EP1138884A1 - Procédé de commande de l'ouverture préalable d'une soupape d'échappement pour un moteur à distribution électromécanique - Google Patents

Procédé de commande de l'ouverture préalable d'une soupape d'échappement pour un moteur à distribution électromécanique Download PDF

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EP1138884A1 EP01400292A EP01400292A EP1138884A1 EP 1138884 A1 EP1138884 A1 EP 1138884A1 EP 01400292 A EP01400292 A EP 01400292A EP 01400292 A EP01400292 A EP 01400292A EP 1138884 A1 EP1138884 A1 EP 1138884A1
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2800/00—Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • F01L2800/06—Timing or lift different for valves of same cylinder

Definitions

  • the present invention relates to a control method the opening of an exhaust valve for a electromechanical distribution.
  • an electromechanical actuator for cause the opening and closing movements of valves in an internal combustion engine, in order to carry out the admission and / or exhaust of combustion in the cylinders of this engine, constitutes a particularly well adapted technology, allowing achieve significant gains with respect to the engine fuel consumption and performance, further reducing pollution from exhaust gases in the air
  • Such electromechanical actuators allow particular to obtain a variable adjustment of the angles, that is to say instants of opening and closing of each valve according to the conditions of use of the engine, in particular to optimize fuel efficiency of it.
  • this set comprises, associated with the valve stem, one or more electromagnetic windings defining an air gap whose distance is substantially equal to the stroke of the valve head, the rod being integral with a plate transverse in magnetic material, housed in the air gap, so that depending on the current flowing through the coils, this tray is drawn to one side or the other, so that the valve moves from its position from opening to closing, the swash plate on either side of an equilibrium position intermediate.
  • valve is controlled by two electromagnets.
  • we know systems allowing to obtain the same result with only one winding, thanks to a particular geometry of the armature of the corresponding electromagnet.
  • valve stem is also associated with springs working respectively and simultaneously in compression and in extension or vice versa as appropriate, in particular depending on the direction of movement of this valve stem, at opening or closing, the effect of these springs adding to that of the force of attraction electromagnetic exerted on the transverse plate.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c schematically illustrate a known device of this kind.
  • reference 1 designates a rod illustrated in vertical position which has at its lower end a valve head 2 and at its opposite end a bearing surface 3 for a spring 4, mounted between this span and a fixed stop 5.
  • the rod 1 has on the side of the valve head 2 a other bearing surface 6 for a second spring 7, mounted between this bearing surface and a fixed guide 8 having a bore through 9 in which slides, according to a movement of back and forth, the corresponding end of the rod 1.
  • This rod is also equipped, between the spans support 3 and 6 of springs 4 and 7, of a plate transverse 10 which, if the rod is vertical, extends horizontally, this plate being mounted in an air gap 11 formed between two electromagnets, respectively 12 and 13, each of these electromagnets comprising a yoke 14 in magnetic material and an electrical winding 15, of so that the passage of a current through the windings of two electromagnets cause an effect on the plate 10 of attraction by one of these electromagnets and repulsion by the other, the valve head 2 thus oscillating between two positions where the plate is in contact with one or the other of the electromagnets.
  • FIG 1a illustrates the equilibrium position of the assembly thus envisaged, in which the plate 10 is substantially in the middle of the air gap 11 between the two electromagnets 12 and 13, Figure 1b showing the position where this plate moved to be in contact of the electromagnet 12 and Figure 1c that where conversely, the plate is applied against the electromagnet 13.
  • the present invention relates to a control method opening an exhaust valve using a electromechanical actuator of the kind described above, which overcomes these disadvantages.
  • control method considered, for the opening of an exhaust valve subject to permanence of the effect of a thrust spring, characterized in that it consists in carrying out a gas decompression in the cylinder through an opening prior or "pilot” of this valve, before performed a complete or “main” opening.
  • the opening of the valve exhaust is done first under the action of only springs, then supply the electromagnet (s) to bring and capture the valve in full position opening: although gas has started to escape, the pressure remains relatively high, causing disadvantages mentioned above.
  • a pilot opening is first produced during which the valve opens and closes under the action of the springs alone, then a so-called opening "main opening” which takes place practically as the classic openings, this time capturing the valve in full open position.
  • the valve does not reach its full opening position and is not captured in this position.
  • the gases escaping during the entire duration of the pilot opening, then at the start of the main opening the residual pressure is a lot lower than in the prior art when feeding the electromagnet and the power consumption is more low.
  • the method according to the invention therefore does not require for its implementation work that a very low overall energy expenditure, the mechanical work absorbed by the gases in the cylinder being minimal and partly offset by the fact that when of the pilot opening, we do not power the electromagnet to capture the valve in the open position.
  • pilot opening of the exhaust valve is obtained exclusively by the spring of the actuator.
  • the pilot opening then the main opening are made on the same valve exhaust or these openings are made on two different valves from the same cylinder. Also, the pilot opening and the main opening can be performed alternately, from one cycle to the next, on a same exhaust valve to distribute the dissipation thermal.
  • valve is used to make the opening pilot and the main opening it's not essential, according to another characteristic of the process of the invention, to capture this valve in the position of closure between the two openings, but only to feed the winding for a fraction of time just necessary to maintain an oscillation of the valve, sufficient to make the main opening: just give it speed, during its return movement, without necessarily reaching the closed position, but a position where, if we cut the current, the springs drive it again in the direction of the opening.
  • the main opening can be carried out before or after the end of the pilot opening.
  • the average energy dissipated in the windings of the corresponding actuators, necessary for the valve control carrying out the main opening is half that corresponding to the solution using a single valve, permanently dedicated to this opening main.

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Abstract

Procédé de commande de l'ouverture d'une soupape d'échappement du gaz de combustion, prévue sur un cylindre d'un moteur à combustion interne, au moyen d'un actionneur électromécanique comportant une tige de commande portant un plateau transversal se déplaçant dans un entrefer délimité par un ou plusieurs électroaimants attirant alternativement le plateau en combinaison avec un effort créé par des ressorts antagonistes agissant sur la tige, le plateau se déplaçant de façon oscillante à partir d'une position d'équilibre intermédiaire entre deux positions finales dans lesquelles il entre en contact avec un électroaimant, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une décompression du gaz (courbe a) dans le cylindre grâce à une ouverture préalable ou "pilote" (courbe b) de cette soupape, avant que ne soit réalisée une ouverture complète ou "principale" (courbe c). <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à un procédé de commande de l'ouverture d'une soupape d'échappement pour un moteur à distribution électromécanique.
La mise en oeuvre d'un actionneur électromécanique pour provoquer les mouvements d'ouverture et de fermeture des soupapes dans un moteur à combustion interne, afin de réaliser l'admission et/ou l'échappement des produits de combustion dans les cylindres de ce moteur, constitue une technologie particulièrement bien adaptée, permettant d'obtenir des gains significatifs en ce qui concerne la consommation en carburant du moteur et ses performances, en réduisant en outre la pollution par les gaz brûlés rejetés dans l'atmosphère
De tels actionneurs électromécaniques permettent en particulier d'obtenir un ajustement variable des angles, c'est-à-dire des instants d'ouverture et de fermeture de chaque soupape en fonction des conditions d'utilisation du moteur, notamment pour optimiser le rendement énergétique de celui-ci.
Il est également connu d'utiliser, de façon plus perfectionnée pour constituer un tel actionneur, un ensemble électromagnétique associé à chaque tige de soupape.
De manière résumée à ses éléments essentiels, cet ensemble comporte, associés à la tige de soupape, un ou plusieurs enroulements électromagnétiques définissant un entrefer dont la distance est sensiblement égale à la course de la tête de la soupape, la tige étant solidaire d'un plateau transversal en matériau magnétique, logé dans l'entrefer, de sorte que, selon le courant qui traverse le ou les enroulements, ce plateau soit attiré d'un côté ou de l'autre, de sorte que la soupape passe de sa position d'ouverture à celle de sa fermeture, le plateau oscillant de part et d'autre d'une position d'équilibre intermédiaire.
On notera que, le plus souvent, la soupape est commandée par deux électroaimants. Cependant, on connaít des systèmes permettant d'obtenir le même résultat avec un seul enroulement, grâce à une géométrie particulière de l'armature de l'électroaimant correspondant.
La tige de soupape est également associée à des ressorts travaillant respectivement et simultanément en compression et en extension ou vice versa selon le cas, en particulier selon le sens de déplacement de cette tige de soupape, à l'ouverture ou à la fermeture, l'effet de ces ressorts s'ajoutant à celui de la force d'attraction électromagnétique exercée sur le plateau transversal.
En jouant sur l'intensité du courant dans le ou les enroulements, on peut ainsi, de manière simple, ajuster la vitesse de la tige de soupape dans sa course et la faire varier en fonction des besoins.
Les Figures 1a, 1b et 1c illustrent schématiquement un dispositif connu de ce genre.
Sur ces figures, qui représentent en élévation le dispositif de commande précité, la référence 1 désigne une tige illustrée en position verticale qui comporte à son extrémité inférieure une tête de soupape 2 et à son extrémité opposée une portée d'appui 3 pour un ressort 4, monté entre cette portée et une butée fixe 5.
La tige 1 comporte du côté de la tête de soupape 2 une autre portée d'appui 6 pour un second ressort 7, monté entre cette portée et un guide fixe 8 présentant un alésage traversant 9 dans lequel coulisse, selon un mouvement de va-et-vient, l'extrémité correspondante de la tige 1.
Cette tige est par ailleurs équipée, entre les portées d'appui 3 et 6 des ressorts 4 et 7, d'un plateau transversal 10 qui, si la tige est verticale, s'étend horizontalement, ce plateau étant monté dans un entrefer 11 ménagé entre deux électroaimants, respectivement 12 et 13, chacun de ces électroaimants comportant une culasse 14 en matériau magnétique et un enroulement électrique 15, de sorte que le passage d'un courant dans les enroulements des deux électroaimants provoque sur le plateau 10 un effet d'attraction par l'un de ces électroaimants et de répulsion par l'autre, la tête de soupape 2 oscillant ainsi entre deux positions où le plateau est au contact de l'un ou de l'autre des électroaimants.
La Figure 1a illustre la position d'équilibre de l'ensemble ainsi envisagé, dans laquelle le plateau 10 est sensiblement au milieu de l'entrefer 11 entre les deux électroaimants 12 et 13, la Figure 1b représentant la position où ce plateau s'est déplacé pour être au contact de l'électroaimant 12 et la Figure 1c celle où, à l'inverse, le plateau est appliqué contre l'électroaimant 13.
Au cours des déplacements du plateau 10, de part et d'autre de sa position d'équilibre intermédiaire, les ressorts 4 et 7 se sont respectivement contractés ou étirés, ou inversement, les deux positions atteintes par la tête de soupape, représentées sur les figures 1b et 1c correspondant pour la première à celle où la soupape est supposée fermée en s'appliquant sur un siège (non représenté) et pour la seconde à celle où la soupape est ouverte.
Le fonctionnement d'un tel ensemble actionneur est relativement simple, les moyens nécessaires pour faire osciller le plateau 10 porté par la tige 1 de part et d'autre de sa position d'équilibre ne présentant pas de difficultés majeures pour être réalisés industriellement.
D'autres perfectionnements à ce dispositif connu ont été par ailleurs décrits et revendiqués dans la demande de brevet français n° 99 09618 du 23 juillet 1999 pour un "Dispositif de contrôle et de limitation d'impact pour un actionneur électromécanique", et également dans la demande 00 01321 du 2 février 2000 pour un "Dispositif pour contrôler et réduire la vitesse d'impact d'un actionneur électromécanique", l'une et l'autre au nom de la demanderesse, en vue notamment de limiter le bruit créé par le plateau qui est accéléré en fin de course et qui présente de ce fait, au moment de l'impact final sur l'électroaimant lorsque la soupape s'ouvre ou se ferme, une vitesse relativement élevée.
Mais si ces réalisations d'un actionneur électromécanique sont satisfaisantes pour atteindre le but plus spécialement visé lorsqu'il s'agit d'une soupape d'admission, en particulier pour obtenir le maintien de cette soupape dans ses positions extrêmes, ouverte ou fermée, grâce à la fourniture à l'électroaimant de l'énergie nécessaire pour assurer la compensation des frottements du mécanisme, elles se heurtent à un inconvénient lorsqu'il s'agit de commander une soupape d'échappement.
En effet, pour ouvrir celle-ci, il est nécessaire de lutter contre la pression des gaz brûlés dans le cylindre, qui produisent un effort sur la soupape et la ralentissent de manière d'autant plus importante que cette pression est plus élevée, donc que le couple délivré par le moteur est plus important.
Il en résulte que le travail mécanique à fournir par l'électroaimant pour permettre la capture, c'est-à-dire l'immobilisation en position extrême ouverte de la tête de la soupape, augmente proportionnellement à la pression des gaz. Or, le seul moyen d'augmenter ce travail est de produire un effort plus important pendant un temps plus long, ce qui revient à accroítre le courant dans l'enroulement de l'électroaimant.
Il en résulte également que la puissance consommée par cet enroulement augmente rapidement avec la pression des gaz dans le cylindre du moteur, ce qui a des conséquences immédiates sur l'importance des moyens à mettre en oeuvre pour assurer le refroidissement de cet enroulement et conduit à une consommation électrique plus élevée et à un coût de fabrication également plus important.
Enfin, on peut souligner que le travail mécanique que l'actionneur est susceptible de fournir n'est pas illimité, ce qui restreint en partie le domaine de fonctionnement du moteur.
Diverses solutions ont déjà été proposées pour atténuer les inconvénients ainsi exposés, ces solutions visant à augmenter la taille de l'actionneur, avec comme corollaire un accroissement du refroidissement nécessaire, ou inversement, à diminuer la dimension des soupapes d'échappement pour réduire les efforts dûs à la pression du gaz, ce qui s'effectue au détriment des performances du moteur.
On peut également créer une dissymétrie dans la répartition et la forme des soupapes d'échappement afin de pouvoir ouvrir plus facilement une petite soupape, puis une soupape plus importante pour conserver la section efficace de passage des gaz. Toutefois, cette solution amène à modifier la forme de la chambre de combustion et à accroítre la masse des pistons pour pouvoir y ménager les embrèvements nécessaires, ce qui là encore augmente le prix de revient.
La présente invention a pour objet un procédé de commande d'ouverture d'une soupape d'échappement à l'aide d'un actionneur électromécanique du genre décrit ci-dessus, qui pallie ces inconvénients.
Selon l'invention, le procédé de commande considéré, pour l'ouverture d'une soupape d'échappement soumise en permanence à l'effet d'un ressort de poussée, se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser une décompression du gaz dans le cylindre grâce à une ouverture préalable ou "pilote" de cette soupape, avant que ne soit réalisée une ouverture complète ou "principale".
Selon l'art antérieur, l'ouverture de la soupape d'échappement se fait d'abord sous l'action des seuls ressorts, puis on alimente le ou les électroaimants pour amener et capturer la soupape en position de pleine ouverture : bien que du gaz ait commencé à s'échapper, la pression reste relativement élevée, ce qui provoque les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Selon l'invention, on réalise d'abord une ouverture pilote au cours de laquelle la soupape s'ouvre et se ferme sous l'action des seuls ressorts, puis une ouverture dite "ouverture principale" qui se déroule pratiquement comme les ouvertures classiques, avec cette fois capture de la soupape en position de pleine ouverture.
Ainsi, lors de l'ouverture pilote, la soupape n'atteint pas sa position de pleine ouverture et n'est pas capturée dans cette position. Cependant, les gaz s'échappant pendant toute la durée de l'ouverture pilote, puis au début de l'ouverture principale, la pression résiduelle est beaucoup plus faible que dans l'art antérieur lorsqu'on alimente l'électroaimant et la consommation d'énergie est plus faible.
Le procédé selon l'invention n'exige donc pour sa mise en oeuvre qu'une très faible dépense d'énergie globale, le travail mécanique absorbé par les gaz dans le cylindre étant minimal et en partie compensé par le fait que, lors de l'ouverture pilote, on n'alimente pas l'électroaimant pour capturer la soupape en position ouverte.
Il n'est donc plus nécessaire de surdimensionner l'actionneur ou d'accroítre l'intensité du courant dans l'enroulement, du fait de la réduction de l'effort résistant dû aux gaz, en raison de la décompression créée dans le cylindre.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'ouverture pilote de la soupape d'échappement est obtenue exclusivement par le ressort de l'actionneur.
Selon diverses variantes, l'ouverture pilote puis l'ouverture principale sont réalisées sur la même soupape d'échappement ou bien ces ouvertures sont effectuées sur deux soupapes différentes du même cylindre. Également, l'ouverture pilote et l'ouverture principale peuvent être réalisées alternativement, d'un cycle sur l'autre, sur une même soupape d'échappement afin de répartir la dissipation thermique.
Si la même soupape est utilisée pour réaliser l'ouverture pilote et l'ouverture principale, il n'est pas indispensable, selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, de capturer cette soupape en position de fermeture entre les deux ouvertures, mais seulement d'alimenter l'enroulement pendant une fraction de temps juste nécessaire pour entretenir une oscillation de la soupape, suffisante pour réaliser l'ouverture principale : il suffit de lui redonner de la vitesse, au cours de son mouvement de retour, sans atteindre nécessairement la position de fermeture, mais une position où, si on coupe le courant, les ressorts l'entraínent à nouveau dans le sens de l'ouverture.
Selon le cas, l'ouverture principale peut être réalisée avant ou après la fin de l'ouverture pilote.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, schématisé par le diagramme illustré sur la Figure 2 du dessin annexé, qui porte en abscisses une échelle de temps, et qui représente en ordonnées, à la fois la pression du gaz dans le cylindre et la position de la ou des soupapes d'échappement.
On voit ainsi que lors de l'ouverture pilote, schématisée par la courbe (a), la pression des gaz dans le cylindre, représentée par la courbe (b), chute rapidement, permettant de réaliser dans les conditions mentionnées plus haut l'ouverture principale de la même ou d'une soupape différente, cette ouverture principale correspondant à la courbe (c).
Bien entendu, ce diagramme ne correspond qu'à un mode de réalisation particulier et se différencie nécessairement d'une variante à l'autre, le recoupement des courbes (a) et (c) pouvant être différent.
Dans le cas où le moteur comporte plusieurs soupapes d'échappement pour chaque cylindre, lorsque ces soupapes réalisent alternativement l'ouverture pilote et l'ouverture principale, l'énergie moyenne dissipée dans les enroulements des actionneurs correspondants, nécessaire à la commande de la soupape réalisant l'ouverture principale, est moitié de celle qui correspond à la solution utilisant une soupape unique, en permanence dédiée à cette ouverture principale.
Dans tous les cas, l'énergie nécessaire est notablement plus faible que dans la solution classique, ce qui réduit l'effort à vaincre du fait des gaz d'échappement, restreint considérablement la consommation électrique nécessaire et l'échauffement des actionneurs, ces trois facteurs permettant de limiter l'encombrement, le poids et le coût du mécanisme, en simplifiant en outre son implantation dans la culasse.

Claims (8)

  1. Procédé de commande de l'ouverture d'une soupape d'échappement du gaz de combustion, prévue sur un cylindre d'un moteur à combustion interne, au moyen d'un actionneur électromécanique comportant une tige de commande (1) portant un plateau transversal (10) se déplaçant dans un entrefer (11) délimité par un ou plusieurs électroaimants (12, 13) attirant alternativement le plateau en combinaison avec un effort créé par des ressorts antagonistes (4, 7) agissant sur la tige, le plateau se déplaçant de façon oscillante à partir d'une position d'équilibre intermédiaire entre deux positions finales dans lesquelles il entre en contact avec un électroaimant, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une décompression du gaz dans le cylindre grâce à une ouverture préalable ou "pilote" de cette soupape, avant que ne soit réalisée une ouverture complète ou "principale".
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'ouverture pilote, la soupape n'atteint pas sa position finale de pleine ouverture.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ouverture pilote de la soupape d'échappement est obtenue exclusivement par le ressort de l'actionneur.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ouverture pilote puis l'ouverture principale sont réalisées sur la même soupape d'échappement.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ouverture pilote puis l'ouverture principale sont réalisées sur deux soupapes différentes du même cylindre.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ouverture pilote puis l'ouverture principale sont réalisées alternativement d'un cycle sur l'autre sur une même soupape d'échappement.
  7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on alimente l'enroulement de l'électroaimant pendant une fraction de temps juste nécessaire pour entretenir une oscillation de la soupape, suffisante pour réaliser l'ouverture principale.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ouverture principale est réalisée avant ou après la fin de l'ouverture pilote.
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