EP1341992B1 - Dispositif d'actionnement de soupapes, et procede de commande pour un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'actionnement de soupapes, et procede de commande pour un tel dispositif Download PDF

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EP1341992B1
EP1341992B1 EP01974436A EP01974436A EP1341992B1 EP 1341992 B1 EP1341992 B1 EP 1341992B1 EP 01974436 A EP01974436 A EP 01974436A EP 01974436 A EP01974436 A EP 01974436A EP 1341992 B1 EP1341992 B1 EP 1341992B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pressure
chamber
actuation
source
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01974436A
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German (de)
English (en)
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EP1341992A1 (fr
Inventor
Serge Masse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault Sport
Original Assignee
Renault Sport
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Publication date
Application filed by Renault Sport filed Critical Renault Sport
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Classifications

    • 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
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46—Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • F01L1/462—Valve return spring arrangements
    • F01L1/465—Pneumatic arrangements
    • 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
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a device for actuating the valves of a motor vehicle engine.
  • the invention relates more particularly to a device for actuating the valves of a motor vehicle engine, of the type in which each valve comprises a rod or tail which is integral with an actuator controlled by a control unit to cause the lifting and the return of the associated valve, of the type in which each actuator is in the form of a cylinder which comprises a cylinder inside which the tail of the associated valve is free to slide coaxially in a sealed manner, and inside which is arranged a movable piston, secured to the free end of the valve stem, which delimits in the cylinder two opposed upper and lower hydraulic pressure chambers which are each supplied with an incompressible fluid and in each of which is established alternatively a pressure of said fluid which is regulated by the control unit so that the pressure prevailing in a chambers alternately higher / lower than that prevailing in the other chamber, to alternately actuate the cylinder and the valve.
  • valve lift laws which are determined by the control unit according to the operating mode. rotation of the motor, so as to optimize the operation of said engine.
  • the "camless” actuators comprise actuators which are of the electromagnetic or hydraulic type.
  • An electromagnetic actuator essentially comprises two springs and a metal pallet moving between two coils.
  • the valve When the valve is closed, the upper spring is held compressed by the pallet which is attracted to the upper coil which is excited by an electric current. No excitation is created by the lower coil and the lower spring is at rest.
  • the paddle When the flow of current in the upper coil is interrupted, the paddle is released and causes the valve to open while compressing the lower spring.
  • the actuating device is said to be "oscillating" insofar as the potential energy of the upper spring is transferred to the pallet in the form of kinetic energy and then transferred back in the form of potential energy to the lower spring.
  • the valve is then kept open by establishing a flow of current in the lower coil.
  • the interruption of the current in the lower coil causes the closing of the valve and the recompression of the upper spring.
  • Actuating devices comprising electromagnetic actuators have the disadvantage of requiring a high electrical power to ensure their operation.
  • the only power that is consumed by the actuators of a motor vehicle "camless" can reach, for a four-cylinder engine and 16 valves, the value of 2 kiloWatts at maximum engine speed, while a conventional motor vehicle consumes the same power to ensure the full operation of its electrical accessories.
  • the supply voltage of the vehicle's electrical circuit which is conventionally 12 volts, must be increased to 42 volts to reduce the size of the generator.
  • the electromagnetic actuators are unsuitable for engines operating at high rotation speeds. Indeed, for such motors, the electromagnetic actuators do not allow to perform sufficient acceleration of moving parts beyond the usual speeds of the series engines.
  • this device does not effectively control the speed of the valve at the end of closing stroke, or at least it allows to control the speed of the valve at the cost of additional consumption of hydraulic energy .
  • Such a device therefore has the disadvantage of risking degrading the seat of said valve and generating noise if it closes on its seat with too high a speed, or the disadvantage of significantly puncture the power of the seat. engine.
  • US-A-5,572,961 discloses a similar device wherein the return of the valve is achieved by means of a spring.
  • a device is of the "oscillating" type described above and makes it possible to significantly reduce the consumption of hydraulic energy required for the actuation of the valve.
  • this device proves unsuited to high revolutions of the engine, and in particular so-called “valve malfunction" regimes for which the spring, resonating, may be subject to oscillations, uncontrollable, d high amplitude.
  • the invention proposes a hydraulic and oscillating device which is produced in the form of a "camless" hydropneumatic distribution system.
  • each hydraulic pressure chamber of the jack is capable of being placed in communication with at least one independent source of hydraulic pressure, called the actuating source, which is associated with the said single chamber and which comprises means for elastic return of the fluid which are intended, during the movement of the valve in a given direction, to recover the kinetic energy of the valve for its subsequent movement in the opposite direction.
  • the fluid return means are pneumatic.
  • the boosters are mechanical.
  • FIG. 1 There is shown in Figure 1 the assembly of a device 10 for actuating a valve 12 of a motor vehicle engine engine made according to the invention.
  • each valve 12 is formed of a tulip 14 and a rod or tail 16 which is integral with the tulip 14.
  • the tail 16 is integral with an actuator 18 which is controlled by a control unit, for example electronic (not shown), to cause the lifting and the return of the valve 12 on its seat (not shown).
  • the actuator 18 is in the form of a jack 20 which comprises a cylinder 22 inside which the tail 16 of the associated valve 12 is free to slide coaxially in a sealed manner, and inside which is arranged a movable piston 24, integral with the free end 26 of the tail of the valve 12.
  • the piston 24 defines in the cylinder 22 two opposite hydraulic pressure chambers which are fed with an incompressible hydraulic fluid FHI, for example of oil.
  • FHI incompressible hydraulic fluid
  • the piston 24 delimits more particularly in the cylinder 22 an upper pressure chamber 28 and a lower pressure chamber 30.
  • a pressure of said fluid FHI which is regulated by the control unit, is established inside each of the upper chambers 28 and lower 30, so that the pressure prevailing in one of the chambers 28 or 30 is alternatively higher / lower than the pressure prevailing in the other chamber, to alternately actuate the jack 20 and consequently the valve 12.
  • each chamber 28 or 30 of hydraulic pressure of the jack 22 is capable of being placed in communication with at least one independent source of hydraulic pressure, called the actuating source, which is associated with the only said chamber 28 or 30 and which comprises pneumatic means for elastic return of the fluid FHI which are intended, during the movement of the valve 12 in a given direction, to recover the kinetic energy of the valve 12 in view of its subsequent movement in the opposite direction.
  • the actuating source which is associated with the only said chamber 28 or 30 and which comprises pneumatic means for elastic return of the fluid FHI which are intended, during the movement of the valve 12 in a given direction, to recover the kinetic energy of the valve 12 in view of its subsequent movement in the opposite direction.
  • the device 10 preferably comprises two sources 32 and 34 of actuation. This provision is not limiting of the invention and the device 10 could comprise more than one actuation source associated with each of the pressure chambers 28 or 30 of the jack 12.
  • a conventional device for actuating valves by camshaft if it has the disadvantage of only allowing to benefit from a valve lift law, allows on the other hand to effectively control the speed closing the valve.
  • By giving the cams a high curvature profile in the area where they are supposed to control the closing of the valve it is possible to impose a reduced speed of the valve when approaching its seat, which reduces the risks of wear of this valve. seat and therefore increases the longevity of the device.
  • the device according to the invention makes it possible to remedy this drawback insofar as, when approaching its positions extremes of actuation, the valve 12 is driven at a virtually zero speed that can be controlled by a hydraulic head loss upstream of the solenoid valve EVD. This pressure drop can be a function of the position of the valve.
  • a first actuation source fully transfers its potential energy to the valve 12 in the form of kinetic energy, which at the end of the race is in turn transferred in form potential energy to a second source of actuation when the valve 12 reaches full opening.
  • the second actuation source completely transfers its potential energy to the valve 12 in the form of kinetic energy which, at the end of the stroke, is in turn transferred in the form of potential energy.
  • Another advantage of the device 10 according to the invention is that it consumes little hydraulic energy.
  • At least one of the hydraulic chambers 28 or 30 can be placed in communication with an additional source 36 called a source of discharge, in which the hydraulic fluid FHI is subjected to a reduced pressure.
  • the hydraulic fluid is capable of being reduced to a reduced pressure in one of the hydraulic pressure chambers so as to ensure the stability of the valve 12 in its extreme position associated with the establishment of a reduced pressure in said bedroom.
  • the regulation of the pressures P 28 , P 30 which are exerted on each of the opposite faces of the piston 24 to cause its upward or downward movements, is entirely managed by the control unit.
  • control unit is able to regulate the pressures P 28 , P 30 prevailing in the hydraulic pressure chambers 28 and 30 of the jack 20 by alternately controlling an actuating EVA solenoid valve which is interposed between one of the hydraulic pressure chambers 28 or 30 and its associated actuating source 32 or 34, and an EVD discharge solenoid valve which is interposed between said hydraulic pressure chamber 28 or 30 and the discharge source 36.
  • each actuation source 32 or 34 consists of a hydropneumatic accumulator 32 or 34 which comprises a casing 38, 40 within which a membrane 42, 44 defines a chamber 46, 48 and an actuating chamber 50, 52, the return chamber 46, 48 being insulated and filled with a compressible gas GC, and the actuating chamber 50, 52 being connected to the upper chamber 28 or to the corresponding lower chamber 30 of the associated jack 12 and filled with the incompressible fluid FHI.
  • the compressible gas GC which is contained in the return chambers 46 and 48 of the hydraulic accumulators 32 and 34 makes it possible to exert an elastic return action on the hydraulic fluid FHI contained in the chambers 50 and 52 and therefore constitutes a pneumatic spring that stores the kinetic energy of the valve 12.
  • the device 10 behaves like an oscillating device with electromechanical actuators, without the disadvantages, it is to say without presenting the disadvantages of important inertia.
  • the discharge source 36 comprises a reservoir 54 which is placed in communication with a casing (not shown) of the engine in which there is a reduced pressure "Pr".
  • the discharge source 36 can be connected to either of the upper chambers 28 or 30 of the jack 22 without modifying the operating principle of the device 10.
  • the rest position of the valve 12 that is to say at its position for which the hydraulic pressure in one of the chambers of the actuator 20 is reduced, corresponds to its closed position to ensure a perfect sealing the tulip 14 of the valve 12 on its seat.
  • the upper pressure chamber 28 of the jack 20 is capable of being placed in communication with the first hydropneumatic accumulator 32 for actuation or with the discharge source 36 via the respective solenoid valves EVA actuation and EVD discharge, and the lower pressure chamber 30 of the cylinder 20 communicates directly with the second hydropneumatic accumulator 34.
  • a non-return valve 56 can be interposed between the upper chamber 28 of the jack 20 and the first hydropneumatic accumulator 32.
  • each actuating chamber 50 or 52 of hydropneumatic accumulators 32 or 34 is connected to a device (not shown) for maintaining pressure which is capable of maintain said chamber at a respective set pressure Pc 32 and Pc 34 as the valve 12 is closed.
  • This device makes it possible in particular to compensate for the hydraulic energy losses experienced by the fluid during the movement of the valve 12, these losses being able in particular to be due to the friction of the valve stem 12 in the cylinder 22, to the friction of the piston 24 in the cylinder , and the losses of "fluid friction" type generated by the pressure forces exerted within the fluid FHI.
  • the invention also proposes a control method for ensuring the operation of the device 10 previously described.
  • the unit controls the closing of the EVA actuating solenoid valve and the opening of the discharge solenoid valve EVD, the first hydropneumatic accumulator 32 being maintained by the pressure device at a first set pressure Pc 32 and the second hydropneumatic accumulator 34 being maintained at a second setpoint pressure Pc 34 , the first setpoint pressure Pc 32 being greater than the second setpoint pressure Pc 34 and the second setpoint pressure Pc 34 being greater than the reduced pressure "Pr" of the crankcase.
  • the valve 12 is thus at rest and closed since the pressure P 28 which prevails in the upper chamber 28 of the jack 22 is equal to the reduced pressure "Pr" of the casing and is therefore less than the set pressure Pc 32 which prevails in the lower chamber of the cylinder.
  • the device is said to be “charged” since the actuating chamber 50 of the accumulator 32 is ready, notwithstanding the opening of the solenoid valve EVA, to set the reference pressure Pc 32 in the upper chamber 28 of the jack.
  • the unit controls the closing of the discharge solenoid valve EVD and the opening of the actuating solenoid valve EVA.
  • Pressure P 28 equal to the set pressure Pc 32 , which is now in the upper chamber 28 being greater than the set pressure Pc 34 which prevails in the lower chamber 30 of the cylinder, the resultant pressure forces exerted on the piston 24 causes its movement downwards in the direction of the opening of the valve 12.
  • valve 12 As the valve 12 opens, its movement causes the volume of the upper chamber 28 to increase, thus also the expansion of the gas GC contained in the return chamber 46 of the accumulator 32, and the decrease in the volume of the the lower chamber 30, and therefore also the compression of the gas GC contained in the return chamber 48 of the accumulator 34.
  • the acceleration of the valve 12 decreases to zero when the pressures prevailing in the two return chambers 46 and 48 are balanced. This position of the valve 12 corresponds to a maximum kinetic energy stored by the valve 12 and therefore at its highest speed. Then, as the displacement of the valve 12 continues, the deceleration of the valve 12 continues until it reaches zero speed at its fully open position.
  • the hydraulic fluid FHI is now substantially at the first setpoint pressure Pc 32 in the lower chamber 30 of the jack, and is substantially at the second setpoint pressure Pc 34 in the upper chamber 30 of the jack.
  • the unit then controls the closing of the EVA solenoid valve.
  • the valve 12 then begins its closing movement as soon as the increase of the pressure P 28 in the upper chamber 28 is sufficient.
  • the device comprises the non-return valve 56
  • the establishment of the pressure threshold of the latter makes it possible to determine a valve open time at full opening, which can possibly be reduced to a negligible value if the valve anti-return is weakly tared.
  • valve 12 The characteristics of the closing movement of the valve 12 are exactly similar to those of its opening movement. It should be noted that, as a result, the valve 12 is closed on its seat with a speed virtually zero, and therefore does not cause wear of the seat, which significantly increases the longevity of the engine considered.
  • a fourth step of completely closing the valve 12 which occurs when the valve 12 is closed again, the unit controls the opening of the solenoid valve EVD to reduce the residual pressure P 28 in the upper chamber 28 of the jack .
  • the device 10 is then brought back, as soon as the pressures are stabilized, to the configuration of the first resting step of the valve 12.
  • the valve 12 closes automatically after a determined period of time associated with the trigger threshold of this valve.
  • This configuration is particularly applicable in the case of a series vehicle engine for which a minimum consumption is sought.
  • the return of the fluid FHI in the actuating chamber 50 of the accumulator 50 is no longer provided by the non-return valve 56 but by the solenoid valve EVA. It is with a determined delay time that the control unit can control, during the third step, the reopening of the EVA actuating solenoid valve through which the hydraulic fluid circulates instead of circulating, as is the case in the particular embodiment of the invention, by the non-return valve 56. This delay time then corresponds to the time during which the valve 12 is locked in the open position.
  • the invention thus makes it possible to carry out a pneumatic control of the valves 12 of a series heat engine or of a motor operating at high speed which is reliable, inexpensive, and lowly consuming the energy of said engine.

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Description

  • L'invention concerne un dispositif pour l'actionnement des soupapes d'un moteur thermique de véhicule automobile.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif pour l'actionnement des soupapes d'un moteur thermique de véhicule automobile, du type dans lequel chaque soupape comporte une tige ou queue qui est solidaire d'un actionneur commandé par une unité de commande pour provoquer la levée et le rappel de la soupape associée, du type dans lequel chaque actionneur est réalisé sous la forme d'un vérin qui comporte un cylindre à l'intérieur duquel la queue de la soupape associée est libre de coulisser coaxialement de manière étanche, et à l'intérieur duquel est agencé un piston mobile, solidaire de l'extrémité libre de la queue de soupape, qui délimite dans le cylindre deux chambres de pression hydraulique supérieure et inférieure opposées qui sont chacune alimentées avec un fluide incompressible et dans chacune desquelles est établie alternativement une pression dudit fluide qui est régulée par l'unité de commande de manière que la pression régnant dans une des chambres soit alternativement supérieure/inférieure à celle régnant dans l'autre chambre, pour actionner alternativement le vérin et la soupape.
  • On connaît de nombreux exemples de dispositifs d'actionnement de ce type dits "camless".
  • Ces dispositifs sont destinés à se substituer aux dispositifs mécaniques conventionnels de levée de soupape, qui comportent par exemple au moins un arbre à cames, entraîné par le vilebrequin, qui agit directement ou indirectement sur les queues des soupapes.
  • L'avantage bien connu d'un tel dispositif est de pouvoir bénéficier de différentes lois de levée de soupapes, qui sont déterminées par l'unité de commande en fonction du régime de rotation du moteur, de manière à optimiser le fonctionnement dudit moteur.
  • De manière connue, les dispositifs d'actionnement "camless" comportent des actionneurs qui sont de type électromagnétique ou hydraulique.
  • Un actionneur électromagnétique comporte pour l'essentiel deux ressorts et une palette métallique se déplaçant entre deux bobines. Lorsque la soupape est fermée, le ressort supérieur est maintenu comprimé par la palette qui est attirée vers la bobine supérieure qui est excitée par un courant électrique. Aucune excitation n'est crée par la bobine inférieure et le ressort inférieur est au repos. Lorsque l'on interrompt la circulation de courant dans la bobine supérieure, la palette est libérée et provoque l'ouverture de la soupape tout en comprimant le ressort inférieur.
  • Ainsi, le dispositif d'actionnement est dit "oscillant" dans la mesure où l'énergie potentielle du ressort supérieur est transférée à la palette sous forme d'énergie cinétique puis transférée à nouveau sous forme d'énergie potentielle au ressort inférieur.
  • La soupape est alors maintenue ouverte en établissant une circulation de courant dans la bobine inférieure. L'interruption du courant dans la bobine inférieure provoque la fermeture de la soupape et la recompression du ressort supérieur.
  • Les dispositifs d'actionnement comportant des actionneurs électromagnétiques présentent l'inconvénient de nécessiter une puissance électrique élevée pour assurer leur fonctionnement. A titre d'exemple, la seule puissance qui est consommée par les actionneurs d'un véhicule à moteur "camless" peut atteindre, pour un moteur à quatre cylindres et 16 soupapes, la valeur de 2 kiloWatts au régime de puissance maximale du moteur, alors qu'un véhicule à moteur conventionnel consomme la même puissance pour assurer l'intégralité du fonctionnement de ses accessoires électriques. Pour cette raison, la tension d'alimentation du circuit électrique du véhicule, qui est conventionnellement de 12 Volts, doit être augmentée à 42 Volts pour réduire la taille de la génératrice.
  • Par ailleurs, les dispositifs d'actionnement électromagnétiques se révèlent inadaptés aux moteurs fonctionnant à des régimes de rotation élevés. En effet, pour de tels moteurs, les actionneurs électromagnétiques ne permettent pas d'effectuer des accélérations suffisantes des pièces en mouvement au-delà des régimes usuels des moteurs de série.
  • Le document US-A-5.562.070 décrit et représente un dispositif d'actionnement hydraulique qui comporte une pompe hydraulique qui est susceptible de débiter de l'huile sous pression dans deux chambres hydrauliques opposées d'un vérin formant l'actionneur, de manière à provoquer des mouvements alternatifs de l'actionneur et de la soupape. Dans un tel dispositif, les mouvements consécutifs et opposés du vérin sont obtenus en exerçant alternativement sur chacune des faces opposées du piston de l'actionneur une pression qui est supérieure à celle exercée sur l'autre face du piston. A ce titre, un tel dispositif d'actionnement hydraulique consomme une grande quantité d'énergie hydraulique, et ceci surtout dès lors que le régime de rotation du moteur augmente et impose des vitesses élevées d'ouverture et de fermeture de soupape. De ce fait un tel dispositif n'apporte que peu d'avantages par rapport à un dispositif de distribution conventionnel.
  • De plus, ce dispositif ne permet pas de contrôler efficacement la vitesse de la soupape en fin de course de fermeture, ou tout au moins il ne permet de contrôler la vitesse de la soupape qu'au prix d'une consommation supplémentaire d'énergie hydraulique. Un tel dispositif présente donc soit l'inconvénient de risquer de dégrader le siège de ladite soupape et de générer du bruit si celle-ci se referme sur son siège avec une vitesse trop élevée, soit l'inconvénient de ponctionner de façon importante la puissance du moteur.
  • Le document US-A-5.572.961 décrit un dispositif analogue dans lequel le rappel de la soupape est réalisé au moyen d'un ressort. Un tel dispositif est du type "oscillant" précédemment décrit et permet de réduire de façon importante la consommation d'énergie hydraulique nécessaire à l'actionnement de la soupape. Toutefois, ce dispositif se révèle inadapté à des régimes élevés de rotation du moteur, et notamment aux régimes dits "d'affolement de soupape" pour lesquels le ressort, rentrant en résonance, risque d'être soumis à des oscillations, non contrôlables, d'amplitude élevée.
  • Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un dispositif hydraulique et oscillant qui est réalisé sous la forme d'un système de distribution "camless" hydropneumatique.
  • Dans ce but, l'invention propose un dispositif du type décrit précédemment, caractérisé en ce que chaque chambre de pression hydraulique du vérin est susceptible d'être mise en communication avec au moins une source de pression hydraulique indépendante, dite source d'actionnement, qui est associée à la seule dite chambre et qui comporte des moyens de rappel élastique du fluide qui sont destinés, au cours du mouvement de la soupape dans un sens déterminé, à récupérer l'énergie cinétique de la soupape en vue de son mouvement ultérieur dans le sens opposé.
  • Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de rappel du fluide sont pneumatiques.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les rappel sont mécaniques.
  • Selon d'autres caractéristique de l'invention :
    • au moins une des chambres hydrauliques est susceptible d'être mise en communication avec une source supplémentaire, dite source de décharge, dans laquelle le fluide hydraulique est soumis à une pression réduite,
    • l'unité de commande est susceptible de réguler les pressions régnant dans les chambres de pression hydraulique du vérin en commandant alternativement une électrovanne d'actionnement, qui est interposée entre une des chambres de pression hydraulique et sa source d'actionnement associée, et une électrovanne de décharge qui est interposée entre ladite chambre de pression hydraulique et la source de décharge,
    • chaque source d'actionnement est constituée d'un accumulateur hydropneumatique qui comporte une enveloppe à l'intérieur de laquelle une membrane délimite une chambre de rappel et une chambre d'actionnement, la chambre de rappel étant isolée et remplie d'un gaz compressible, et la chambre d'actionnement étant connectée à la chambre supérieure/inférieure correspondante du vérin associé et remplie du fluide incompressible,
    • la source de décharge comporte un réservoir qui est mis en communication avec un carter du moteur dans lequel règne une pression réduite,
    • la chambre de pression supérieure du vérin est susceptible d'être mise en communication avec un premier accumulateur hydropneumatique ou avec la source de décharge par l'intermédiaire des électrovannes respectives d'actionnement et de décharge, et la chambre de pression inférieure du vérin communique directement avec un second accumulateur hydropneumatique d'actionnement,
    • un clapet anti-retour est interposé entre la chambre supérieure du vérin et le premier accumulateur hydropneumatique,
    • chaque chambre d'actionnement des accumulateurs hydropneumatiques est reliée à un dispositif de maintien de pression qui est susceptible de la maintenir à une pression de consigne tant que la soupape est fermée.
  • L'invention propose aussi un procédé de commande pour un dispositif du type décrit précédemment, caractérisé en ce que :
    • dans une première étape dite de repos de la soupape, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne d'actionnement et l'ouverture de l'électrovanne de décharge, le premier accumulateur hydropneumatique étant maintenu par le dispositif de pression à une première pression de consigne et le deuxième accumulateur hydropneumatique étant maintenu à une seconde pression de consigne, la première pression de consigne étant supérieure à la deuxième pression de consigne et la deuxième pression de consigne étant supérieure à la pression réduite du carter moteur, puis
    • dans une deuxième étape dite de levée de la soupape, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne de décharge et l'ouverture de l'électrovanne d'actionnement , puis
    • dans une troisième étape dite de rappel de la soupape, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne d'actionnement, puis
    • dans une quatrième étape de fermeture complète de la soupape, l'unité commande l'ouverture de l'électrovanne de décharge jusqu'à la première étape de repos.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention représenté dans la position de repos de la soupape ;
    • la figure 2 est une vue schématique du dispositif de la figure 1 représenté dans la position de levée de la soupape ;
    • la figure 3 est une vue schématique du dispositif de la figure 1 représenté dans la position de rappel de la soupape.
  • Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
  • On a représenté à la figure 1 l'ensemble d'un dispositif 10 pour l'actionnement d'une soupape 12 d'un moteur thermique de véhicule automobile réalisé conformément à l'invention.
  • Dans ce dispositif 10, chaque soupape 12 est formée d'une tulipe 14 et d'une tige ou queue 16 qui est solidaire de la tulipe 14. La queue 16 est solidaire d'un actionneur 18 qui est commandé par une unité de commande, par exemple électronique (non représentée), pour provoquer la levée et le rappel de la soupape 12 sur son siège (non représenté).
  • De manière connue, l'actionneur 18 est réalisé sous la forme d'un vérin 20 qui comporte un cylindre 22 à l'intérieur duquel la queue 16 de la soupape 12 associée est libre de coulisser coaxialement de manière étanche, et à l'intérieur duquel est agencé un piston mobile 24, solidaire de l'extrémité libre 26 de la queue de la soupape 12. Le piston 24 délimite dans le cylindre 22 deux chambres de pression hydraulique opposées qui sont alimentées avec un fluide hydraulique incompressible FHI, par exemple de l'huile. Ainsi, le piston 24 délimite plus particulièrement dans le cylindre 22 une chambre de pression supérieure 28 et une chambre de pression inférieure 30.
  • Au cours du fonctionnement du dispositif 10, il est établi à l'intérieur de chacune des chambres supérieure 28 et inférieure 30 une pression dudit fluide FHI qui est régulée par l'unité de commande de manière que la pression régnant dans une des chambres 28 ou 30 soit alternativement supérieure/inférieure à la pression régnant dans l'autre chambre, pour actionner alternativement le vérin 20 et par conséquent la soupape 12.
  • Ainsi, lorsque la pression P28 qui règne dans la chambre 28 est supérieure à la pression P30 qui règne dans la chambre 30, la résultante des forces de pression qui s'exercent sur chacune des faces opposées du piston 24 pousse le piston 24 vers le bas dans le sens de l'ouverture de la soupape 12. Réciproquement, lorsque la pression P30 qui règne dans la chambre 30 est supérieure à la pression P28 qui règne dans la chambre 28, la résultante des forces de pression qui s'exercent sur chacune des faces opposées du piston 24 pousse le piston 24 vers le haut dans le sens de la fermeture de la soupape 12.
  • Conformément à l'invention et pour remédier aux inconvénients susnommés des dispositifs connus, chaque chambre 28 ou 30 de pression hydraulique du vérin 22 est susceptible d'être mise en communication avec au moins une source de pression hydraulique indépendante, dite source d'actionnement, qui est associée à la seule dite chambre 28 ou 30 et qui comporte des moyens pneumatiques de rappel élastique du fluide FHI qui sont destinés, au cours du mouvement de la soupape 12 dans un sens déterminé, à récupérer l'énergie cinétique de la soupape 12 en vue de son mouvement ultérieur dans le sens opposé.
  • Ainsi, le dispositif 10 selon l'invention comporte de préférence deux sources 32 et 34 d'actionnement. Cette disposition n'est pas limitative de l'invention et le dispositif 10 pourrait comporter plus d'une source d'actionnement associée à chacune des chambres de pression 28 ou 30 du vérin 12.
  • Cette configuration présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs connus de l'état de la technique.
  • En effet, de manière connue, un dispositif conventionnel pour l'actionnement des soupapes par arbre à cames, si il présente l'inconvénient de ne permettre de bénéficier que d'une loi de levée de soupapes, permet en revanche de contrôler efficacement la vitesse de fermeture de la soupape. En conférant aux cames un profil de courbure élevée dans la zone où elles sont sensées commander la fermeture de la soupape, on peut imposer une vitesse réduite de la soupape à l'approche de son siège, ce qui réduit les risques d'usure de ce siège et donc augmente la longévité du dispositif.
  • Jusqu'à présent, la plupart des dispositifs "camless" présentaient l'inconvénient d'ouvrir et de refermer brutalement la soupape, ce qui au bout d'un certain temps provoquait une usure prononcée de son siège, et le plus souvent du bruit.
  • Le dispositif selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient dans la mesure où, à l'approche de ses positions extrêmes d'actionnement, la soupape 12 est animée d'une vitesse pratiquement nulle pouvant être contrôlée par une perte de charge hydraulique en amont de l'électrovanne EVD. Cette perte de charge peut être fonction de la position de la soupape.
  • Conformément à l'invention, pour provoquer l'ouverture de la soupape 12, une première source d'actionnement transfère intégralement son énergie potentielle à la soupape 12 sous forme d'énergie cinétique, qui en fin de course est à son tour transférée sous forme d'énergie potentielle à une deuxième source d'actionnement quand la soupape 12 parvient à sa pleine ouverture. Réciproquement, pour provoquer la fermeture de la soupape 12, la deuxième source d'actionnement transfère intégralement son énergie potentielle à la soupape 12 sous forme d'énergie cinétique qui, en fin de course, est à son tour transférée sous forme d'énergie potentielle à la première source d'actionnement quand la soupape 12 parvient à sa fermeture. L'énergie cinétique de la soupape 12 étant quasiment nulle lors de sa fermeture, et étant par ailleurs un multiple du carré de la vitesse, la vitesse de la soupape 12 est donc aussi quasiment nulle.
  • Un autre avantage du dispositif 10 selon l'invention est qu'il consomme peu d'énergie hydraulique.
  • L'énergie étant stockée dans les sources de pression d'actionnement 32 et 34, il n'est pas nécessaire de fournir une pression hydraulique supplémentaire pour inverser le mouvement de la soupape 12 comme c'était le cas pour les dispositifs connus de l'état de la technique. La consommation hydraulique d'un tel dispositif 10 se résume donc, comme on le verra, ultérieurement, à un apport minime d'énergie hydraulique destiné à compenser les pertes d'énergie cinétique de la soupape 12 lors de son mouvement, pertes qui sont notamment provoquées par les frottements divers pouvant intervenir dans l'actionneur 12.
  • Par ailleurs, conformément à l'invention, au moins une des chambres hydrauliques 28 ou 30 est susceptible d'être mise en communication avec une source supplémentaire 36 dite source de décharge, dans laquelle le fluide hydraulique FHI est soumis à une pression réduite.
  • Ainsi, avantageusement, le fluide hydraulique est susceptible d'être ramené à une pression réduite dans une des chambres de pression hydraulique de manière à assurer la stabilité de la soupape 12 dans sa position extrême associée à l'établissement d'une pression réduite dans ladite chambre.
  • Conformément à l'invention, la régulation des pressions P28, P30, qui s'exercent sur chacune des faces opposées du piston 24 pour provoquer ses mouvements de montée ou de descente, est entièrement gérée par l'unité de commande.
  • A cet effet, d'une manière générale, l'unité de commande est susceptible de réguler les pressions P28, P30 régnant dans les chambres 28 et 30 de pression hydraulique du vérin 20 en commandant alternativement une électrovanne EVA d'actionnement qui est interposée entre une des chambres de pression hydraulique 28 ou 30 et sa source d'actionnement associée 32 ou 34, et une électrovanne de décharge EVD qui est interposée entre ladite chambre de pression hydraulique 28 ou 30 et la source de décharge 36.
  • Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, chaque source d'actionnement 32 ou 34 est constituée d'un accumulateur hydropneumatique 32 ou 34 qui comporte une enveloppe 38, 40 à l'intérieur de laquelle une membrane 42, 44 délimite une chambre de rappel 46, 48 et une chambre d'actionnement 50, 52, la chambre de rappel 46, 48 étant isolée et remplie d'un gaz compressible GC, et la chambre d'actionnement 50, 52 étant connectée à la chambre supérieure 28 ou à la chambre inférieure 30 correspondante du vérin 12 associé et remplie du fluide incompressible FHI.
  • Avantageusement, le gaz compressible GC qui est contenu dans les chambres de rappel 46 et 48 des accumulateurs hydrauliques 32 et 34 permet d'exercer une action de rappel élastique sur le fluide hydraulique FHI contenu dans les chambres d'actionnement 50 et 52 et il constitue de ce fait un ressort pneumatique qui permet de stocker l'énergie cinétique de la soupape 12. Le dispositif 10 se comporte comme un dispositif oscillant à actionneurs électromécaniques, sans en présenter les inconvénients, c'est à dire sans présenter les inconvénients d'inertie importante.
  • Par ailleurs, la source de décharge 36 comporte un réservoir 54 qui est mis en communication avec un carter (non représenté) du moteur dans lequel règne une pression réduite "Pr".
  • Il convient de remarquer que, telle que définie jusqu'à présent, la source de décharge 36 peut être connectée indifféremment à l'une ou l'autre des chambres supérieure 28 ou 30 du vérin 22 sans modifier le principe de fonctionnement du dispositif 10.
  • Toutefois, il est souhaitable que la position de repos de la soupape 12, c'est à dire à sa position pour laquelle la pression hydraulique dans une des chambres de l'actionneur 20 est réduite, corresponde à sa position de fermeture pour garantir une parfaite étanchéité de la tulipe 14 de la soupape 12 sur son siège.
  • Dans ce but, la chambre de pression supérieure 28 du vérin 20 est susceptible d'être mise en communication avec le premier accumulateur hydropneumatique 32 d'actionnement ou avec la source de décharge 36 par l'intermédiaire des électrovannes respectives d'actionnement EVA et de décharge EVD, et la chambre de pression inférieure 30 du vérin 20 communique directement avec le second accumulateur hydropneumatique 34.
  • De plus, un clapet anti-retour 56 peut être interposé entre la chambre supérieure 28 du vérin 20 et le premier accumulateur hydropneumatique 32.
  • Enfin, chaque chambre d'actionnement 50 ou 52 des accumulateurs hydropneumatiques 32 ou 34 est reliée à un dispositif (non représenté) de maintien de pression qui est susceptible de maintenir cette chambre à une pression de consigne respective Pc32 et Pc34 tant que la soupape 12 est fermée.
  • Ce dispositif permet notamment de compenser les pertes énergétiques hydrauliques subies par le fluide lors des mouvement de la soupape 12, ces pertes pouvant être notamment dues au frottement de la tige de la soupape 12 dans le cylindre 22, au frottement du piston 24 dans le cylindre, et aux pertes de type "frottement fluide" générées par les forces de pression s'exerçant au sein du fluide FHI.
  • Dans cette configuration, l'invention propose aussi un procédé de commande pour assurer le fonctionnement du dispositif 10 précédemment décrit.
  • Dans une première étape dite de repos de la soupape 12 qui est représentée à la figure 1, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne d'actionnement EVA et l'ouverture de l'électrovanne EVD de décharge, le premier accumulateur hydropneumatique 32 étant maintenu par le dispositif de pression à une première pression de consigne Pc32 et le deuxième accumulateur hydropneumatique 34 étant maintenu à une seconde pression de consigne Pc34, la première pression de consigne Pc32 étant supérieure à la deuxième pression de consigne Pc34 et la deuxième pression de consigne Pc34 étant supérieure à la pression réduite "Pr" du carter moteur.
  • La soupape 12 est donc au repos et fermée puisque la pression P28 qui règne dans la chambre supérieure 28 du vérin 22 est égale à la pression réduite "Pr" du carter et est donc inférieure à la pression de consigne Pc32 qui règne dans la chambre inférieure du vérin. Le dispositif est dit "chargé", puisque la chambre d'actionnement 50 de l'accumulateur 32 est prête, nonobstant l'ouverture de l'électrovanne EVA, à établir la pression de consigne Pc32 dans la chambre supérieure 28 du vérin.
  • Dans une deuxième étape dite de levée de la soupape 12, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne de décharge EVD et l'ouverture de l'électrovanne d'actionnement EVA. La pression P28, égale à la pression de consigne Pc32, qui règne à présent dans la chambre supérieure 28 étant supérieure à la pression de consigne Pc34 qui règne dans la chambre inférieure 30 du vérin, la résultante des forces de pression qui s'exercent sur le piston 24 provoque son déplacement vers le bas dans le sens de l'ouverture de la soupape 12.
  • A mesure que la soupape 12 s'ouvre, son mouvement provoque l'augmentation du volume de la chambre supérieure 28, donc aussi la détente du gaz GC contenu dans la chambre de rappel 46 de l'accumulateur 32, et la diminution du volume de la chambre inférieure 30, et donc aussi la compression du gaz GC contenu dans la chambre de rappel 48 dé l'accumulateur 34.
  • L'accélération de la soupape 12 diminue jusqu'à devenir nulle quand les pressions qui règnent dans les deux chambres de rappel 46 et 48 sont équilibrées. Cette position de la soupape 12 correspond à une énergie cinétique maximale emmagasinée par la soupape 12 et donc à sa vitesse la plus élevée. Puis, le déplacement de la soupape 12 se poursuivant, la décélération de la soupape 12 se poursuit jusqu'à ce qu'elle parvienne avec une vitesse nulle à sa position de pleine ouverture.
  • A cet instant, l'énergie cinétique de la soupape 12 a été pratiquement intégralement reconvertie en énergie potentielle emmagasinée dans le ressort pneumatique constitué par le gaz GC contenu dans la chambre de rappel 48 de l'accumulateur hydropneumatique 34. La pression dans la chambre de rappel 48 est alors proche, aux pertes énergétiques près, de la pression qui régnait dans la chambre de rappel 46 au début de la deuxième étape.
  • De ce fait, le fluide hydraulique FHI est à présent sensiblement à la première pression de consigne Pc32 dans la chambre inférieure 30 du vérin, et il est sensiblement à la deuxième pression de consigne Pc34 dans la chambre supérieure 30 du vérin. L'unité commande alors la fermeture de l'électrovanne EVA.
  • La résultante des forces de pression P28, P30 qui s'exercent sur le piston 24 étant alors inversée, dans une troisième étape dite de rappel de la soupape 12, l'unité commande la fermeture de l'électrovanne d'actionnement EVA.
  • La soupape 12 commence alors son mouvement de fermeture dès lors que l'augmentation de la pression P28 dans la chambre supérieure 28 est suffisante. Dans le cas où le dispositif comporte le clapet anti-retour 56, l'établissement du seuil de pression de ce dernier permet de déterminer un temps mort de levée de soupape à pleine ouverture, qui peut éventuellement être ramené à une valeur négligeable si le clapet anti-retour est faiblement taré.
  • Les caractéristiques du mouvement de fermeture de la soupape 12 sont exactement similaires à celles de son mouvement d'ouverture. Il conviendra de noter que, de ce fait, la soupape 12 se referme sur son siège avec une vitesse pratiquement nulle, et ne provoque donc pas d'usure du siège, ce qui augmente considérablement la longévité du moteur considéré.
  • Enfin, dans une quatrième étape de fermeture complète de la soupape 12 qui intervient lorsque la soupape 12 est à nouveau fermée, l'unité commande l'ouverture de l'électrovanne EVD pour réduire la pression résiduelle P28 dans la chambre supérieure 28 du vérin. Le dispositif 10 se trouve alors ramené, dès que les pressions sont stabilisées, à la configuration de la première étape de repos de la soupape 12.
  • On remarquera que si le dispositif comporte un clapet anti-retour la soupape 12 se referme automatiquement au bout d'un laps de temps déterminé associé au seuil de déclenchement de ce clapet.
  • Il convient de noter à titre de variante qu'il est possible, entre les deuxième et troisième étapes, de contrôler ce laps de temps, c'est-à-dire de bloquer un temps la soupape 12 en position ouverte en supprimant le clapet anti-retour 56. Cette configuration permet, par exemple dans le cas pour lequel le dispositif est destiné à s'appliquer à une soupape 12 d'échappement, de maintenir la soupape 12 ouverte pour favoriser, du fait de la poursuite de la course du piston du moteur vers le point mort bas, une réaspiration des gaz brûlés, ce qui correspond au procédé bien connu de recirculation des gaz d'échappement appelé EGR (Exhaust Gas Recycling).
  • Cette configuration trouve notamment à s'appliquer dans le cas d'un moteur de véhicule de série pour lequel une consommation minimale est recherchée.
  • Dans ce cas, le retour du fluide FHI dans la chambre d'actionnement 50 de l'accumulateur 50 n'est plus assuré par le clapet anti-retour 56 mais par l'électrovanne EVA. C'est avec un temps de retard déterminé que l'unité de commande peut commander, au cours de la troisième étape, la réouverture de l'électrovanne d'actionnement EVA par laquelle circule le fluide hydraulique au lieu de circuler, comme c'est le cas dans le mode de réalisation particulier de l'invention, par le clapet anti-retour 56. Ce temps de retard correspond alors au temps durant lequel la soupape 12 est bloquée en position ouverte.
  • L'invention permet donc de réaliser une commande pneumatique des soupapes 12 d'un moteur thermique de série ou d'un moteur fonctionnant à régime élevé qui est fiable, peu coûteuse, et faiblement consommatrice de l'énergie dudit moteur.

Claims (10)

  1. Dispositif (10) pour l'actionnement des soupapes (12) d'un moteur thermique de véhicule automobile, du type dans lequel chaque soupape (12) comporte une tige ou queue (16) qui est solidaire d'un actionneur (20) commandé par une unité de commande pour provoquer la levée et le rappel de la soupape (12) associée, du type dans lequel chaque actionneur (20) est réalisé sous la forme d'un vérin qui comporte un cylindre (22) à l'intérieur duquel la queue (16) de la soupape (12) associée est libre de coulisser coaxialement de manière étanche, et à l'intérieur duquel est agencé un piston (24) mobile, solidaire de l'extrémité libre de la queue (16) de soupape, qui délimite dans le cylindre (22) deux chambres de pression hydraulique supérieure (28) et inférieure (30) opposées qui sont chacune alimentées avec un fluide incompressible (FHI) et dans chacune desquelles est établie alternativement une pression (P28, P30) dudit fluide (FHI) qui est régulée par l'unité de commande de manière que la pression régnant dans une des chambres (28, 30) soit alternativement supérieure/inférieure à celle régnant dans l'autre chambre, pour actionner alternativement le vérin (20) et la soupape (12),
    caractérisé en ce que chaque chambre (28, 30) de pression hydraulique du vérin (20) est susceptible d'être mise en communication avec au moins une source (32, 34) de pression hydraulique indépendante, dite source d'actionnement, qui est associée à la seule dite chambre (28, 30) et qui comporte des moyens de rappel élastique du fluide (FHI) qui sont destinés, au cours du mouvement de la soupape (12) dans un sens déterminé, à récupérer l'énergie cinétique de la soupape (12) en vue de son mouvement ultérieur dans le sens opposé.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rappel élastique sont pneumatiques.
  3. Dispositif (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins une des chambres hydrauliques (28, 30) est susceptible d'être mise en communication avec une source (36) supplémentaire dite source de décharge, dans laquelle le fluide hydraulique (FHI) est soumis à une pression réduite.
  4. Dispositif (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de commande est susceptible de réguler les pressions (P28, P30) régnant dans les chambres (28, 30) de pression hydraulique du vérin (20) en commandant alternativement une électrovanne (EVA) d'actionnement qui est interposée entre une des chambres (28, 30) de pression hydraulique et sa source d'actionnement (32, 34) associée et une électrovanne (EVD) de décharge qui est interposée entre ladite chambre de pression hydraulique (28, 30) et la source de décharge (36).
  5. Dispositif (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque source (32, 34) d'actionnement est constituée d'un accumulateur hydropneumatique (32, 34) qui comporte une enveloppe (38, 40) à l'intérieur de laquelle une membrane (42, 44) délimite une chambre de rappel (46, 48) et une chambre d'actionnement (50, 52), la chambre de rappel (46, 48) étant isolée et remplie d'un gaz compressible (GC), et la chambre d'actionnement (50, 52) étant connectée à la chambre supérieure (28)/inférieure (30) correspondante du vérin (20) associé et remplie du fluide incompressible (FHI).
  6. Dispositif (10) selon la revendication 4 prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre de pression supérieure (28) du vérin (20) est susceptible d'être mise en communication avec un premier accumulateur hydropneumatique (32) ou avec la source (36) de décharge par l'intermédiaire des électrovannes respectives d'actionnement (EVA) et de décharge (EVD), et en ce que la chambre de pression inférieure (30) du vérin communique directement avec un second accumulateur hydropneumatique (34).
  7. Dispositif (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un clapet anti-retour (56) est interposé entre la chambre supérieure (28) du vérin (20) et le premier accumulateur hydropneumatique (32).
  8. Dispositif (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la source de décharge (36) comporte un réservoir (54) qui est mis en communication avec un carter du moteur dans lequel règne une pression réduite (Pr).
  9. Dispositif (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque chambre d'actionnement (50, 52) des accumulateurs hydropneumatiques (32, 34) est reliée à un dispositif de maintien de pression qui est susceptible de la maintenir à une pression de consigne (Pc32, Pc34) tant que la soupape (12) est fermée.
  10. Procédé de commande d'un dispositif (10) pour l'actionnement des soupapes (12) d'un moteur thermique de véhicule automobile selon la revendication 7 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que :
    - dans une première étape dite de repos de la soupape (12), l'unité commande la fermeture de l'électrovanne (EVA) d'actionnement et l'ouverture de l'électrovanne (EVD) de décharge, le premier accumulateur hydropneumatique (32) étant maintenu par le dispositif de pression à une première pression (Pc32) de consigne et le deuxième accumulateur hydropneumatique (34) étant maintenu à une seconde pression (Pc34) de consigne, la première pression (Pc32) de consigne étant supérieure à la deuxième pression (Pc34) de consigne et la deuxième pression (Pc34) de consigne étant supérieure à la pression réduite (Pr) du carter moteur, puis
    - dans une deuxième étape dite de levée de la soupape (12), l'unité commande la fermeture de l'électrovanne (EVD) de décharge et l'ouverture de l'électrovanne (EVA) d'actionnement, puis
    - dans une troisième étape dite de rappel de la soupape (12), l'unité commande la fermeture de l'électrovanne (EVA) d'actionnement, puis
    - dans une quatrième étape de fermeture complète de la soupape (12), l'unité commande l'ouverture de l'électrovanne (EVD) de décharge jusqu'à la première étape de repos.
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