DISPOSITIF DE REGULATION DE LA ROTATION D'UN ARBRE, NOTAMMENT DANS LE DOMAINE AUTOMOBILE
L'invention concerne un dispositif de régulation de la rotation d'un arbre, notamment dans le domaine de l'automobile.
En mécanique, la rotation de certains arbres peut être acyclique. C'est le cas notamment des arbres à cames soumis à des couples dynamiques d'amplitude variable dont les variations peuvent être importantes.
Ainsi, dans le domaine de l'automobile, un arbre à cames est par exemple utilisé pour actionner la pompe d'injection de carburant d'un moteur thermique. Une telle pompe d'injection peut notamment comprendre une chambre de compression du carburant directement actionnée par l'action combinée d'une came venant soulever un piston pour ouvrir la chambre et d'un ressort de rappel venant rabaisser ce piston pour refermer la chambre lorsque la levée de la came redevient minimale. Un tel système est relativement simple mais génère des irrégularités de rotation de l'arbre à cames. Ces irrégularités de rotation restent modérées tant que la pression d'injection du carburant est modérée. Lorsque cette pression d'injection devient élevée, par exemple dans le cas d'un moteur diesel, le mécanisme de la pompe exerce un couple de plus grande amplitude sur l'arbre à cames, ce qui se traduit par une irrégularité en rotation ou acyclisme de l'arbre. Lorsque cet acyclisme est important, une dégradation de la fiabilité du système d 'entraînement de l'arbre, par chaîne ou par courroie, peut être observée. La fiabilité peut alors être restaurée en augmentant la tension de la chaîne ou de la courroie, ce qui entraîne des bruits et des vibrations mal perçus par les utilisateurs du véhicule.
Une autre solution consiste à réduire l'acyclisme par des systèmes de compensation. Certains systèmes de compensation existants comprennent une came, parfois appelée contre-came, dont la fonction consiste à contrebalancer les efforts irréguliers subis par l'arbre à cames. Dans les systèmes de compensation existants, une came de ce type est soumise à un effort constant exercé par un moyen élastique de type ressort, tel que décrit par exemple dans le document FR 2 688 563 Al . Un tel système de compensation présente cependant l'inconvénient de générer des frottements permanents sur l'arbre à
cames en raison de l'effort constant appliqué par le moyen élastique contre l'arbre. Ceci engendre une augmentation de la consommation de carburant dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur thermique, y compris lorsque l'acyclisme est faible, par exemple dans des phases où la pompe d'injection agissant sur l'arbre à cames ne génère pas de fluctuations de couple importantes. D'autres systèmes de compensation comprennent une masse reliée à l'arbre à cames par un élément élastique tel que du caoutchouc. Ce type de système passif est cependant difficile à régler et vieillit mal dans le temps, ce qui peut conduire à une aggravation de l'acyclisme.
Il existe donc un besoin pour réduire l'acyclisme d'un arbre, notamment d'un arbre à cames, sans exercer de frottement permanent sur l'arbre, et ce de manière fiable au long de la durée de vie de l'arbre.
A cet effet, l'objet de l'invention concerne un dispositif de régulation de la rotation d'un arbre soumis à N fluctuations de couple par tour de rotation effectué en un temps de rotation T, ledit dispositif comprenant :
une came pourvue d'un axe de rotation et destinée à être solidarisée à l'arbre de sorte que son axe de rotation soit confondu avec l'axe de l'arbre, ladite came présentant N lobes,
un premier poussoir destiné au fonctionnement d'un organe du moteur et porté par un axe présentant une orientation radiale ou longitudinale vis-à-vis de l'axe de la came,
caractérisé en ce qu'il comprend :
- un deuxième poussoir de régulation porté par un axe actionné en déphasage d'un temps T/2N par rapport au premier poussoir par tour de rotation, ledit poussoir de régulation étant mobile en translation suivant la direction de cet axe, ledit poussoir de régulation étant maintenu en appui contre la came par un système d'appui exerçant un effort sur ledit poussoir de régulation en direction de la came, ledit système d'appui étant conformé pour réguler cet effort lors de la rotation de la came.
Le dispositif de régulation de l'invention permet ainsi de réguler l'effort exercé par le moyen élastique en cours de rotation de la came, autrement dit en cours de rotation de l'arbre.
Il est ainsi possible de réaliser un ajustement de l'effort en cours de rotation en fonction de l'amplitude de la fluctuation de couple N
subie par un arbre lors de sa rotation. Cette fluctuation de couple N est engendrée par un événement subi par l'arbre lors de sa rotation et susceptible de générer un acyclisme via l'appui du premier poussoir. Un tel événement peut être l 'actionnement d'un système par une ou plusieurs cames portées par l'arbre. Toutefois, le dispositif de régulation selon l'invention n'est pas limité à une régulation de la rotation des arbres à cames et peut être utilisé pour une régulation de l'acyclisme de tout arbre en rotation soumis à des efforts irréguliers, par exemple un arbre à cames d'un système d'injection de carburant d'un moteur thermique ou un arbre à cames d'un système d'admission de gaz d'un moteur thermique. L'invention n'est pas limitée à un nombre N particulier d'événements. Toutefois, selon les limitations de fabrication de la came, ce nombre N peut être de 1 à 6, par exemple de 1 à 4.
Le poussoir de régulation du dispositif selon l'invention est actionné en déphasage d'un temps de T/2N par rapport au premier poussoir. Ce déphasage en temps de T/2N peut résulter des positions relatives des axes des poussoirs ou de l 'actionnement des deux poussoirs. Le déphasage en temps peut par exemple être obtenu par un déphasage angulaire de π/Ν entre l'axe du poussoir de régulation et l'axe du premier poussoir lorsque ces deux axes sont dans un même plan radial ou longitudinal par rapport à l'axe de rotation de la came. Ce déphasage en temps peut également être obtenu par un moyen d 'actionnement approprié du poussoir de régulation lorsque les axes des premier et deuxième poussoirs ne sont pas dans un même plan, par exemple lorsque l'un des axes s'étend longitudinalement par rapport à l'axe de rotation de la came et l'autre axe s'étend radialement par rapport à cet axe. Ce moyen d 'actionnement peut ainsi être agencé pour actionner le poussoir de régulation avec un déphasage en temps de T/ 2N par rapport à l 'actionnement du premier poussoir.
Avantageusement, le système d'appui peut comprendre un moyen élastique conformé pour exercer un effort d'appui sur ledit poussoir de régulation en direction de la came et un moyen de régulation de l'effort exercé par le moyen élastique sur la came. Le moyen de régulation peut notamment comprendre un élément de butée présentant une raideur variable.
Avantageusement, le dispositif de régulation selon l'invention peut permettre d'appliquer un effort d'amplitude variable, notamment de
manière continue, lors de la rotation de l'arbre pour compenser des fluctuations de couple d'amplitude variable et d'ajuster l'amplitude de cet effort à l'amplitude de la fluctuation subie.
A cet effet, le moyen de régulation peut comprendre un moyen de pilotage apte à modifier l'effort exercé par le système d'appui, par exemple apte à modifier la raideur de l'élément de butée, en fonction d'une fluctuation de couple N attendue et/ou observée. Ceci peut permettre d'améliorer la régularisation de la rotation de l'arbre en évaluant l'amplitude de l'effort à appliquer en fonction de la fluctuation de couple attendue et/ ou observée.
Ce moyen de pilotage peut par exemple comprendre :
- des moyens de traitement agencés pour générer un signal de commande SN du moyen de régulation en fonction de données CN caractéristiques d'une fluctuation de couple N subie par un arbre équipé d'un dispositif de régulation selon l'invention,
- des moyens de transmission du signal de commande SN au moyen de régulation du dispositif de régulation, par exemple à un moteur pas à pas ou à une électrovanne du moyen de régulation.
Ce moyen de pilotage peut par exemple comprendre ou être intégré dans un ou plusieurs processeurs, par exemple un microcontrôleur, un micro processeur, un DSP (de l'anglais « Digital Signal Processor »), ou autre. Il peut notamment faire partie d'un système de gestion du véhicule ou non.
Par exemple, les moyens de traitement peuvent comprendre ou être intégrés dans un processeur, par exemple un microcontrôleur, un micro processeur, un DSP (de l'anglais 'Digital Signal Processor'), ou autre.
Les moyens de transmission peuvent être un port de sortie, une broche de sortie ou autre.
Le moyen de pilotage peut éventuellement comprendre des moyens de réception de données CN caractéristiques d'une fluctuation de couple N subie par un arbre, par exemple un port d'entrée, une broche d'entrée ou autre.
L'invention n'est pas limitée par la forme et la nature du signal de commande. Ce dernier peut être un signal dont la valeur va appliquer une tension et/ ou un courant.
Par exemple, dans le cas d'un arbre portant des cames actionnant un dispositif d'injection de carburant d'un moteur thermique, des données caractéristiques d'une fluctuation de couple N peuvent comprendre :
- le régime et/ ou la charge du moteur thermique ou tout autre paramètre adapté, tel que par exemple tout paramètre de pilotage du dispositif d'injection de carburant, ou
- la pression de sortie du carburant injecté par le dispositif d'injection.
A titre d'exemple, le moyen de pilotage peut permettre l'application d'un effort générant un couple d'amplitude égale ou inférieure à l'amplitude d'une fluctuation de couple N, cet effort étant appliqué avec un déphasage tel, par rapport à la fluctuation N, que les couples appliqués sur l'arbre, à savoir le couple générant la fluctuation N et le couple exercé par le dispositif de régulation, se compensent au moins en partie, réduisant ainsi l'acyclisme de l'arbre.
Avantageusement et de manière non limitative, le moyen de régulation du dispositif de régulation peut comprendre :
un piston à déplacement commandé en appui contre ledit moyen élastique et déplaçable suivant une direction parallèle à l'axe du poussoir de régulation,
un moyen de déplacement du piston à déplacement commandé,
un moyen de commande du moyen de déplacement lors de la rotation de la came.
Cet agencement présente l'avantage de permettre une régulation simple de l'effort exercé par le poussoir de régulation sur la came. L'amplitude de l'effort appliqué dépendra ainsi de la position du piston à déplacement commandé et de la raideur du moyen élastique.
Avantageusement et de manière non limitative, le dispositif de régulation peut comprendre un corps à l'intérieur duquel le piston à déplacement commandé et le moyen élastique sont montés mobiles en translation suivant l'axe du poussoir de régulation, le poussoir de régulation étant situé à l'extérieur dudit corps, le moyen élastique comprenant un côté en contact et/ou solidaire de l'axe du poussoir de régulation et un côté opposé en contact et/ ou solidaire du piston à déplacement commandé. Autrement dit, le moyen élastique est situé
entre le poussoir de régulation et le piston à déplacement commandé. Il suffit alors de déplacer le piston à déplacement commandé en direction du poussoir pour augmenter l'effort exercé par le poussoir de régulation sur la came ou d'éloigner le piston à déplacement commandé du poussoir de régulation pour réduire cet effort.
Dans un mode de réalisation particulier, le corps peut comprendre le piston à déplacement commandé et un autre piston mobile en translation solidaire d'une extrémité de l'axe du poussoir de régulation, le moyen élastique étant situé entre ces deux pistons et étant en contact et/ou solidaire de chacun d'eux.
La gamme d'amplitude de l'effort pouvant être exercé par le poussoir de régulation sur la came dépendra donc de l'amplitude de déplacement du piston à déplacement commandé et de la raideur ou de la résistance à la compression du moyen élastique.
Dans tous les modes de réalisation, le moyen élastique peut être un simple ressort, par exemple hélicoïdal, notamment en métal, de raideur déterminée en fonction de la gamme d'amplitude d'effort souhaitée. L'invention n'est toutefois pas limitée à ce mode de réalisation et d'autres moyens élastiques sont envisageables.
Selon un mode de réalisation particulier, le moyen de déplacement du piston à déplacement commandé peut être mécanique, par exemple un vérin mécanique. Le moyen de commande peut alors comprendre un moteur électrique, par exemple un moteur pas à pas.
Selon un autre mode de réalisation particulier simple à mettre en œuvre, le moyen de déplacement du piston à déplacement commandé peut être hydraulique.
Le moyen de commande peut alors éventuellement comprendre une électrovanne ou un circuit en communication de fluide avec un fluide dont la pression varie en fonction d'une fluctuation de couple N.
Le moyen de déplacement hydraulique peut comprendre une chambre à volume variable remplie d'un fluide, cette chambre comprenant une paroi mobile reliée au piston à déplacement commandé ou formée par ce dernier. Cette chambre à volume variable peut notamment être intégrée au corps recevant le piston à déplacement commandé, ce dernier formant l'une des parois de la chambre. Le moyen de déplacement hydraulique fonctionne alors de manière similaire à un vérin hydraulique. Cet agencement présente l'avantage
d'être compact et simple. En agissant sur la quantité de fluide présent dans la chambre, il est ainsi possible de déplacer le piston à déplacement commandé et d'augmenter ou de réduire l'effort exercé par le poussoir de régulation sur la came.
En variante, le moyen de déplacement hydraulique peut être un vérin hydraulique.
Un autre objet de l'invention concerne un arbre portant au moins une came destinée à l'actionnement d'un organe, notamment d'organes d'injection de carburant d'un moteur thermique de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de régulation selon l'invention.
L'organe actionné par la came peut être une soupape fermant une chambre d'injection de carburant d'un dispositif d'injection de carburant, notamment d'une pompe d'injection de carburant.
Un autre objet de l'invention concerne un dispositif d'injection de carburant d'un moteur thermique de véhicule automobile, comportant un arbre portant au moins une came d'actionnement d'une pompe d'injection du carburant, ledit arbre étant équipé d'un dispositif de régulation selon l'invention.
Avantageusement, lorsque le moyen de régulation du dispositif de régulation comprend :
un piston à déplacement commandé en appui contre ledit moyen élastique et déplaçable suivant une direction parallèle à l'axe du poussoir de régulation,
- un moyen de déplacement hydraulique du piston à déplacement commandé alimenté en fluide,
un moyen de commande du moyen de déplacement hydraulique lors de la rotation de l'arbre,
le moyen de déplacement hydraulique, par exemple une chambre à volume variable de celui-ci, peut être alimenté en fluide :
par un circuit de fluide indépendant du dispositif d'injection, par exemple un circuit d'huile, ou
par un circuit de carburant en communication de fluide avec une chambre d'injection de carburant du dispositif d'injection.
Dans le premier cas, l'amplitude du couple appliqué par le dispositif de régulation sur l'arbre peut être régulée au moyen d'une électrovanne réglant la quantité de fluide alimentant le moyen
hydraulique, cette électrovanne pouvant elle-même être pilotée par le moyen de pilotage mentionné plus haut.
Dans le deuxième cas, l'amplitude du couple appliqué par le dispositif de régulation sur l'arbre est alors directement fonction de la pression d'une chambre d'injection du dispositif d'injection du fait de la communication de fluide entre le dispositif d'injection et la chambre du dispositif de régulation. Une régulation de la compensation peut ainsi être obtenue de manière simple, éventuellement sans moyen de pilotage et sans électrovanne de régulation. Un moyen de pilotage et des électrovannes peuvent cependant être utilisés pour relier la chambre à volume variable successivement à différentes chambres d'injection de carburant.
L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un arbre à cames selon l'invention ou un dispositif d'injection selon l'invention.
L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de régulation selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente un schéma de fonctionnement d'un moyen de pilotage d'un dispositif de régulation selon l'invention.
La figure 1 représente schématiquement un dispositif de régulation 10 selon un mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif de régulation 10 comprend notamment une came 12 d'axe de rotation 14. La came 12 est destinée à être solidarisée à un arbre dont on souhaite réduire l'acyclisme. La came 12 est solidarisée à cet arbre de sorte que son axe de rotation 14 soit confondu avec l'axe de l'arbre. Sur la figure, l'arbre n'est pas représenté pour davantage de carté. La came 12 comprend N lobes 13, avec N=4, à savoir autant de lobes N que d'événements générant une fluctuation du couple subie par l'arbre en cours de rotation, cette fluctuation entraînant un acyclisme. Ainsi, dans l'exemple, la came comprend 4 lobes pour compenser 4 fluctuations de couple par tour de rotation d'un arbre.
Le dispositif de régulation 10 comprend un premier poussoir 15 destiné au fonctionnement d'un organe du moteur, ici une pompe 1 et porté par un axe 15a présentant une orientation radiale dans l'exemple représenté.
Le dispositif de régulation 10 comprend également un deuxième poussoir de régulation 16 porté par un axe 18 radial à l'axe de rotation de la came, autrement dit perpendiculaire à l'axe de rotation 14 de la came 12 dans l'exemple représenté. L'axe 18 du poussoir de régulation 16 est déphasé d'un angle π/Ν par rapport à l'axe 15a du premier poussoir 15, se qui se traduit par un actionnement du poussoir de régulation 16 en déphasage d'un temps de T/2N par rapport au premier poussoir 15 par tour de rotation de la came, T étant la durée d'un tour de rotation de l'arbre.
Ce poussoir de régulation 16 est mobile en translation suivant la direction de son axe 18. Le poussoir de régulation 16 est en outre maintenu en appui contre la came 12 par un moyen élastique 20 exerçant un effort sur le poussoir de régulation 16 en direction de la came 12. Dans l'exemple, le moyen élastique 20 est un simple ressort hélicoïdal métallique travaillant en compression.
Le dispositif de régulation 10 comprend aussi un moyen de régulation 22 de l'effort exercé par le moyen élastique sur la came 12, conformé pour réguler cet effort lors de la rotation de la came.
Le moyen de régulation 22 du mode de réalisation représenté comprend :
un piston à déplacement commandé 24 en appui contre le moyen élastique 20 et déplaçable suivant une direction parallèle à l'axe du poussoir de régulation,
un moyen de déplacement 26 du piston à déplacement commandé 24,
un moyen de commande 28 du moyen de déplacement 26 lors de la rotation de la came.
Le moyen de déplacement 26 représenté est hydraulique et comprend une chambre 27 à volume variable remplie d'un fluide. Le piston à déplacement commandé 24 forme une paroi mobile de cette chambre 27.
Le moyen de commande 28 comprend un conduit d'alimentation 30 de la chambre 27 en fluide, ce circuit d'alimentation 30 comprenant en outre une électro vanne 29 permettant de réguler la quantité de fluide alimentant la chambre 27. Le moyen de commande 28 comprend également un réservoir de fluide 31. En variante, le conduit d'alimentation 30 peut être relié à un circuit de fluide (non représenté).
Le moyen de commande 28 peut également comprendre une pompe pour la circulation du fluide si nécessaire (non représentée). Le fluide utilisé peut être de l'huile ou tout autre fluide adapté.
Dans l'exemple représenté, le dispositif de régulation 10 comprend un corps 32 à l'intérieur duquel le piston à déplacement commandé 24 et le moyen élastique 20 sont montés mobiles en translation suivant l'axe 18 du poussoir de régulation 16. La chambre 27 est ainsi délimitée par le corps 32 et le piston à déplacement commandé 24. Le circuit d'alimentation 30 de fluide décrit plus haut débouche dans la chambre 27, par exemple sur une paroi de la chambre opposée au piston à déplacement commandé 24. Le poussoir de régulation 16 est quant à lui situé à l'extérieur du corps 32. Le moyen élastique 20 comprend un côté 20a en contact et/ou solidaire de l'axe 18 du poussoir 16 et un côté opposé 20b en contact et/ou solidaire du piston à déplacement commandé 24. Dans l'exemple, une extrémité de l'axe 18 du poussoir 16 est solidaire d'un piston 34, distinct du piston à déplacement commandé 24. Ce deuxième piston 34 est également monté mobile en translation à l'intérieur du corps 32 et est en contact et/ou solidaire du moyen élastique 20. Ce dernier est ainsi situé entre les deux pistons 24 et 34.
Dans l'exemple représenté, le dispositif de régulation 10 comprend enfin un moyen de pilotage 36 du moyen de régulation 22 en fonction d'une fluctuation de couple N attendue et/ou observée. Ce moyen de pilotage 36 est ainsi relié à l'électro vanne 29 du dispositif de régulation 10 afin de la commander en fonction de la fluctuation de couple N.
La figure 2 représente schématiquement un diagramme de fonctionnement d'un moyen de pilotage 36.
Ce moyen de pilotage 36 comprend :
- des moyens de réception 38 de données caractéristiques CN d'une fluctuation N subie par un arbre équipé d'un dispositif de régulation 10,
- des moyens de traitement 40 agencés pour générer un signal de commande SN du moyen de régulation 22 en fonction de données CN caractéristiques d'une fluctuation N subie par un arbre,
- des moyens de transmission 42 du signal de commande SN au moyen de régulation 22 du dispositif de régulation.
Dans l'exemple représenté, le signal de commande SN généré est transmis à l'électro vanne 29 du moyen de régulation 22.
Le moyen de pilotage 36 décrit ci-dessus pourrait également être utilisé pour commander un moyen de régulation comprenant un moyen de déplacement mécanique du piston à déplacement commandé, le signal de commande SN étant alors par exemple transmis à un moteur pas à pas qui alimente le moyen mécanique, par exemple un vérin électrique.
Quelque soit le mode de réalisation du moyen de déplacement 26 du piston à déplacement commandé 24 (mécanique ou hydraulique), le moyen de pilotage 36 peut faire partie d'un système de gestion du véhicule. Par exemple, lorsque le dispositif de régulation 10 est utilisé pour réguler la rotation d'un arbre portant au moins une came destinée à l'actionnement d'un organe, notamment d'un organe d'injection de carburant d'un moteur thermique de véhicule automobile, ce moyen de pilotage 36 peut être relié au système de gestion du véhicule ou recevoir des données de ce système de gestion.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, dans lequel le dispositif de régulation 10 est monté sur un arbre à came d'un système d'injection de carburant d'un véhicule automobile, le dispositif de régulation 10 ne comprend pas de moyen de pilotage 36, ni d'électro vanne 29: le conduit d'alimentation 30 est directement en communication de fluide avec le carburant présent dans une chambre d'injection du dispositif d'injection. Ainsi, la pression de carburant à l'intérieur de la chambre du moyen de régulation est identique à la pression de carburant à l'intérieur de la chambre d'injection, de sorte que le couple appliqué par le dispositif de régulation 10 sur l'arbre sera de même amplitude que le couple appliqué sur la came de commande de l'ouverture de la chambre d'injection.
Le dispositif de régulation selon l'invention a ainsi pour objet de produire un couple de même amplitude, ou d'amplitude similaire, mais en opposition de phase que le couple dynamique engendré par des organes reliés à un arbre équipé du dispositif de régulation.
Dans le cas d'un arbre à came portant 4 cames actionnant chacune un piston de pompe d'injection à carburant, le dispositif de
régulation 10 selon l'invention comprend une came à 4 lobes pour compenser les 4 fluctuations de couple engendrées par la pompe lors d'une rotation de l'arbre. Cette compensation peut être obtenue de la manière suivante :
- une position du poussoir de régulation 16 contre un lobe 13 de la came 12 lorsqu'un faible couple est appliqué sur l'arbre du fait du fonctionnement de la pompe d'injection,
- une position du poussoir de régulation 16 en appui contre la came 12 entre deux lobes 13 lorsqu'un couple élevé est appliqué sur l'arbre du fait du fonctionnement de la pompe d'injection.
Dans tous les cas, l'amplitude du couple appliqué par le dispositif de régulation 10 sur l'arbre dépend de l'amplitude du couple subi. Ainsi, à faible régime du moteur, alors que l'acyclisme est faible, l'amplitude du couple appliqué par le dispositif de régulation 10 sur l'arbre pourra être faible, voire nul. Au contraire, pour un régime moteur élevé, alors que l'acyclisme est fort, l'amplitude du couple appliqué par le dispositif de régulation 10 sur l'arbre sera également élevée.