EP1174596B1 - Actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne - Google Patents

Actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne Download PDF

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EP1174596B1
EP1174596B1 EP01401949A EP01401949A EP1174596B1 EP 1174596 B1 EP1174596 B1 EP 1174596B1 EP 01401949 A EP01401949 A EP 01401949A EP 01401949 A EP01401949 A EP 01401949A EP 1174596 B1 EP1174596 B1 EP 1174596B1
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EP
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electromagnet
valve
actuator
permanent magnet
field generated
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Stéphane Guerin
Jean-Paul Yonnet
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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    • 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
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the present invention relates to the valve actuators of internal combustion engines.
  • a valve actuator of the aforementioned type generally comprises two electromagnets between which is formed a gap.
  • a magnetic paddle connected to the valve to operate, movable by electromagnets against storage springs energy.
  • the arrangement thus formed forms a harmonic oscillator in which storage of energy necessary for rapid switching is ensured by the springs and the change of position is controlled using electromagnets.
  • This system is simple in appearance but has limitations techniques.
  • the position of the valve is controlled by means of the two coils electromagnets by application of current that generates a field magnetic generating a force F.
  • this force is proportional to the square of the injected current in the coils and inversely proportional to the square of the gap.
  • This force is also very sensitive to the current injected into the coils.
  • the electromagnet can only attract the pallet or plate because the reversal of the direction of the current in the supply coils does not change the direction of the force exerted on the pallet, because this force is a function of the square I 2 current in the coils.
  • the stress curve of a conventional actuator is therefore well adapted to keeping the valve in the closed or open position, but it is not suitable to the realization of a work on the whole race of the valve.
  • the actuator must be able to provide the necessary energy at switching. This is to compensate for the friction losses that approximately 0.2 J for a stroke or lift of 8 mm from the valve, and consequence of the range of electromagnets.
  • the energy provided by an electromagnet throughout the race above, is equal to the integral of the force.
  • the useful power would be 20 W, which is low compared to its mass, of the order of 1 kg and its big volume.
  • the energy to be supplied is of the order of 1.4 J to fight against the pressure in the cylinder chamber when opening the valve.
  • the current actuator has a low power density which limits its use to the control of the intake valves of engines of cubic capacity greater than or equal to 500 cm 3 .
  • the efficiency of an actuator is the ratio of mechanical energy restored (useful) and the electrical energy consumed. It is around 30%, the mainly due to induced currents and loss of Joule.
  • a motor revolution has a duration of 60 ms at 1000 rpm, whereas Valve transition lasts about 3.5 ms.
  • Valve transition lasts about 3.5 ms.
  • the actuator lends itself well to this operation, since the force produced by the electromagnet is naturally raised to zero gap.
  • the consumption of electric current weighs heavily in the calculating the vehicle's consumption at an average speed of 1600 RPM approximately, representative of the actual use of vehicles which contains a lot urban driving at low engine speed.
  • 100 W electric require about 200 W for the engine, which is about 1.5% of the fuel consumption per cycle.
  • the current actuators have a relatively large height because of the stacking of springs, two electromagnets and a tray actuator or pallet.
  • the engine thus forms a complementary parking brake that some users use as additional brake to the parking brake, especially in the coasts.
  • valves When using electromagnetic actuators, valves are in equilibrium position in the middle, so that all engine chambers are at atmospheric pressure and there is more than additional braking possible.
  • the actuator itself is relatively cheap in because of its simplicity, but the associated control electronics as well as the position sensor of the valve, are complex and therefore expensive.
  • the invention aims to remedy the disadvantages of the actuators electromagnetic effects by creating an actuator, which while being a relatively low cost price, shows performance improved in the areas mentioned above.
  • an electromagnetic actuator of internal combustion engine valve comprising an electromagnet having a feed reel, a magnetic pallet connected to a drive member of the valve against the action of at least one switching energy storage spring of said valve and a permanent magnet interposed in the magnetic body of the electromagnet whose magnetization combines with the field generated in said body by said power supply coil, characterized in that the magnetic body of the electromagnet comprising two pole pieces each comprising a first and second branches defining between them air gaps, said pallet being movably mounted in the air gaps defined by the first and second branches of two pole pieces, said magnet permanent is disposed between said pole pieces.
  • the actuator represented in FIG. 1 comprises an electromagnet 1 whose the body made of magnetic material, for example laminated metal sheets, carries a coil supply 2.
  • the body comprises two pole pieces 3,4 joined together by a permanent magnet 5 surrounded by the supply coil 2.
  • the magnetization of the permanent magnet 5 is in this parallel example to the field generated by the supply coil 2 in the magnetic body of the electromagnet.
  • Each pole piece 3,4 of the magnetic body has a portion 6.7 perpendicular to the permanent magnet 5.
  • Each of the portions 6.7 a first branch of short length 8.9, rectilinear and a second branch longer, in L, 10,11, the free end of which is aligned with the free end respective branch 8.9.
  • the stem 16 and the tail of the valve 17 are surrounded by springs helical 18,19 disposed on either side of the magnetic plate 15, and taking support respectively between the corresponding face of said plate and the magnetic body of the electromagnet 1 with regard to the spring 18 and the wall of cylinder head C with regard to spring 19.
  • the actuator comprises an inclined permanent magnet 20 arranged between two pole pieces 21,22 having inclined ends in contact with the side faces of the magnet 20, the magnet 20 and the ends of the pole pieces 21,22 being surrounded by a feed reel 23.
  • the direction of the magnetization is inclined relative to the field generated by the feed reel 23.
  • FIG. 2 is in all respects similar to that of Figure 1 and will not be described.
  • the feeding of the coil 2 causes the creation in the body of the electromagnet of an electromagnetic field parallel to the direction of magnetization of the permanent magnet and which combines with said magnetization.
  • the position of the pallet 15 is maintained by the permanent magnet 5 alone, ie without power consumption.
  • a single electromagnet ensures in combination with both energy storage springs 18,19, the displacement of the valve 17 in the direction of opening and closing.
  • the associated spring 18, 19 causes the pallet 15 to move to from its points of contact with branches 8,9 to its points of contact with the branches 10,11 of the magnetic circuit of the electromagnet or vice versa.
  • the power consumption required for switching is also reduced by the reduction of Joule losses.
  • the oblique arrangement of the magnet makes it possible to further reduce the bulk.

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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.
Pour des petites valeurs d'entrefer entre la palette et l'électroaimant, la force produite par les électroaimants varie très fortement avec l'entrefer.
Cette force est également très sensible au courant injecté dans les bobines.
A l'approche du contact entre la palette et l'électroaimant, il se produit un effet d'emballement qui génère un claquage responsable du bruit des actionneurs.
Pour pallier cet inconvénient, des solutions sophistiquées et coûteuses mettant en oeuvre notamment le contrôle en boucle fermée de la position de la palette ont été envisagées.
L'électroaimant ne peut qu'attirer la palette ou plateau car l'inversion du sens du courant dans les bobines d'alimentation ne change pas le sens de la force exercée sur la palette, du fait que cette force est fonction du carré I2 du courant dans les bobines.
Ceci constitue une difficulté supplémentaire pour le contrôle de l'accostage, car si on apporte trop d'énergie à la palette, il n'est plus possible de le ralentir et le choc avec le corps de l'électroaimant est inévitable.
Pour des entrefers supérieurs à 1 mm, la force développée par l'électroaimant devient faible.
La courbe d'effort d'un actionneur classique est donc bien adaptée au maintien de la soupape en position fermée ou ouverte, mais elle n'est pas adaptée à la réalisation d'un travail sur toute la course de la soupape.
On constate cette insuffisance quand on veut actionner des soupapes d'échappement car, pour un moteur chaud, l'actionneur doit alors fournir une énergie mécanique supérieure à 1 Joule à chaque transition, contre 0,2 Joule à l'admission.
De plus, il est toujours difficile d'initialiser des soupapes car à l'arrêt, l'entrefer entre la palette d'actionnement et le corps de l'électroaimant est de 4 mm.
A ce problème relatif à la force s'ajoute la présence importante des courants de Foucault qui atténuent et retardent l'effet des bobines.
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 cylindrée 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.
On a constaté lors d'essais que les actionneurs actuels sont insuffisants à l'échappement et ne permettent pas de faire fonctionner le moteur à pleine charge.
En conclusion, l'actionneur actuel a une puissance volumique faible qui limite son utilisation à la commande des soupapes d'admission de moteurs de cylindrée unitaire supérieure ou égale à 500 cm3.
Le rendement d'un actionneur est le rapport entre l'énergie mécanique restituée (utile) et l'énergie électrique consommée. Il est de l'ordre de 30%, les pertes étant dues principalement aux courants induits et aux pertes par effet Joule.
Un tour de moteur a une durée de 60 ms à 1000 t/mn, alors qu'une transition de soupape dure environ 3,5 ms. On voit bien qu'à bas régime, le système est statistiquement très souvent dans une position stable, soit ouverte, soit fermée.
Pour maintenir la soupape dans la position ouverte ou fermée, on applique un courant dans la bobine du côté concerné, afin de lutter contre la force du ressort qui tend à ramener la soupape en position intermédiaire.
L'actionneur se prête bien à ce fonctionnement, puisque la force produite par l'électroaimant est naturellement élevée à entrefer nul.
Toutefois, la consommation de courant électrique pèse lourd dans le calcul de la consommation du véhicule qui se fait à un régime moyen de 1600 t/mn environ, représentatif de l'utilisation réelle des véhicules qui contient beaucoup de conduite urbaine à faible régime du moteur.
A titre d'exemple, 100 W électriques nécessitent environ 200 W pour le moteur thermique, soit environ 1,5% de la consommation de carburant par cycle.
Or, la consommation de maintien pourrait être théoriquement nulle puisqu'elle ne produit aucun travail.
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 forme 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.
On connaít du document EP-A-1 010 866, un actionneur conforme au préambule de la revendication 1, mais qui présente une structure relativement complexe.
L'invention vise à remédier aux inconvénients des actionneurs électromagnétiques classiques en créant un actionneur, qui tout en étant d'un prix de revient relativement peu élevé, présente des performances améliorées dans les domaines évoqués plus haut.
Elle a donc pour objet un actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne comprenant un électroaimant comportant une bobine d'alimentation, une palette magnétique liée à un organe d'entraínement de la soupape à l'encontre de l'action d'au moins un ressort de stockage d'énergie de commutation de ladite soupape et un aimant permanent interposé dans le corps magnétique de l'électroaimant dont l'aimantation se combine au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation, caractérisé en ce que le corps magnétique de l'électroaimant comprenant deux pièces polaires comprenant chacune une première et une seconde branches définissant entre elles des entrefers, ladite palette étant montée déplaçable dans les entrefers définis par les première et seconde branches de deux pièces polaires, ledit aimant permanent est disposé entre lesdites pièces polaires.
Suivant d'autres caractéristiques :
  • l'aimant permanent est placé dans le corps de l'électroaimant de manière que son aimantation soit parallèle au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation ;
  • l'aimant permanent est placé dans le corps de l'électroaimant de manière que son aimantation soit inclinée par rapport au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation.
L'invention sera mieux comprise à l'aide 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 en coupe d'un actionneur électromagnétique de soupape à un électroaimant suivant l'invention ; et
  • la Fig.2 est une vue schématique partielle en coupe d'une variante d'actionneur électromagnétique de soupape suivant l'invention.
L'actionneur représenté à la figure 1 comporte un électroaimant 1 dont le corps en matériau magnétique, par exemple en tôles feuilletées porte une bobine d'alimentation 2.
Le corps comporte deux pièces polaires 3,4 réunies entre elles par un aimant permanent 5 entouré par la bobine d'alimentation 2.
L'aimantation de l'aimant permanent 5 est dans le présent exemple parallèle au champ engendré par la bobine d'alimentation 2 dans le corps magnétique de l'électroaimant.
Chaque pièce polaire 3,4 du corps magnétique comporte une portion 6,7 perpendiculaire à l'aimant permanent 5. Chacune des portions 6,7 comporte une première branche de faible longueur 8,9, rectiligne et une seconde branche plus longue, en L, 10,11 dont l'extrémité libre est alignée avec l'extrémité libre correspondante de la branche 8,9 respective.
Entre les branches 8,10 d'une part, et 9,11 d'autre part, sont définis des entrefers 13,14 dans lesquels est montée déplaçable une palette magnétique ou plateau 15 fixée à une tige 16 d'entraínement d'une soupape 17.
La tige 16 et la queue de la soupape 17 sont entourées par des ressorts hélicoïdaux 18,19 disposés de part et d'autre du plateau magnétique 15, et prenant appui respectivement entre la face correspondante dudit plateau et le corps magnétique de l'électroaimant 1 en ce qui concerne le ressort 18 et la paroi de la culasse C en ce qui concerne le ressort 19.
Selon la variante représentée en coupe schématique partielle à la figure 2, l'actionneur comprend un aimant permanent 20 incliné, disposé entre deux pièces polaires 21,22 présentant des extrémités inclinées en contact avec les faces latérales de l'aimant 20, l'aimant 20 et les extrémités des pièces polaires 21,22 étant entourés par une bobine d'alimentation 23.
Ainsi, la direction de l'aimantation est inclinée par rapport au champ engendré par la bobine d'alimentation 23.
Par ailleurs, l'actionneur de la figure 2 est en tous points semblable à celui de la figure 1 et ne sera donc pas décrit.
Le fonctionnement de l'actionneur électromagnétique qui vient d'être décrit en référence à la figure 1 est le suivant.
L'alimentation de la bobine 2 provoque la création dans le corps de l'électroaimant d'un champ électromagnétique parallèle à la direction de l'aimantation de l'aimant permanent et qui se combine avec ladite aimantation.
Selon que la palette se trouve près des branches courtes 8,9 ou des branches longues 10,11 des pièces polaires du corps de l'électroaimant, elle est déplacée vers le haut ou vers le bas, ce qui provoque la fermeture ou l'ouverture de la soupape 17 et la compression du ressort 18 ou 19 correspondant.
Le maintien en position de la palette 15 est assuré par l'aimant permanent 5 seul, c'est à dire sans consommation de courant.
Ainsi, grâce à la construction particulière de l'actionneur, un seul électroaimant assure en combinaison avec les deux ressorts de stockage d'énergie 18,19, le déplacement de la soupape 17 dans le sens de l'ouverture et de la fermeture.
Pour faire passer la palette d'une position à l'autre, on alimente à nouveau la bobine qui engendre une force de libération de la palette.
Le ressort associé 18,19 provoque le déplacement de la palette 15 à partir de ses points de contact avec les branches 8,9 vers ses points de contact avec les branches 10,11 du circuit magnétique de l'électroaimant ou inversement.
L'agencement qui vient d'être décrit permet une consommation électrique de maintien de la soupape en position nulle ou très limitée.
La consommation électrique nécessaire à la commutation est également réduite par la réduction des pertes par effet Joule.
Il permet également 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.
L'utilisation d'un seul électroaimant réduit considérablement l'encombrement de l'actionneur.
L'agencement oblique de l'aimant permet de réduire encore l'encombrement.
Enfin, le fait de pouvoir laisser les soupapes fermées sans consommer de courant améliore encore la possibilité d'utiliser l'actionneur de l'invention comme frein de parcage.
Il présente une puissance volumique accrue permettant une application à l'échappement et sur des moteurs de plus faible cylindrée unitaire.

Claims (3)

  1. Actionneur électromagnétique de soupape de moteur à combustion interne comprenant un électroaimant comportant une bobine d'alimentation (2;23), une palette magnétique (15) liée à un organe d'entraínement (16) de la soupape (17) à l'encontre de l'action d'au moins un ressort (18,19) de stockage d'énergie de commutation de ladite soupape, et un aimant permanent (5;20) interposé dans le corps magnétique de l'électroaimant dont l'aimantation se combine au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation (2;23), caractérisé en ce que le corps magnétique de l'électroaimant comprenant deux pièces polaires (3,4), comprenant chacune une première et une seconde branches (8,9,10,11) définissant entre elles des entrefers (13,14), ladite palette (15) étant montée déplaçable dans les entrefers définis par les première et seconde branches (8,9,10,11) de deux pièces polaires, ledit aimant permanent (5;20) est disposé entre lesdites pièces polaires (3,4).
  2. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent (5) est placé dans le corps de l'électroaimant de manière que son aimantation soit parallèle au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation (2).
  3. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent (20) est placé dans le corps de l'électroaimant de manière que son aimantation soit inclinée par rapport au champ engendré dans ledit corps par ladite bobine d'alimentation (23).
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