Brevet FR3090791A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Vanne à ressort magnétique de torsion pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne [0001] La présente invention concerne une vanne pour la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ladite vanne étant du type comprenant un corps de vanne tubulaire définissant un passage de circulation des gaz d'échappement et un clapet monté mobile en rotation par rapport au corps de vanne autour d'un axe de rotation entre une position d'obturation et une position de libération du passage de circulation des gaz d'échappement, la vanne comprenant également un organe de rappel du clapet vers une position de repos. [0002] L'invention concerne également une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comprenant un conduit pour la circulation dc gaz d'échappement du moteur et une vanne du type précité pour sélectivement obturer et libérer ledit conduit. [0003] Des vannes du type précité sont connues, par exemple de FR 2 874 234. Elles sont couramment employées dans les lignes d'échappement de moteurs à combustion interne pour modifier le trajet des gaz d'échappement en fonction de la pression des gaz d'échappement et ainsi adapter le traitement, notamment acoustique, des gaz d'échappement en fonction du cycle moteur. [0004] Ces vannes connues ne donnent toutefois pas entière satisfaction. L'organe dc rappel y est en effet le plus souvent constitué par un ressort dc torsion ou un ressort boudin, comme cela est le cas par exemple pour la vanne connue de FR 2 874 234. Or, un tel ressort est soumis à une usure accélérée duc aux frottements mécaniques et au bruit acoustique rencontrés. En outre, le ressort peut se bloquer en raison des particules présentes dans les gaz d'échappement. De plus, la force de rappel exercée par le ressort diminue à mesure que le ressort vieillit, en conséquence de quoi la vanne devient de moins en moins efficace avec le temps. Enfin, ces vannes connues peuvent gêner le fonctionnement du moteur dans certaines phases de fonctionnement car augmentant la contrepression dc la ligne d'échappement. [0005] Un objectif de l'invention est ainsi d'améliorer la fiabilité des vannes du type précité. D'autres objectifs sont d'en améliorer la durabilité et d'en augmenter les fonctionnalités. [0006] A cet effet, l'invention a pour objet une vanne du type précité, dans laquelle l'organe de rappel comprend un ressort magnétique de torsion formé d'un rotor aimanté, fixe en rotation relativement au clapet et coaxial à l'axe de rotation, et d'un stator aimanté, fixe en rotation relativement au corps de vanne et coaxial à l'axe de rotation. [0007] Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, la vanne présente 2 également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : [0008] - le rotor aimanté et le stator aimanté sont mobiles en translation l'un par rapport à l'autre suivant l'axe de rotation, l'organe de rappel comprenant un actionneur pour translater le stator aimanté relativement au rotor aimanté suivant l'axe de rotation ; [0009] - l'actionneur est constitué par un actionneur électrique configure de sorte à occuper une configuration par défaut lorsque l'actionneur est inactif, ladite configuration par défaut étant telle que, lorsque l'actionneur est dans cette configuration et le clapet est hors de sa position de repos, le champ magnétique produit par le stator aimanté exerce sur le rotor aimanté un couple maximal ; [0010] - le rotor aimanté et le stator aimanté sont adaptés pour occuper l'un par rapport à l'autre : une première position axiale relative dans laquelle le champ magnétique produit par le stator aimanté exerce sur le rotor aimanté, lorsque le clapet est hors de sa position de repos, un couple sollicitant le clapet vers sa position de repos, et une deuxième position axiale relative dans laquelle le champ magnétique produit par le stator aimanté n'exerce aucun couple sur le rotor aimanté, quelle que soit la position angulaire relative des stator et rotor aimantés ; [0011] - le rotor aimanté et le stator aimanté sont adaptés pour occuper l'un par rapport à l'autre une troisième position axiale relative dans laquelle le champ magnétique produit par le stator aimanté exerce sur le rotor aimanté, lorsque le clapet est hors de sa position de repos, un couple sollicitant le clapet à l'écart de sa position de repos ; [0012] - le rotor aimanté et le stator aimanté sont adaptés pour occuper l'un par rapport à l'autre : une pluralité de positions axiales intermédiaires primaires entre les première et deuxième positions axiales relatives, telles que le couple exercé sur le rotor aimanté par le champ magnétique produit par le stator aimanté diminue progressivement à mesure que les éléments aimantés s'éloignent de la première position axiale relative et se rapprochent de la deuxième position axiale relative, et une pluralité de positions axiales intermédiaires secondaires entre les deuxième et troisième positions axiales relatives, telles que le couple inverse exercé sur le rotor aimanté par le champ magnétique produit par le stator aimanté augmente progressivement à mesure que les éléments aimantés s'éloignent de la deuxième position axiale relative et se rapprochent de la troisième position axiale relative ; [0013] - l'actionneur comprend un solénoïde coaxial à l'axe de rotation, fixe relativement au 3 corps de vanne, un bras aimanté, mobile en translation suivant l'axe de rotation relativement au solénoïde entre une première position extrême et une deuxième position extrême, et un organe de rappel du bras aimanté vers sa première position extrême, le solénoïde étant adapté pour produire un champ magnétique propre à déplacer le bras aimanté depuis sa première position extrême vers sa deuxième position extrême ; [0014] - les rotor et stator aimantés constituent deux éléments aimantés dont l'un forme un cylindre parallèle à l'axe de rotation et définit une cavité de réception de l'autre élément aimanté ; [0015] - le rotor aimanté et le stator aimanté comprennent chacun au moins un aimant permanent ; [0016] - les rotor et stator aimantés constituent deux éléments aimantés dont l'un comprend un électroaimant s'étendant autour de l'autre élément aimanté, ledit autre élément aimanté comprenant au moins un aimant permanent ; [0017] - le ou chaque aimant permanent est constitué d'un alliage de samarium et de cobalt ; [0018] - l'organe de rappel comprend une couverture amagnétique interposée entre le rotor aimanté et le stator aimanté ; et [0019] - la position de repos est constituée par l'une desdites positions d'obturation et de li- bération. [0020] L'invention a également pour objet une ligne d'échappement du type précité, dans laquelle la vanne est constituée par une vanne telle que définie ci-dessus. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : [Fig 1] la Figure 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement selon l'invention, [Fig 2] la Figure 2 est une vue de face et en coupe partielle d'une vanne de la ligne d'échappement de la Figure 1, selon une première variante de l'invention, la vanne étant dans une première configuration, [Fig 3] la Figure 3 est une vue similaire à celle de la Figure 2, la vanne étant dans une deuxième configuration, [Fig 4] la Figure 4 est une vue similaire à celle de la Figure 2, la vanne étant dans une troisième configuration, et [Fig 5] la Figure 5 est une vue de face et en coupe partielle de la vanne de la ligne d'échappement de la Figure 1, selon une deuxième variante de l'invention. [0022] La ligne d'échappement 10 représentée sur la Figure 1 est embarquée à bord d'un véhicule automobile (non représenté). Elle comprend, de manière connue, un collecteur 12 pour collecter les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (non représenté) du véhicule, un orifice 14 de sortie des gaz d'échappement hors du véhicule et, entre le collecteur 12 et l'orifice de sortie 14, un réseau de conduites 16 pour guider les gaz d'échappement depuis le collecteur 12 jusqu'à l'orifice de sortie 14. [0023] Le réseau de conduites 16 inclut, de préférence, au moins un équipement de dé- pollution 20, par exemple un réducteur catalytique et/ou un filtre à particule, pour dépolluer les gaz d'échappement et au moins un équipement anti-bruit 22, par exemple un silencieux, adapté pour minimiser le son produit par les gaz d'échappement à leur sortie par l'orifice de sortie 14. [0024] Le réseau de conduites 16 inclut également une conduite amont 24 d'arrivée de gaz d'échappement, une conduite aval 26 d'évacuation des gaz d'échappement et, interposée entre les conduites amont et aval 24, 26, une vanne 30 dont le rôle est de contrôler le passage des gaz d'échappement entre les conduites amont et aval 24, 26. [0025] Dans l'exemple représenté, les conduites amont et aval 24, 26 font partie d'un tube 28 appartenant à un équipement anti-bruit 22 du réseau de conduites 16. La vanne 30 est ainsi configurée pour sélectivement obturer et libérer ledit tube 28. [0026] En variante (non représentée), les conduites amont et aval 24, 26 appartiennent à un tube de liaison raccordant l'un à l'autre deux équipements anti-bruit 22, ou un équipement de dépollution 20 et un équipement de dépollution 22. [0027] En référence à la Figure 2, la vanne 30 comprend un corps de vanne 32 tubulaire, destiné à contenir les gaz d'échappement, définissant un passage de circulation 33 des gaz d'échappement s'étendant suivant un axe central A-A' depuis une extrémité amont, raccordée fluidiquement à la conduite amont 24, jusqu'à une extrémité aval, raccordée fluidiquement à la conduite aval 26. [0028] Le corps de vanne 32 est typiquement en métal, par exemple en acier. [0029] La vanne 30 comprend également un clapet 34 mobile à l'intérieur du corps de vanne 32, et un dispositif 36 de guidage du clapet 34 relativement au corps de vanne 32 pour permettre le pivotement du clapet 34 relativement au corps de vanne 32 autour d'un axe de pivotement P-P' orthogonal à l'axe A-A' [0030] Le clapet 34 présente deux grandes faces 38 sensiblement parallèle l'une par rapport à l'autre, lesdites faces 38 étant reliées l'une à l'autre par une tranche (non représentée) du clapet 34. Chacune des grandes faces 38 du clapet 34 présente une forme sensiblement complémentaire à la section radiale du passage de circulation 33 des gaz d'échappement. [0031] En position d'obturation, le clapet 34 est orienté sensiblement transversalement au passage de circulation 33 des gaz d'échappement, c'est-à-dire que chacune de ses grandes faces 38 est disposée sensiblement perpendiculairement à l'axe A-A'. En position de libération (non représentée), le clapet 34 est orienté sensiblement paral- lèlement au passage de circulation 33 des gaz d'échappement, c'est-à-dire que chacune de ses grandes faces 38 est disposée sensiblement parallèlement à l'axe A-A'. [0032] Le clapet 34 est typiquement en métal, par exemple en acier. [0033] Le dispositif de guidage 36 comprend un arbre 40 solidaire du clapet 34 et s'étendant suivant l'axe P-P', à travers des orifices opposés (non représentés) ménagés dans le corps de vanne 32. [0034] Cet arbre 40 comprend un premier tronçon d'extrémité 42 s'étendant hors du corps de vanne 32, d'un premier côté du corps de vanne 32, et un deuxième tronçon d'extrémité 44 s'étendant hors du corps de vanne 32, d'un deuxième côté du corps de vanne 32. [0035] Le dispositif de guidage 36 comprend également des manchons 46 coaxiaux à l'arbre 40 et entourant les tronçons d'extrémité 42, 44 de l'arbre 40, chaque manchon 46 étant solidaire du corps de vanne 32, et des paliers 48 interposés chacun entre un tronçon d'extrémité 42, 44 et un manchon 46 respectif, pour assurer le guidage en rotation de l'arbre 40 relativement au manchon 46. [0036] Chaque manchon 46 est typiquement en métal, par exemple en acier. [0037] Chaque manchon 46 est de préférence soudé au corps de vanne 32, à la périphérie de l'un des orifices traversés par l'arbre 40. [0038] Chaque palier 48 est typiquement formé d'un treillis métallique comprimé, d'un matériau composite, ou de graphite. [0039] La vanne 30 comprend encore un organe 50 de rappel du clapet 34 vers une position de repos. Cette position de repos du clapet 34 est constituée typiquement par la position d'obturation ou par la position de libération du passage de circulation des gaz d'échappement 33. [0040] En particulier, dans l'exemple représenté, la position de repos du clapet 34 est constituée par la position d'obturation. L'organe de rappel 50 exerce alors sur le clapet 34 une force opposée à la force exercée sur ce même clapet 34 par les gaz d'échappement circulant depuis la conduite amont 24 vers la conduite aval 26, de sorte que l'angle d'ouverture du clapet 34 dépende de la pression des gaz d'échappement. [0041] Cet organe de rappel 50 comprend un ressort magnétique de torsion 51 formé de deux éléments aimantés 52, 54, à savoir un rotor aimanté 52 fixe en rotation relativement au clapet 34 et coaxial à l'axe de rotation P-P', et un stator aimanté 54 fixe en rotation relativement au corps de vanne 32 et coaxial à l'axe de rotation P-P'. Ainsi, l'organe de rappel 50 ne connaît ni usure ni vieillissement. En outre, il ne risque pas d'être bloqué par les particules présentes dans les gaz d'échappement. [0042] En particulier, le rotor aimanté 52 fait partie de l'arbre 40 et est ici constitué par l'extrémité libre du deuxième tronçon d'extrémité 44 de l'arbre 40. [0043] Chacun des éléments aimantés 52, 54 est magnétisé diamétralement, c'est-à-dire 6 qu'il possède au moins une paire de pôles de polarités opposées et positionnés diamétralement opposés l'un à l'autre relativement à l'axe de rotation P-P'. [0044] Avantageusement, chacun des éléments aimantés 52, 54 possède une unique paire de pôles, ce qui permet de maximiser l'angle d'utilisation du ressort magnétique de torsion 51. En variante, les éléments aimantés 52, 54 possèdent plusieurs paires de pôles. [0045] L'un des deux éléments aimantés 52, 54 forme un cylindre parallèle à l'axe de rotation P-P' et définit une cavité 56 de réception de l'autre élément aimanté 52, 54. Dans l'exemple des Figures 2 à 4, c'est le stator 54 qui forme un tel cylindre. Dans l'exemple de la Figure 5, cc cylindre est formé par le rotor 52. [0046] De préférence, les deux éléments aimantés 52, 54 comprennent chacun au moins un aimant permanent 58. Cela permet de simplifier la conception de l'organe de rappel 50. [0047] Cet aimant permanent 58 est avantageusement un aimant samarium-cobalt. Ainsi, cet aimant permanent 58 conserve de bonnes propriétés magnétiques, malgré les températures élevées auxquelles il est soumis. [0048] En variante, l'aimant permanent 58 est un aimant au néodyme. [0049] En variante encore (non représentée), l'un desdits éléments aimantés 52, 54 comprend un électroaimant, en particulier un électroaimant bipolaire, s'étendant autour de l'autre élément aimanté 52, 54, ledit autre élément aimanté 52, 54 comprenant au moins un aimant permanent 58. Cet élément aimanté 52, 54 qui comprend l'électroaimant est alors constitué par l'élément aimanté qui définit la cavité 56 de réception de l'autre élément aimanté 52, 54. Cette variante permet de réguler la force de rappel exercée par l'organe de rappel 50 sur le clapet 34 voire, dans certaines circonstances, d'annuler cette force de rappel. [0050] Comme visible sur les Figures 2 à 4, les deux éléments aimantés 52, 54 sont par ailleurs mobiles en translation l'un par rapport à l'autre suivant l'axe de rotation P-P'. Plus particulièrement, c'est le stator aimanté 54 qui est ici mobile en translation suivant l'axe de rotation P-P' relativement au corps de vanne 32, le rotor aimanté 52 étant quant à lui fixe en translation relativement au corps de vanne 32. [0051] 11 est ainsi possible de faire varier le couple exercé sur le rotor aimanté 52, pour une position angulaire donnée du clapet 34 hors de sa position de repos, par le champ magnétique produit par le stator aimanté 54, ce couple étant en effet fonction de la position axiale relative, suivant l'axe P-P', des éléments aimantés 52, 54 l'un par rapport à l'autre. [0052] Ce degré de liberté des éléments aimantés 52, 54 est en particulier adapté pour que le rotor aimanté 52 et le stator aimanté 54 puissent occuper l'un par rapport à l'autre : une première position axiale relative, représentée sur la Figure 2, dans laquelle le couple exercé sur le rotor aimanté 52 par le champ magnétique produit par 7 le stator aimanté 54 est maximal, ce couple étant tel qu'il sollicite le clapet 34 vers sa position de repos, une deuxième position axiale relative, représentée sur la Figure 3, dans laquelle le champ magnétique produit par le stator aimanté 54 n'exerce aucun couple sur le rotor aimanté 52, quelle que soit la position angulaire relative des éléments aimantés 52, 54, et une troisième position axiale relative, représentée sur la Figure 4, dans laquelle le champ magnétique produit par le stator aimanté 54 exerce sur le rotor aimanté 52, lorsque le clapet 34 est hors de sa position de repos, un couple inverse sollicitant le clapet 34 à l'écart de sa position de repos. [0053] Les éléments aimantés 52, 54 peuvent également occuper l'un par rapport à l'autre une pluralité de positions axiales intermédiaires primaires, non représentées, entre les première et deuxième positions axiales relatives, et une pluralité de positions axiales intermédiaires secondaires, non représentées, entre les deuxième et troisième positions axiales relatives. [0054] Les positions axiales intermédiaires primaires sont telles que le couple exercé sur le rotor aimanté 52 par le champ magnétique produit par le stator aimanté 54 diminue progressivement à mesure que les éléments aimantés 52, 54 s'éloignent de la première position axiale relative et se rapprochent de la deuxième position axiale relative. Les positions axiales intermédiaires secondaires sont telles que le couple inverse exercé sur le rotor aimanté 52 par le champ magnétique produit par le stator aimanté 54 augmente progressivement à mesure que les éléments aimantés 52, 54 s'éloignent de la deuxième position axiale relative et se rapprochent de la troisième position axiale relative. [0055] De sorte à réguler le couple exercé sur le rotor aimanté 52 par le champ magnétique produit par le stator aimanté 54, l'organe de rappel 50 comprend un actionneur 60 configuré pour translater le stator aimanté 54 relativement au rotor aimanté 52 suivant l'axe de rotation P-P' et ainsi positionner les éléments aimantés 52, 54 l'un relativement à l'autre sélectivement dans l'une des première, deuxième et troisième positions axiales relatives, ou dans l'une quelconque des positions axiales intermédiaires. [0056] Cet actionneur 60 est en particulier constitué par un actionneur linéaire électrique configuré de sorte à occuper une configuration par défaut lorsque l'actionneur 60 est inactif. Cette configuration par défaut est avantageusement telle que, lorsque l'actionneur 60 est dans cette configuration, les éléments aimantés 52, 54 occupent l'un par rapport à l'autre la première position axiale relative. [0057] Ainsi, lorsque l'actionneur 60 est dans la configuration par défaut et que le clapet 34 est hors de sa position de repos, le champ magnétique produit par le stator aimanté 54 exerce alors sur le rotor aimanté 52 un couple maximal sollicitant le clapet 34 vers sa 8 position de repos. [0058] A cet effet, l'actionneur 60 comprend, dans la première variante représentée sur les Figures 2 à 4, un bras aimanté 62 solidaire du stator aimanté 54, un solénoïde 64, et un organe 66 de rappel du bras aimanté 62. [0059] Le bras aimanté 62 est mobile en translation suivant l'axe de rotation P-P' rela- tivement au solénoïde 64 entre une première position extrême dans laquelle les éléments aimantés 52, 54 occupent l'un par rapport à l'autre la première position axiale relative, et une deuxième position extrême dans laquelle les éléments aimantés 52, 54 occupent l'un par rapport à l'autre la troisième position axiale relative. [0060] Le solénoïde 64 est coaxial à l'axe de rotation P-P' et fixe relativement au corps de vanne 32. Il est adapté pour produire, lorsqu'il est alimenté en électricité, un champ magnétique propre à déplacer le bras aimanté 62 depuis sa première position extrême vers sa deuxième position extrême. [0061] Enfin, l'organe de rappel 66 sollicite le bras aimanté 62 vers sa première position extrême. [0062] Ainsi, lorsque l'actionneur 60 n'est pas alimenté en électricité, le bras aimanté 62 est dans sa première position extrême et l'actionneur 60 est dans sa configuration par défaut. Ensuite, il suffit d'adapter l'intensité du courant d'alimentation du solénoïde 64 pour ajuster la position du bras aimanté 62 entre ses deux positions extrêmes et, ainsi, ajuster la position axiale relative des éléments aimantés 52, 54. [0063] Dans la deuxième variante, représentée sur la Figure 5, l'actionneur 60 est constitué par un actionneur à vis linéaire. [0064] Par ailleurs, dans la première variante de l'invention, l'organe de rappel 50 comprend également une couverture amagnétique 70 rapportée par-dessus le rotor aimanté 52, entre le rotor aimanté 52 et le stator aimanté 54. Cette couverture amagnétique 70 permet de renforcer l'étanchéité de la vanne 30, sans perturber le fonctionnement de l'organe de rappel 50. [0065] La couverture amagnétique 70 est typiquement constituée d'au moins un matériau paramagnétique ayant une perméabilité magnétique relative proche de 1, tel que par exemple l'aluminium et l'acier inoxydable austénitique. [0066] Bien que n'étant pas représentée sur la Figure 5, une telle couverture amagnétique 70 peut aisément être adaptée à la seconde variante de l'invention. [0067] Grâce à l'invention décrite ci-dessus, la vanne 30 présente une excellente fiabilité et une longue durabilité. En effet, l'organe de rappel 50 ne connaissant ni usure ni vieillissement et ne présentant aucun risque de blocage, la force de rappel exercée par cet organe 50 reste stable et la vanne 30 peut donc se comporter tel que prévu lors de sa conception, même plusieurs années après la mise en service du véhicule. [0068] De plus, la vanne 30 présente des fonctionnalités augmentées puisque, à la différence 9 des vannes d'échappement connues, elle peut être commandée de sorte à adapter la force de rappel du clapet 34 en fonction des conditions d'opération de la ligne d'échappement 10, par exemple lorsque le bruit produit par le véhicule ou la contre-pression produite par la ligne d'échappement 10 doit être minimisé(c). [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]