EP1174595B1

EP1174595B1 - Actionneur de soupapes de moteurs à combustion interne

Info

Publication number: EP1174595B1
Application number: EP01401914A
Authority: EP
Inventors: Stéphane Guerin; Jean-Paul Yonnet
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: DE60141434D1; ES2341315T3; EP1174595A1; ATE459788T1; FR2812024B1; FR2812024A1

Description

La présente invention est relative aux actionneurs de soupapes de moteurs à combustion interne.
Un actionneur de soupape du type précité comporte généralement deux électroaimants entre lesquels est ménagé un entrefer.
Dans l'entrefer est montée une palette magnétique liée à la soupape à actionner, déplaçable par les électroaimants à l'encontre de ressorts de stockage d'énergie.
L'agencement ainsi constitué forme un oscillateur harmonique dans lequel le stockage de l'énergie nécessaire à une commutation rapide est assuré par les ressorts et le changement de position est contrôlé à l'aide des électroaimants.
Ce système est simple en apparence, mais il présente des limitations techniques.
Le contrôle de la position de la soupape est assuré au moyen des deux bobines des électroaimants par application de courant qui génère un champ magnétique produisant une force F.
Dans la phase de saturation, cette force est constante et non contrôlable par le courant.
Hors saturation, cette force est proportionnelle au carré du courant injecté dans les bobines et inversement proportionnelle au carré de l'entrefer.
Cette double non linéarité rend très difficile le contrôle de la soupape par les électroaimants
En effet, à grande distance, c'est à dire à une distance égale à 3 à 4 mm, la force appliquée à la palette est très faible, ce qui diminue la plage d'utilisation et pose un problème en ce qui concerne l'initialisation de l'actionneur.
A la distance intermédiaire comprise entre 1 et 3mm, la force est difficilement contrôlable par le courant en raison de la dépendance quadratique précitée.
A faible distance, quand la soupape s'approche de son siège par exemple, la force augmente très rapidement, pratiquement sans contrôle possible par le courant. Il se produit un effet d'emballement responsable du bruit d'impact. Ce phénomène est tout à fait comparable au claquement produit par l'électroaimant d'une porte de placard.
La force exercée sur la palette est toujours positive en raison de sa proportionnalité au carré du courant d'alimentation des bobines.
Par conséquent, on ne peut ralentir la soupape si on constate une vitesse trop importante.
A ce problème relatif à la force s'ajoute la présence importante de courants de Foucault, qui atténuent et retardent l'effet des bobines.
Afin de remédier à ces inconvénients, on était obligé jusqu'à présent, de rendre plus complexe le dispositif de contrôle des soupapes, à l'aide de capteurs très performants de position de la soupape, d'une électronique de contrôle précise et rapide, d'une stratégie logicielle sophistiquée et d'avoir éventuellement recours à un amortisseur mécanique.
Malgré ces accroissements de la complexité des moyens de commande et de contrôle, les performances attendues en terme de vitesse d'impact risquent de rester insuffisantes obligeant de mettre en oeuvre des moyens supplémentaires d'isolation acoustique.
A l'admission, l'actionneur doit être capable d'apporter l'énergie nécessaire à la commutation. Il s'agit de compenser les pertes par frottement qui s'élèvent à 0,2 J environ pour une course ou levée de 8 mm de la soupape, et par conséquent de la palette des électroaimants.
L'énergie apportée par un électroaimant sur l'ensemble de la course précitée, est égale à l'intégrale de la force.
Cette énergie est relativement faible en raison de la forte décroissance de la force pour les grandes valeurs d'entrefer.
Par exemple, à une vitesse de rotation du moteur de 6000 t/mn, sur un cycle à deux temps, qui optimiserait l'utilisation de l'actionneur, la puissance utile serait de 20 W, ce qui est faible en regard de sa masse, de l'ordre de 1 kg et de son gros.volume.
Pour un moteur thermique de 500 cm³, de cylindré unitaire, on peut se satisfaire de telles dimensions bien qu'elles restent un handicap.
Par contre, ces dimensions ne sont pas compatibles avec des cylindrées unitaires plus faibles.
A l'échappement, l'énergie à fournir est de l'ordre de 1,4 J pour lutter contre la pression dans la chambre du cylindre lors de l'ouverture de la soupape.
Les actionneurs actuels présentent une hauteur relativement importante en raison de l'empilage de ressorts, de deux électroaimants et d'un plateau d'actionnement ou palette.
En stationnement, sur les moteurs des véhicules actuels, il y a toujours un cylindre en compression.
Le moteur assure ainsi un frein de parcage complémentaire que certains utilisateurs exploitent comme frein additionnel au frein à main, notamment dans les côtes.
Lorsqu'on utilise les actionneurs électromagnétiques, les soupapes sont en position d'équilibre au milieu, de sorte que toutes les chambres du moteur sont à la pression atmosphérique et il n'y a plus de freinage complémentaire possible.
Enfin, l'actionneur lui-même est relativement bon marché en raison de sa simplicité, mais l'électronique de commande associée ainsi que le capteur de position de la soupape, sont complexes et donc chers.
L'invention vise à remédier aux inconvénients des actionneurs électromagnétiques de soupapes classiques en créant un actionneur, qui tout en étant d'un prix de revient relativement peu élevé, présente des performances améliorées dans l'ensemble des domaines évoqués plus haut.
L'invention a pour objet un perfectionnement à l'actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne connu de la demande de brevet EP-1010866A , dont les éléments connus sont repris dans le préambule de la revendication 1, ce perfectionnement consistant en ce que le corps de chaque électroaimant comporte une branche centrale et deux branches latérales, en ce que la bobine d'alimentation est disposée autour de la branche centrale et en ce que l'aimant permanent est placé dans ladite branche centrale du corps.
Suivant d'autres caractéristiques :

les corps magnétiques des deux électroaimants définissant entre eux un entrefer dans lequel ladite palette est montée déplaçable à l'encontre d'au moins un ressort antagoniste de stockage d'énergie de commutation, un aimant permanent est interposé dans le corps magnétique de chaque électroaimant ;
l'aimant permanent est interposé dans le corps magnétique de l'électroaimant du haut ;
l'aimant permanent est disposé dans le corps de l'électroaimant de manière que l'aimantation de l'aimant permanent soit parallèle au champ engendré dans ledit corps par la bobine d'alimentation correspondante ;

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

la Fig.1 est une vue schématique d'un actionneur électromagnétique à deux électroaimants suivant l'invention ;
la Fig.1a est une vue schématique partielle d'un actionneur suivant l'invention;
la Fig.2 est une vue schématique en coupe d'un autre actionneur électromagnétique de soupape à deux électroaimants suivant l'invention ;
la Fig.3 est une vue schématique en coupe d'encore un actionneur électromagnétique de soupape, et
la Fig.4 est un graphique comparatif de la force exercée sur la palette d'un actionneur pourvu ou non d'un aimant permanent.

L'actionneur électromagnétique de soupape représenté à la figure 1, comporte deux électroaimants 1,2 comprenant chacun un corps 3,4 en tôle magnétique feuilletée portant une bobine d'alimentation respective 5,6. Les faces des électroaimants 1,2 tournées l'une vers l'autre, définissent entre elles un entrefer 7 d'une valeur correspondant à la levée d'une palette 8 en matériau magnétique fixée à une extrémité d'une tige 9 d'actionnement d'une soupape 10 de moteur à combustion interne.
La tige 9 traverse le corps 4 de l'un des électroaimants 2 entre lequel et un logement 12 ménagé dans la paroi de culasse C d'un moteur, sont disposés deux ressorts antagonistes 13,14 de stockage d'énergie entourant la tige d'entraînement 9 et la queue 15 de la soupape à actionner.
Le ressort 13 prend appui d'une part sur le corps 4 de l'électroaimant 2 et d'autre part, sur une pièce de liaison 16 de la tige 9 avec la queue 15 de la soupape 10. Le ressort 14 prend appui entre ladite pièce de liaison 16 et le fond du logement 12 ménagé dans la paroi de la culasse C.

Suivant l'invention, les corps 3 et 4 des électroaimants 1 et 2 comportent chacun deux pièces polaires 18,19,20,21 entre lesquelles sont insérés des aimants permanents respectifs 22,23.

Les bobines d'alimentation 5,6 sont enroulées autour des branches des pièces polaires 18,19,20,21 entre lesquelles sont interposés les aimants respectifs 22,23.
Les pièces polaires 18 à 21 comportent respectivement des branches 24,25,26,27qui définissent deux à deux, l'entrefer 7 dans lequel est montée déplaçable la palette 8 de l'actionneur.
L'adjonction d'un aimant en série dans le circuit magnétique de chaque bobine 5,6, permet, lorsque la soupape est en positon fermée ou ouverte, de disposer d'une force de maintien permanente importante sans consommation de courant.
Sa étant la section d'un aimant et Se étant la section de l'entrefer, l'utilisation d'une section Sa supérieure à Se permet d'amplifier le champ créé par l'aimant permanent. On peut ainsi utiliser si l'on le souhaite un aimant en ferrite relativement bon marché.
L'épaisseur de l'aimant mesuré dans le sens de son aimantation, est en principe assez réduite afin que les bobinages 5 et 6 restent efficaces pour le pilotage du système.
Selon une variante non représentée, on ne place un aimant que dans l'électroaimant de fermeture qui est le plus utilisé.
Au cours de la phase d'approche d'une butée, on bénéficie également de la force de l'aimant correspondant.
Pour le décollage, c'est le contraire, car il faut appliquer un courant négatif pour réduire ou annuler le champ créé par l'aimant correspondant.
Sur la figure 4, on a représenté un graphique de la force F₁ qu'il est possible d'obtenir en fonction de l'entrefer e1 entre un électroaimant et la palette mobile pour un électroaimant non polarisé et un électroaimant polarisé suivant l'invention.
La courbe en trait plein représente la variation de la force en fonction de l'entrefer pour un électroaimant polarisé, c'est à dire pourvu d'un aimant permanent alors que la courbe en pointillés représente la variation de la force en fonction de l'entrefer pour un électroaimant non polarisé.
La force exercée sur le plateau par l'électroaimant est donnée par la relation : $F_{S} = \frac{S}{2 μ_{o}} {(\frac{Jla + μ_{o} nI}{2 e + la \frac{Se}{Sa}})}^{2}$

avec J = aimantation de l'aimant
Sa = Section de l'aimant
Se = Section de l'entrefer
la = largeur de l'aimant / épaisseur
S = Section du plateau sur laquelle s'applique la force
e = entrefer

Pour attirer le plateau ou palette, la force à grande distance, c'est à dire pour un entrefer important, est plus importante. La zone de contrôle est donc $la \frac{Se}{Sa} .$
plus étendue.
Pour des entrefers inférieurs au millimètre, l'actionneur polarisé est moins sensible à la saturation et donc plus facile à contrôler.
Le contrôle de la force par le courant est beaucoup plus facile car elle varie en (Bala + µ₀.nl)².
Dans cette relation :

Ba = champ créé par l'aimant permanent,
la = largeur de l'aimant,
n = nombre de spires de la bobine d'alimentation.

Quand l n'est pas trop grand, une variation dl se traduit par une variation linéaire de la force en 2.Ba.la.µ₀.n.dl
De même, au lieu d'être proportionnelle à $\frac{1}{e^{2}},$
e étant l'entrefer, la force varie $\frac{1}{{(e + la \frac{Se}{2 Sa})}^{2}},$
Se = section de l'entrefer, Sa = section de l'aimant.
La sensibilité à l'entrefer est donc très réduite.
L'actionneur polarisé est bien plus facilement pilotable et doit permettre d'atteindre beaucoup plus facilement des vitesses d'impact très faibles.
La puissance utile d'un actionneur polarisé par rapport à son volume peut être multipliée par un facteur égal au moins à 2 vis à vis de celle d'un actionneur non polarisé.
En ce qui concerne la consommation électrique, le rendement de l'actionneur polarisé est fortement amélioré par rapport à celui d'un actionneur non polarisé.
On réduit la consommation aisément de 30% à 6000 t/mn et de 60% à 1500 t/mn en raison de l'absence de consommation de maintien.
L'actionneur polarisé présente un encombrement à peu près voisin de celui d'un actionneur dépourvu d'aimant permanent dans son circuit magnétique.
L'actionneur suivant l'invention représenté partiellement à la Fig. 1a, comporte deux électroaimants tels que l'électroaimant 1a comportant respectivement des corps tels que 2a en tôle magnétique, tournés l'un vers l'autre portant chacun une bobine d'alimentation telle que la bobine 3a. Une palette magnétique 8a est montée déplaçable entre les corps en tôle magnétique des électroaimants.
La bobine d'alimentation telle que la bobine 3a est portée par une branche centrale 9a du corps 2a qui comporte en outre deux branches latérales 10a,11a. Dans la branche centrale 9a est placé un aimant permanent 12a. Le second électroaimant de cette variante d'actionneur est similaire à celui décrit en référence à la figure 1 a et le reste de l'actionneur est similaire à celui de la Fig. 1.
L'actionneur électromagnétique représenté à la figure 2, est du type comprenant également deux électroaimants 30,31 dont les corps respectifs 32,33 en matériau magnétique, par exemple en tôle feuilletée, sont chacun pourvus d'une bobine d'alimentation 34,35.
Les électroaimants 30,31 montés chacun sur des pièces de maintien d'extrémité 36,37 en matière amagnétique, définissent entre eux un entrefer 38 dont la valeur correspond à la levée d'une palette ou plateau magnétique 39 porté par une tige 40 d'entraînement d'une soupape 41. La tige 40 traverse les corps 32,33 des électroaimants 30,31 ainsi que les pièces de maintien d'extrémité 36,37 qui comportent chacune un manchon borgne 42,43 fileté extérieurement et contenant un ressort 44,45 correspondant de stockage d'énergie.
Chaque ressort 44,45 prend appui d'une part, contre le fond du manchon borgne 42,43 correspondant et d'autre part, sur un disque 46,47 en contact par sa face opposée au ressort avec une extrémité correspondante de la tige 40 d'entraînement de la soupape 41.
La soupape 41 comporte une queue 49 qui prend appui sur la face du disque 47 opposé à la tige 40, qui est entourée par le ressort 45 et qui traverse le fond du manchon borgne 43, la tête 50 de ladite soupape coopérant avec un siège de soupape d'une culasse de moteur (non représentée).
Comme dans la figure 1, chacun des corps magnétiques 32,33 des électroaimants 30,31, comporte deux pièces polaires 51,52,53,54 respectivement, entre lesquelles sont disposés des aimants permanents 55,56 dont la fonction est analogue à celles des aimants permanents 22,23 du mode de réalisation de la figure 1.
On voit que les directions des aimantations des aimants permanents 55,56 sont parallèles aux champs engendrés par les bobines d'actionnement 34,35 portées par les corps 32,33 des électroaimants 30,31.
L'actionneur électromagnétique représenté schématiquement à la figure 3 comporte deux électroaimants 60,61 dont les corps en matériau magnétique par exemple en tôles feuilletées, portent chacun une bobine d'alimentation 63,64.
Le corps de chaque électroaimant comporte deux pièces polaires 65,66 et 67,68 réunies entre elles par un aimant permanent respectif 69,70 entouré par la bobine d'alimentation correspondante 63,64.
Chacun des aimants permanents 69,70 est monté dans une branche centrale correspondante 71,72 formée par des portions correspondantes des pièces polaires 65,66 et 67,68. Il est disposé dans la branche centrale de son circuit magnétique de façon inclinée, de sorte que son aimantation soit inclinée par rapport au champ électromagnétique engendré par la bobine d'alimentation 63,64 correspondante et se combine ainsi avec ce dernier.
L'angle d'inclinaison du champ magnétique de chaque aimant permanent 69,70 par rapport au champ engendré par la bobine 63,64 correspondante, est avantageusement choisi de manière que l'extrémité de son côté longitudinal intérieur la plus écartée des branches latérales des pièces polaires 65,66,67,68 se trouve à une distance d de ces branches égale à la largeur de celles-ci.
Le montage de chaque aimant permanent 69,70 dans le corps de l'électroaimant correspondant est réalisé en découpant les tôles des pièces polaires 65,66 et 67,68 de manière à former entre les pièces polaires 65,66 d'une part et 67,68 d'autre part, des logements recevant les aimants 69,70 respectifs.
Les faces des électroaimants 60,61 tournées l'une vers l'autre, définissent entre elles un entrefer 74 d'une valeur correspondant à la levée d'une palette 75 en un matériau magnétique fixée à une extrémité d'une tige 76 d'actionnement d'une soupape 77 de moteur de combustion interne.
Comme dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, la tige 76 traverse le corps de l'électroaimant 61 entre lequel et un logement 78 ménagé dans la paroi de la culasse C d'un moteur, sont disposés deux ressorts 79,80 de stockage d'énergie entourant la tige d'entraînement 76 et la queue 81 de la soupape à actionner.
La fonction d'un aimant en série dans le circuit magnétique de chaque bobine 63,64, assure dans le mode de réalisation de la figure 3, le même effet que dans les modes de réalisation précédents.
En outre, le fait d'incliner les aimants 69,70 par rapport à la direction des champs engendrés par les bobines d'alimentation 63,64, permet de réduire considérablement la hauteur des circuits magnétiques des électroaimants 60,61.
On peut donc ainsi réduire l'encombrement général de l'actionneur en particulier en ce qui concerne son encombrement en hauteur, ce qui facilite sa mise en place sur la culasse d'un moteur à combustion interne.
L'agencement représenté partiellement à la fig. 1a qui vient d'être décrit présente vis à vis de l'état de la technique, les avantages suivants.
Il permet un meilleur contrôle de la soupape grâce à la linéarité relative de la force en fonction de l'entrefer, ce qui permet d'obtenir un gain en bruit.
La consommation électrique de maintien de la soupape en position est nulle ou très limitée.
La consommation électrique de commutation est réduite par réduction des pertes par effet Joule.
L'actionneur polarisé est globalement plus puissant et de ce fait mieux adapté à une utilisation sur des soupapes d'échappement ou sur un moteur de plus faible cylindrée unitaire.

Claims

Actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne comprenant deux électroaimants comportant chacun une bobine d'alimentation (3a), une palette magnétique (8a) disposée entre les deux électroaimants, liée à un organe d'entraînement de la soupape à l'encontre de l'action d'au moins un ressort de stockage d'énergie de commutation de ladite soupape , un aimant permanent (12a) dont l'aimantation se combine au champ engendré dans ledit corps par la bobine d'alimentation (3a) étant interposé dans le corps magnétique (2a) d'au moins un electroaimant, caractérisé en ce que le corps (2a) de chaque électroaimant comporte une branche centrale (9a) et deux branches latérales (10a, 11a), la bobine d'alimentation (3a) étant disposée autour de la branche centrale et l'aimant permanent (12a) étant placé dans ladite branche centrale du corps (2a)..
Actionneur électromagnétique suivant la revendication 1, dont les corps magnétiques des deux électroaimants définissent entre eux un entrefer dans lequel ladite palette est montée déplaçable à l'encontre d'au moins un ressort antagoniste de stockage d'énergie de commutation, caractérisé en ce qu'un aimant permanent (12a) est interposé dans le corps magnétique de chaque électroaimant.
Actionneur électromagnétique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent est interposé dans le corps magnétique de l'électroaimant de fermeture.
Actionneur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent est disposé dans le corps de l'électroaimant de manière que l'aimantation de l'aimant permanent (12a) soit parallèle au champ engendré dans ledit corps par la bobine d'alimentation (3a) correspondante.