Actionneur électromécanique de soupape pour moteur à combustion interne et moteur à combustion interne muni d'un tel actionneur

Abstract

 La présente invention se rapporte à un actionneur (301) électromécanique de soupape de moteur à combustion interne muni d'un électroaimant (300) polarisé exerçant une action magnétique sur un plateau (302) magnétique soumis à une action mécanique de rappel, cette action pouvant compenser l'action mécanique et maintenir le plateau (302) dans une position distante de l'électroaimant.
Selon l'invention, l'actionneur comprend des moyens pour que les déplacements du plateau soient uniquement contrôlés par cet électroaimant et l'action mécanique de rappel que telle sorte que le plateau effectue des aller-retour à partir de la position distante.

Description

[0001] La présente invention se rapporte à un actionneur électromécanique de soupape pour moteur à combustion interne et à un moteur à combustion interne muni d'un tel actionneur.

[0002] Un actionneur 100 électromécanique (figure 1) de soupape 110 comporte des moyens mécaniques, tels que des ressorts 102 et 104, et des moyens électromagnétiques, tels que des électroaimants 106 et 108, pour commander la position de la soupape 110 au moyen de signaux électriques.

[0003] A cet effet la queue de la soupape 110 est appliquée contre la tige 112 d'un plateau magnétique 114 situé entre les deux électroaimants 106 et 108.

[0004] Lorsqu'un courant circule dans la bobine 109 de l'électroaimant 108, ce dernier est activé et attire le plateau magnétique 114 qui vient à son contact en position dite « haute ».

[0005] Le déplacement simultané de la tige 112 permet au ressort 102 de placer la soupape 110 en position fermée, la tête de la soupape 110 venant contre son siège 111 et empêchant les échanges de gaz entre l'intérieur et l'extérieur du cylindre 117.

[0006] De façon analogue (non représentée), lorsqu'un courant circule dans la bobine 107 de l'électroaimant 106, (l'électroaimant 108 étant désactivé), ce dernier est activé et attire le plateau 114 qui vient à son contact et déplace la tige 112 en comprimant le ressort 102, à l'aide du ressort 104, de telle sorte que cette tige 112 agit sur la soupape 110 et place cette dernière en position ouverte, la tête de la soupape étant éloignée de son siège 111 pour permettre, par exemple, une admission ou une injection de gaz dans le cylindre 117. La soupape est alors en position dite basse.

[0007] Ainsi, la soupape 110 et le plateau 114 alternent des positions fixes, dites commutées, avec des déplacements transitoires entre ces deux positions.

[0008] Par ailleurs, l'actionneur 100 peut être muni d'aimants 118 (électroaimant 108) et 116 (électroaimant 106) destinés à réduire l'énergie nécessaire au maintien du plateau 114 dans une position commutée, c'est-à-dire en contact contre un des électroaimants. De tels électroaimants sont dénommés par la suite électroaimants à aimant ou électroaimants polarisés.

[0009] Les actionneurs connus présentent l'inconvénient de nécessiter une énergie importante pour maintenir la soupape dans une position commutée alors même que ce maintien ne fournit aucune énergie de propulsion au véhicule.

[0010] En outre, ils génèrent un bruit de fonctionnement important dû au contact du plateau contre l'électroaimant.

[0011] La présente invention remédie à au moins un de ces inconvénients. Elle résulte de la constatation que l'action exercée sur un plateau par un électroaimant peut être contrôlée de façon plus précise, et avec une portée supérieure, lorsque cet électroaimant est polarisé, comme expliqué ci-dessous à l'aide de la figure 2

[0012] Sur cette figure 2 sont représentées les forces F (axe des ordonnées 200, en Newton) exercées sur un plateau magnétique par un électroaimant polarisé (courbe 202₁) et par un électroaimant non polarisé (courbe 206), alimentés par un même courant, en fonction de l'entrefer e (axe des abscisses 208, en mm) séparant l'électroaimant du plateau.

[0013] On observe que la force F exercée par l'électroaimant non polarisé (courbe 206), alimenté par un courant i, décroît fortement en fonction de l'entrefer.

[0014] De fait, la force exercée par un électroaimant non polarisé est non linéaire, à savoir inversement proportionnelle au carré de l'entrefer et proportionnelle au carré de l'intensité du courant alimentant l'électroaimant.

[0015] Inversement, dans le cas d'un électroaimant polarisé alimenté par un courant i identique (courbe 202₁) au courant précédemment utilisé, la force exercée par l'actionneur décroît moins rapidement en fonction de l'entrefer e.

[0016] Ainsi, la variation de la force exercée par l'électroaimant polarisé est plus linéaire que la variation de la force exercée par l'électroaimant non polarisé, ce qui permet un meilleur contrôle de cette force au cours du déplacement du plateau.

[0017] Il convient de souligner que, si le plateau est saturé par le champ magnétique issu de l'électroaimant, la force exercée par ce dernier augmente moins fortement quand l'entrefer diminue, comme représenté par la courbe 202₁' de la courbe 202₁.

[0018] La présente invention résulte aussi de la constatation que la force exercée par un électroaimant polarisé sur un plateau magnétique peut compenser la force mécanique de rappel auquel ce dernier est soumis alors même que ce plateau est distant de l'électroaimant.

[0019] A cet effet, on détermine la force exercée par l'électroaimant pour différents courants d'alimentations décroissants (courbes 202₂, 202₃ et 202₄) ainsi que la force mécanique, exercée par des ressorts, subie par le plateau (courbe 210) en fonction de la distance ou entrefer séparant ce dernier de l'électroaimant.

[0020] Il apparaît que, si l'entrefer a une valeur telle que la queue de soupape est distante de l'extrémité de la tige du plateau magnétique, la force exercée par l'électroaimant polarisé ne doit égaler que l'action mécanique exercée par le ressort de rappel solidaire du plateau, le ressort solidaire de la queue de soupape étant bloqué par la position commutée de cette dernière.

[0021] Par exemple, en alimentant l'électroaimant selon un courant correspondant à la courbe 202₃, la force exercée par cet électroaimant égale la force mécanique pour un entrefer inférieur à la valeur du jeu de distribution.

[0022] Finalement, l'invention résulte de la constatation que le maintien en position commutée d'une soupape requiert une alimentation importante alors même que ce maintien n'est pas nécessaire pour opérer les étapes d'admission et/ou d'échappement des gaz vis-à-vis du cylindre.

[0023] C'est pourquoi, la présente invention concerne un actionneur électromécanique de soupape pour moteur à combustion interne muni d'un électroaimant polarisé exerçant une action magnétique sur un plateau magnétique soumis à une action mécanique de rappel, cet action pouvant compenser l'action mécanique et maintenir le plateau dans une position distante de l'électroaimant, caractérisé en ce que l'actionneur comprend des moyens pour que les déplacements du plateau soient uniquement contrôlés par cet électroaimant et l'action mécanique de rappel de telle sorte que le plateau effectue des allers-retours à partir de la position distante

[0024] Grâce à l'invention, les contacts entre le plateau et l'électroaimant sont supprimés et le fonctionnement de l'actionneur provoque un bruit fortement réduit.

[0025] En outre, en contrôlant le déplacement du plateau à l'aide d'un unique électroaimant, la consommation électrique de l'actionneur est réduite.

[0026] Selon une réalisation, l'actionneur comprend des moyens pour que la position distance du plateau corresponde à une position ouverte de la soupape.

[0027] Dans une réalisation, l'actionneur comprend des moyens pour éloigner le plateau distant de l'électroaimant en annulant ou en inversant le sens du courant alimentant ce dernier.

[0028] Dans une réalisation, le plateau est maintenu à une distance telle que la tige de la soupape soit distante d'une tige du plateau commandant cette soupape.

[0029] Dans une réalisation telle que l'électroaimant a une forme en E muni d'une branche centrale et de deux branches extrêmes, le plateau est de section inférieure à la section des branches extrêmes et/ou inférieure à la moitié de la section de la branche centrale.

[0030] Selon une réalisation, l'électroaimant étant en forme de E, un aimant est fixé, à l'extrémité d'une de ces branches, en vis-à-vis du plateau.

[0031] Dans une réalisation, l'action mécanique de rappel est générée par au moins un ressort.

[0032] L'invention se rapporte aussi à un moteur à combustion interne muni d'un actionneur électromécanique de soupape de moteur à combustion interne comprenant un électroaimant polarisé et un plateau magnétique mobile soumis à une action mécanique de rappel. Conformément à l'invention, l'actionneur est selon l'une des réalisations précédentes.

[0033] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de modes de réalisation de l'invention effectuée ci-dessous, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures ci-jointes sur lesquelles :

• La figure 1 déjà décrite, représente un actionneur connu,
• La figure 2 est un diagramme des actions exercées sur un plateau magnétique par différents actionneurs,
• La figure 3 représente un actionneur pouvant être commandé conformément à l'invention,
• Les figures 4a à 4d sont des diagrammes relatifs à différents fonctionnements de l'actionneur représenté sur la figure 3, et
• Les figures 5a et 5b représentent deux positions d'un actionneur selon l'invention.

[0034] Dans la réalisation de l'invention montrée sur la figure 3, un actionneur 301 comprend un électroaimant 300, en forme de E, et un plateau magnétique 302 mobile au voisinage de l'électroaimant 300.

[0035] Un circuit magnétique est formé, d'une part, par la branche centrale 304, de section S_c, et les branches d'extrémité 306, de section S_c/2, de l'électroaimant 300 et, d'autre part, par le plateau 302, de section S_p.

[0036] Toutefois, pour augmenter l'effort exercé par l'électroaimant polarisé sur le plateau, on peut concentrer le flux magnétique qu'il génère en réduisant la section de ses branches extrêmes 306 de telle sorte que la section S_c centrale de l'électroaimant soit supérieure au double de la section S_c des extrémités.

[0037] Une telle concentration de flux permet d'obtenir des inductions importantes dans l'entrefer avec l'utilisation d'aimants à champ rémanent faible, tels que des aimants formés de ferrite ou de matériaux composites.

[0038] Par ailleurs, la section Sp du plateau est égale à la section S_c/2 du circuit magnétique de façon à réduire la masse du plateau.

[0039] Ainsi, des ressorts (non représentés) de faible raideur peuvent être utilisés pour contrôler un plateau de masse limitée. Dès lors, on diminue la consommation électrique requise pour déplacer le plateau.

[0040] De façon corollaire, le contrôle exercé sur le plateau par l'électroaimant au moyen du champ généré est augmenté puisque l'action mécanique opposée à cette action magnétique diminue en intensité.

[0041] Une telle amélioration du contrôle du plateau permet, par exemple, de contrôler la vitesse d'approche du plateau vis-à-vis de l'électroaimant ou de modifier les temps de commutations du plateau.

[0042] Finalement, l'encombrement de l'électroaimant n'est plus imposé en hauteur par la section de l'aimant.

[0043] Différentes mesures relatives au fonctionnement d'un actionneur muni de deux électroaimants tels que l'électroaimant 300 et d'un plateau magnétique, tel que le plateau 302, sont représentées aux figures 4a, 4b, 4c et 4d selon que ce mode de fonctionnement est conforme à l'invention (figures 4b et 4d) ou non (figures 4a et 4c).

[0044] Un premier mode de fonctionnement, dit de commutation avec accostage, est décrit à l'aide de la figure 4a. Suivant ce mode, le plateau est situé entre deux électroaimants successivement activés afin de maintenir ce plateau à leur contact.

[0045] La position x (axe 406, en mm) du plateau est représentée sur la figure 4a en fonction de la chronologie (axe des abscisses 404, en ms) du déplacement du plateau mesuré par rapport à sa position équidistante (x=0) entre les deux électroaimants (position médiane).

[0046] On observe que le plateau commute entre une première position x_b minimale et une deuxième position x_h maximale correspondant, respectivement, à la position du plateau au contact de l'électroaimant bas et à la position du plateau au contact de l'électroaimant haut.

[0047] La vitesse v du plateau (axe 408) varie en accord avec ce déplacement de telle sorte que, au contact de l'électroaimant bas ou de l'électroaimant haut, cette vitesse est nulle tandis qu'elle maximale lorsque le plateau est sensiblement équidistant de ces deux électroaimants.

[0048] Finalement, selon l'axe 410 est représentée la valeur du courant ib circulant dans la bobine de l'électroaimant bas et la valeur du courant ih circulant dans la bobine de l'électroaimant haut. On observe ainsi que, pour maintenir le plateau à son contact, chaque électroaimant est alimenté par un courant im de maintien.

[0049] Un deuxième mode de fonctionnement de l'actionneur est décrit à l'aide de la figure 4b. Suivant ce mode, le contrôle du plateau précédemment décrit est effectué au moyen d'activations successives des électroaimants, comme décrit au moyen de la figure 4a, mais le plateau est maintenu distant des électroaimants conformément à l'invention. Par la suite, le plateau maintenu distant par un électroaimant est dit en lévitation.

[0050] De fait, on observe que la position x'_b minimale du plateau a une valeur supérieure à la valeur x_b qu'avait le plateau lorsque ce dernier venait au contact de l'électroaimant bas. En d'autres termes, l'électroaimant bas maintient le plateau commuté distant en lévitation.

[0051] De façon analogue, l'électroaimant haut maintient distant le plateau à son voisinage de telle sorte que la position x'_h maximale a une valeur inférieure à la valeur x_h du le plateau lorsque ce dernier venait en contact contre l'électroaimant haut (figure 4a).

[0052] Dans ce deuxième mode de fonctionnement, la vitesse v du plateau (axe 408') atteint aussi une valeur extrême lorsque le plateau est sensiblement à sa position équidistante (x=0) entre les deux positions commutées tandis que l'intensité (axe 410') des courants i'b ou i'h alimentant, respectivement, l'électroaimant bas et l'électroaimant haut de l'actionneur croît lorsque le plateau se rapproche de l'électroaimant pour attirer et stabiliser ce dernier.

[0053] Ce courant diminue fortement au fur et à mesure que le plateau tend vers l'électroaimant puisque le champ magnétique créé par l'aimant assure, partiellement ou totalement, le maintien du plateau en lévitation.

[0054] Un troisième mode de fonctionnement, dit balistique avec accostage, est décrit à l'aide de la figure 4c. Suivant ce troisième mode, les déplacements du plateau situés entre deux électroaimants ne sont commandés que par l'activation d'un seul de ces électroaimants comme expliqué ci-dessous.

[0055] La position x (axe 420, en mm) du plateau varie en fonction du temps (axe des abscisses 422, en ms) à partir de sa première position x_h maximale vers une deuxième position x_b minimale correspondant, respectivement, à la position du plateau au contact contre l'électroaimant haut et à la position la plus proche du plateau vis-à-vis de l'électroaimant bas.

[0056] De fait, le plateau effectue un aller-retour à partir de l'électroaimant haut de telle sorte que sa vitesse v (axe 424) augmente lorsqu'il tend vers l'électroaimant bas, puis s'inverse lorsque le plateau s'éloigne de cet électroaimant bas pour revenir vers l'électroaimant haut.

[0057] Un tel mode de contrôle balistique permet donc, comme montrée selon l'axe 426, de ne requérir que l'alimentation en courant ih de l'électroaimant haut pour commander le plateau.

[0058] Selon un quatrième mode de fonctionnement, conforme à l'invention, le contrôle balistique du plateau est combiné à une lévitation de ce dernier par l'électroaimant haut.

[0059] De fait, on observe que la position x'_h (figure 4d) maximale du plateau a une valeur inférieure à la valeur x_h du plateau si ce dernier venait en contact contre l'électroaimant haut (figure 4c).

[0060] Dans ce quatrième mode de fonctionnement, la vitesse v du plateau (axe 408') atteint aussi une valeur extrême lorsque le plateau traverse sa position équidistante (x=0) entre les deux positions commutées tandis que l'intensité (axe 410') des courants i'b ou i'h alimentant, respectivement, l'électroaimant bas et l'électroaimant haut de l'actionneur croît lorsque le plateau se rapproche de l'électroaimant pour attirer et stabiliser ce dernier.

[0061] Ce courant diminue fortement au fur et à mesure que le plateau tend vers l'électroaimant puisque, conformément à l'invention, le champ magnétique créé par l'aimant assure, au moins partiellement, le maintien du plateau en lévitation.

[0062] Les mesures représentées sur les figures 4a, 4b, 4c et 4d sont représentatives d'une pluralité de mesures effectuées vis-à-vis de chaque mode. On remarque alors que la position du plateau varie faiblement entre les divers tests. En d'autres termes, la finesse du contrôle du plateau, et donc de la soupape, est particulièrement précis dans un moteur conforme à l'invention.

[0063] Une telle finesse de contrôle peut être utilisée pour réduire les chocs entre la tige du plateau et la tige de la soupape comme expliqué à l'aide des figures 5a et 5b, qui représentent le fonctionnement d'un actionneur 500 conforme à l'invention, le plateau 502 étant maintenu distant des électroaimants 504 et 506 dans sa position commutée haute (figure 5a) ou basse (figure 5b).

[0064] Dans ces réalisations, le jeu 509 entre la tige 508 du plateau et la tige 510 de la soupape est maintenu à une faible valeur par l'électroaimant haut 504 qui maintien le plateau en lévitation. Ainsi, lorsque le plateau commute vers l'électroaimant bas, le contact entre la tige de soupape et la tige du plateau se produit à une vitesse plus faible que si le plateau venait au contact de l'électroaimant, ce qui réduit le bruit de ce contact.

[0065] La présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Par exemple, il est possible de disposer un aimant sur le plateau de façon à ce que ce dernier génère un champ maintenant le plateau distant de l'électroaimant.

[0066] Par ailleurs, l'utilisation de l'invention permet d'utiliser un actionneur de soupape d'admission distinct d'un actionneur de soupape d'échappement.

[0067] De fait, il est connu qu'une soupape d'admission requiert un actionneur de puissance moindre qu'une soupape d'échappement.

[0068] Néanmoins, le fonctionnement d'un actionneur de soupape d'admission à froid, c'est-à-dire pour les premières commutations, nécessite une puissance comparable à celle requise par un actionneur de soupape d'échappement. En effet, le maintien de la soupape dans les positions commutées est plus difficile pour ces premières commutations à froid pour des problèmes de collage du plateau sur l'électroaimant.

[0069] Or, grâce à l'invention, un actionneur de soupape d'admission peut être dimensionné pour fournir une puissance de maintien standard étant donné que le maintien à froid de la soupape est assuré par la suppression de ce maintien.

[0070] En d'autres termes, les dimensions de l'actionneur d'admission peuvent être réduites, réduisant ainsi la masse et les dimensions du moteur.

Revendications

1. 'Actionneur (301, 500) électromécanique de soupape pour moteur à combustion interne muni d'un électroaimant (300 ; 504 ; 506) polarisé exerçant une action magnétique sur un plateau (302 ; 502) magnétique soumis à une action mécanique de rappel, cet action pouvant compenser l'action mécanique et maintenir le plateau (302 ; 502) dans une position distante de l'électroaimant, caractérisé en ce que l'actionneur comprend des moyens pour que les déplacements du plateau soient uniquement contrôlés par cet électroaimant et l'action mécanique de rappel de telle sorte que le plateau effectue des allers-retours à partir de la position distante.

2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour que la position distance du plateau corresponde à une position ouverte de la soupape.

3. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour éloigner le plateau (302 ; 502) distant de l'électroaimant (300 ; 504 ; 506) en annulant ou en inversant le sens du courant alimentant ce dernier.

4. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le plateau (302 ; 502) est maintenu à une distance telle que la tige (510) de la soupape soit distante d'une tige (508) du plateau commandant cette soupape.

5. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, l'électroaimant (300 ; 504 ; 506) ayant une forme en E muni d'une branche centrale (304) et de deux branches extrêmes, le plateau est de section (Sp) inférieure à la section (Sc/2) des branches extrêmes et/ou inférieure à la moitié de la section (Sc) de la branche centrale.

6. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, l'électroaimant étant en forme de E, un aimant est fixé, à l'extrémité d'une de ces branches, en vis-à-vis du plateau.

7. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'action mécanique de rappel est générée par au moins un ressort.

8. Moteur à combustion interne muni d'un actionneur électromécanique de soupape comprenant un électroaimant (300 ; 504 ; 506) polarisé et un plateau (302 ; 502) magnétique mobile soumis à une action mécanique de rappel, caractérisé en ce que l'actionneur est conforme à l'une des revendications précédentes.

Dessins