacements dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. La liaison entre l'arbre d'entrainement et le palier de guidage est une liaison de 15 type rotule, avec éventuellement un degré de liberté possible en translation selon l'axe de rotation. Le contact entre l'extrémité longitudinale de l'arbre d'entraînement et la cuvette en portion de sphère du palier de guidage est une portion de sphère. Les efforts s'exerçant entre le palier de guidage et l'arbre d'entraînement sont donc répartis sur une zone de 20 contact étendue, de telle sorte que la pression et les frottements sont réduits. Le risque d'émission sonore de type couinement est également réduit. Par ailleurs, ceci a également pour effet de limiter l'usure de la zone de contact, et de maintenir le système fonctionnel pour une longue durée. La vanne peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- 25 dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la vanne comprend un moyen élastique sollicitant longitudinalement le palier de guidage contre l'extrémité longitudinale de l'arbre d'entraînement ; - la surface en forme de calotte sphérique est en contact avec la cuvette sur une surface 30 en portion de sphère couvrant un angle solide d'au moins rr/4 sr, de préférence d'au moins rr/2 sr ; - le volet est rotatif autour d'un axe de rotation passant par un sommet de la surface en forme de calotte sphérique ; - la cuvette est formée dans une surface du palier de guidage tournée vers l'intérieur du 35 corps de vanne ; 3 - la vanne comporte une enveloppe rigidement fixée au corps de vanne, le palier de guidage étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe et étant libre en coulissement longitudinal à l'intérieur de l'enveloppe ; - le palier de guidage est guidé en coulissement longitudinal par l'enveloppe ; 5 - le moyen élastique est interposé longitudinalement entre un fond de l'enveloppe et le palier de guidage ; - un canal traverse entièrement le palier de guidage longitudinalement et débouche au fond de la cuvette. Selon un second aspect, l'invention porte sur une ligne d'échappement 10 comprenant une vanne ayant les caractéristiques ci-dessus, dans laquelle le fluide circulant dans le corps de vanne est constitué de gaz d'échappement. Selon un troisième aspect, l'invention porte sur un véhicule comprenant un moteur thermique et une ligne d'échappement ayant les caractéristiques ci-dessus, raccordée fluidiquement à des sorties de gaz d'échappement du moteur thermique. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'une vanne selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue en perspective et en coupe partielle du palier inférieur de 20 la vanne. La vanne 1 représentée sur la figure 1 est destinée typiquement à être intercalée dans une ligne d'échappement de véhicule. Ce véhicule est par exemple un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique. En variante, la vanne est intercalée dans un autre circuit du véhicule, dans lequel 25 circule un autre fluide. Selon encore une autre variante, la vanne est placée dans un circuit qui ne fait pas partie d'un véhicule. En tout état de cause, comme expliqué plus haut, la vanne est avantageusement employée dans un circuit parcouru par un fluide dont la circulation est pulsée. 30 Comme visible sur la figure 1, la vanne 1 comporte un corps de vanne 3, délimitant intérieurement un passage 5 de circulation d'un fluide. Ce fluide est par exemple les gaz d'échappement du véhicule, ou un autre fluide. La vanne 1 doit supporter des températures supérieures à 500°C. Ceci est le cas en particulier quand le fluide circulant dans le passage de circulation 5 est constitué des 35 gaz d'échappement du véhicule. 4 Le corps de vanne 3 présente au moins une entrée de fluide 7 et une sortie de fluide 9, le passage 5 raccordant fluidiquement l'entrée 7 à la sortie 9 de fluide. Le corps de vanne 3, dans l'exemple représenté, est cylindrique. En variante il présente toute autre forme. 5 La vanne 1 comporte encore un volet 11, logé dans le corps de vanne 3, et une liaison rotative 12 du volet 11 au corps de vanne 3. La liaison rotative 12 comprend au moins un arbre 13 d'entraînement en rotation du volet 11. Le volet 11 est rotatif autour d'un axe de rotation X longitudinal, représenté sur les figures. 10 Typiquement, le volet 11 est mobile par rapport au corps de vanne 3 entre une position d'obturation dans laquelle le volet 11 obture le passage de circulation 5 du fluide et interdit la circulation du fluide depuis l'entrée 7 jusqu'à la sortie 9, et au moins une position de dégagement du passage de circulation 5, permettant ainsi la circulation du fluide depuis l'entrée 7 jusqu'à la sortie 9. 15 La vanne 1 peut être de type réglante. Dans ce cas, le volet 11 est susceptible d'être placé dans une pluralité de positions de dégagement du passage de circulation 5 du fluide, correspondant à différentes sections de passage offertes au fluide circulant le long du passage de circulation 5. Le volet 11 est fixé à l'arbre d'entraînement 13. 20 Dans l'exemple représenté, la vanne 1 est de type papillon, l'arbre d'entraînement 13 s'étendant le long d'une droite médiane du volet 11. En variante, la vanne 1 n'est pas de type papillon. L'arbre d'entraînement 13 est par exemple fixé le long d'un bord du volet 11. Le volet 11 présente toutes sortes de forme. Dans l'exemple représenté, il a une 25 forme générale circulaire. En variante, il est rectangulaire. La vanne 1 comporte avantageusement un palier 15 de guidage en rotation de l'arbre d'entraînement 13. Le palier de guidage 15 guide en rotation une extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13. 30 Avantageusement, la vanne 1 comporte un autre palier, non représenté, guidant en rotation l'autre extrémité 18 de l'arbre d'entraînement 13. Cette autre extrémité 18 est typiquement raccordée à un actionneur, configuré pour entraîner l'arbre d'entraînement 13 en rotation. L'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13 présente une surface 19 35 en forme de calotte sphérique. 5 Le palier de guidage 15 comporte quant à lui une cuvette 21 en portion de sphère, de forme conjuguée de celle de la surface en forme de calotte sphérique 19. La surface en forme de calotte sphérique 19 de l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13 repose dans la cuvette 21. On entend par là que la surface en 5 forme de calotte sphérique 19 est engagée dans la cuvette 21, et qu'une force d'appui maintient la surface en forme de calotte sphérique 19 et la cuvette 21 au contact l'une de l'autre. Cette force est sensiblement longitudinale. L'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13 est tournée vers le bas dans la représentation des figures 1 et 2. La surface en forme de calotte sphérique 19 est 10 tournée longitudinalement vers l'extérieur du corps de vanne 3. L'axe de rotation X passe par un sommet 23 de la surface en forme de calotte sphérique 19. En d'autres termes, la surface en forme de calotte sphérique 19 est centrée sur l'axe de rotation X. Elle présente une symétrie de révolution autour de l'axe de rotation X. 15 Typiquement, l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13 comprend une partie cylindrique 24, ayant une section circulaire perpendiculaire à l'axe de rotation X. La partie cylindrique 24 de l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13 présente un rayon déterminé. Elle est raccordée à une partie centrale de l'arbre d'entraînement 13, non visible sur les figures, sur laquelle est rapporté le volet 11. La 20 surface en forme de calotte sphérique 19 est située longitudinalement à l'opposé de la partie centrale de l'arbre d'entraînement 13 par rapport à la partie cylindrique 24 de l'extrémité longitudinale 17. Elle présente un rayon de courbure sensiblement égal audit rayon déterminé de la partie cylindrique 24. Comme visible sur les figures, la vanne 1 comprend un moyen élastique 25 25 sollicitant longitudinalement le palier de guidage 15 contre l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13. Le moyen élastique 25 est typiquement un ressort, par exemple un ressort hélicoïdal. En variante, c'est un empilement de rondelles Belleville ou un ressort à lames ondulées comme illustré sur les figures 1 et 2. 30 La surface en forme de calotte sphérique 19est en contact avec la cuvette 21 sur une surface en portion de sphère couvrant un angle solide d'au moins rr/4 sr, de préférence d'au moins rr/2 sr, l'angle solide étant typiquement compris entre rr/2 et rr sr. Typiquement, la vanne 1 comporte une enveloppe 27 rigidement fixée au corps de vanne 3, le palier 15 étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe 27 et étant libre en 35 coulissement longitudinal à l'intérieur de l'enveloppe 27. 6 L'enveloppe 27 délimite intérieurement une cavité dans laquelle est placé le palier de guidage 15. Elle est située à l'extérieur du corps de vanne 3. L'enveloppe 27 présente, perpendiculairement à l'axe de rotation X, une section interne sensiblement constante. Le palier de guidage 15 présente, perpendiculairement à 5 l'axe de rotation X, une section externe sensiblement constante elle aussi. La section externe du palier de guidage 15 est complémentaire de la section interne de l'enveloppe 27. Ainsi, le palier de guidage 15 est guidé en coulissement longitudinal par l'enveloppe 27. 10 L'enveloppe 27 comprend une paroi latérale tubulaire 29, un fond 31 et une paroi supérieure 33. La paroi latérale 29 de l'enveloppe 27 présente une section interne, perpendiculairement à l'axe de rotation X, complémentaire de la section externe du palier de guidagel5. La paroi supérieure 33 de l'enveloppe 27 ferme une extrémité longitudinale de la 15 paroi latérale 29 de l'enveloppe 27 tournée vers l'intérieur du corps de vanne 3. La paroi supérieure 33 de l'enveloppe 27 est typiquement rigidement fixée au corps de vanne 3. Par exemple, elle est engagée dans un orifice ménagé dans le corps de vanne 3. Elle présente un orifice 35, traversé par l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 13. 20 Le fond 31 de l'enveloppe 27 ferme la paroi latérale 29 de l'enveloppe 27 à son extrémité longitudinale opposée au corps de vanne 3. Le moyen élastique 25 est interposé longitudinalement entre le fond 31 de l'enveloppe 27 et le palier de guidage 15. Le palier de guidage 15 présente une surface 37 tournée vers l'intérieur du corps 25 de vanne 3, dans laquelle est formée la cuvette 21. Il présente une autre surface 39, sensiblement opposée à la surface 37, tournée vers le fond 31. Le moyen élastique 25 est en appui sur l'autre surface 39. Les surfaces 37 et 39 sont raccordées l'une à l'autre par une surface latérale 41, en contact coulissant avec la paroi latérale 29 de l'enveloppe 27. 30 Le palier de guidage 15 est réalisé dans un matériau présentant de bonnes propriétés tribologiques. Le matériau est choisi pour être résistant à l'usure par frottement, et pour présenter un faible coefficient de friction vis-à-vis de la surface en forme de calotte sphérique 19 de l'arbre d'entraînement 13. Par exemple, le palier de guidage 15 est réalisé en un treillis métallique imprégné 35 avec une céramique, ou est réalisé en graphite. 7 Comme illustré sur les figures, un canal 43 traverse entièrement le palier de guidage 15, longitudinalement. A une extrémité longitudinale, il débouche au fond de la cuvette 21. Il débouche au point bas de cette cuvette 21. A son extrémité opposée, le canal 43 débouche sur l'autre face 39. 5 Typiquement, le canal 43 présente une section droite d'environ deux millimètres de diamètre. Ceci permet aux condensats et à la saleté d'être évacués hors de la cuvette 21. Ceci permet de garantir que la surface de contact entre l'arbre d'entraînement 13 et le palier de guidage 15 restera propre, sans que des particules solides viennent s'interposer entre ces deux pièces. De telles particules pourraient accélérer l'usure de la surface de 10 contact entre l'arbre d'entraînement 13 et le palier de guidage 15. Le moyen élastique 25 est un ressort de compression. Il exerce un effort longitudinal, sollicitant la surface en forme de calotte sphérique 19 et la cuvette en portion de sphère 21 l'une contre l'autre. L'effort longitudinal appliqué par le moyen élastique 25 est compris entre 4 et 6 N, et vaut par exemple 5 N. La raideur 15 du moyen élastique 25 est de l'ordre de 1 N/mm. L'effort appliqué par le moyen élastique 25 ne doit pas être trop élevé pour limiter l'usure des surfaces en contact l'une avec l'autre. Il ne doit pas être trop bas pour empêcher les mouvements intempestifs des pièces l'une par rapport à l'autre. Typiquement, la ligne d'échappement 1 est montée à bord du véhicule automobile 20 de telle sorte que l'extrémité longitudinale 17 de l'arbre d'entraînement 3 pointe vers la surface de roulement du véhicule. La vanne de l'invention peut présenter de multiples variantes. Par exemple, le palier de guidage 15 peut être placé à l'intérieur du corps de vanne 3. Dans ce cas, l'enveloppe 27 est placée à l'intérieur REVENDICATIONS1.- Vanne pour une ligne d'échappement, la vanne (1) comprenant : - un corps de vanne (3) ; - un volet (11) disposé dans le corps de vanne (3) ; - une liaison rotative (12) du volet (11) au corps de vanne (3), la liaison rotative (12) comprenant au moins un arbre d'entraînement (13) en rotation du volet (11) ; - un palier de guidage (15) en rotation de l'arbre d'entraînement (13) ; l'arbre d'entraînement (13) présentant une extrémité longitudinale (17) ayant une surface en forme de calotte sphérique (19), le palier de guidage (15) comprenant une cuvette (21) en portion de sphère, de forme conjuguée de celle de la surface en forme de calotte sphérique (19), la surface en forme de calotte sphérique (19) de l'extrémité longitudinale (17) reposant dans la cuvette (21). 2.- Vanne (1) selon la revendication 1, dans laquelle la vanne (1) comprend un moyen élastique (25) sollicitant longitudinalement le palier de guidage (15) contre l'extrémité longitudinale (17) de l'arbre d'entraînement (13). 3.- Vanne (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la surface en forme de calotte sphérique (19) est en contact avec la cuvette (21) sur une surface en portion de sphère couvrant un angle solide d'au moins "rr/4 sr, de préférence d'au moins rr/2 sr. 4.- Vanne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le volet (11) est rotatif autour d'un axe de rotation (X) passant par un sommet (23) de la surface en forme de calotte sphérique (19). 5.- Vanne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cuvette (21) est formée dans une surface (37) du palier de guidage (15) tournée vers l'intérieur du corps de vanne (3). 6.- Vanne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la vanne (1) comporte une enveloppe (27) rigidement fixée au corps de vanne (3), le palier de guidage (15) étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe (27) et étant libre en coulissement longitudinal à l'intérieur de l'enveloppe (27). 7.- Vanne (1) selon la revendication 6, dans laquelle le palier de guidage (15) est guidé en coulissement longitudinal par l'enveloppe (27). 8.- Vanne (1) selon la revendication 6 ou 7 combinée à la revendication 2, dans laquelle le moyen élastique (25) est interposé longitudinalement entre un fond (31) de l'enveloppe (27) et le palier de guidage (15). 9 9.- Vanne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un canal (43) traverse entièrement le palier de guidage (15) longitudinalement et débouche au fond de la cuvette (21). 10.- Ligne d'échappement comprenant une vanne (1) selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes. 11.- Véhicule comprenant un moteur thermique et une ligne d'échappement selon la revendication 10, raccordée fluidiquement à des sorties de gaz d'échappement du moteur thermique.