EP3212904A1 - Systeme d'actionnement electromagnetique d'une soupape de moteur a combustion interne - Google Patents

Systeme d'actionnement electromagnetique d'une soupape de moteur a combustion interne

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Publication number
EP3212904A1
EP3212904A1 EP15788457.8A EP15788457A EP3212904A1 EP 3212904 A1 EP3212904 A1 EP 3212904A1 EP 15788457 A EP15788457 A EP 15788457A EP 3212904 A1 EP3212904 A1 EP 3212904A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
coil
actuating
actuator
control device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15788457.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Zlatina DIMITROVA
Luiz Gustavo PORTO MENDES
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
PSA Automobiles SA
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Filing date
Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA filed Critical PSA Automobiles SA
Publication of EP3212904A1 publication Critical patent/EP3212904A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2103—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising one coil
    • 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
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2115—Moving coil actuators

Definitions

  • the invention relates to the control of the valves in an internal combustion engine. It relates more specifically, a system for actuating a valve in such an engine.
  • An internal combustion engine is supplied during each cycle with a mixture comprising air and fuel (or fuel mixture).
  • Such an engine comprises at least one cylinder defining a combustion chamber, this combustion chamber being delimited, in an upper part, by a cylinder head, and in a lower part, by a piston movable within the cylinder.
  • the engine comprises, for each cylinder, at least one intake valve and an exhaust valve.
  • a valve comprises a rod at the end of which is formed a head.
  • Each valve is movable in translation relative to the engine cylinder head between a closed position in which the valve head rests against a seat to close an intake duct (or, respectively, an exhaust duct) and a open position in which the head is spaced from the seat for communicating the combustion chamber with the intake duct (or respectively with the exhaust duct).
  • the control of the valves must meet the following constraints. First, the movement of the valves must be fast and precise, to facilitate the admission respectively the evacuation of gases. Then, the valve stroke must be sufficient to ensure a high flow of gas, whether admission or evacuation. In addition, the forces transmitted to the valves must be important (especially evacuation) to overcome the pressure in the combustion chamber. Finally, the control system must be reliable to avoid any loss of power due to a malfunction thereof.
  • valves in the internal combustion engines are performed mechanically by an actuating system comprising one or more camshaft (s) which drive the valves, either directly or indirectly by through rockers.
  • a camshaft is rotatably coupled to the crankshaft by a timing belt or chain.
  • An alternative valve control technique is electromagnetic actuation.
  • each valve is driven by means of an electromagnetic actuator.
  • Each actuator thus comprises one or more magnets which generate a magnetic field in which there is a coil traversed by an electric current, the valve thus being able to move linearly in one direction, by Laplace force, when the coil is energized. by a positive current and respectively in the opposite direction when it is supplied with a negative current.
  • An actuation system controls all of the engine valves, the actuating system comprising, for each valve, an electromagnetic actuator actuating the valve and a control device driving this actuator.
  • the various control devices associated with the engine valves are themselves under control of a computer (also called engine control).
  • the computer is connected to different sensors that provide real-time data on the engine and in particular on the position of the crankshaft and the position of each valve relative to the cylinder head.
  • the actuator makes it possible to synchronize the valves with other engine components such as pistons.
  • the electromagnetic actuator described in the Japanese document, mentioned above, comprises a fixed coil relative to the yoke, the coil surrounding a movable magnet on which is fixed the valve.
  • the large mass of the moving equipment makes the deceleration of the latter problematic, especially at high engine speed where the inertia of the crew is such that the effort produced from the current induced, to decelerate the valve is insufficient, with the main consequence of the occurrence of shocks when the valve arrives at the end of the race.
  • the repetition of the shocks causes premature degradation of the mobile equipment requiring the replacement of the mobile crew (s) defective, or the replacement of the complete engine in the event of a breakage of a moving equipment. when the engine is running.
  • a first objective is to provide a reliable valve actuating system and having a low power consumption.
  • a second objective is to provide a motor vehicle comprising an actuating system meeting the above stated objective.
  • this system comprising an electromagnetic actuator and a control device controlling the actuator, the valve comprising a head and being movable. , relative to a cylinder head of the engine, between a closed position in which the head rests against a seat of the cylinder head and an open position in which the head is spaced from the seat, this actuator comprising:
  • control device being operable in two configurations:
  • the device does not electrically power the coil to provide deceleration to the valve, and collects electrical energy induced by the coil; the coil being secured to the valve and the magnet being fixed relative to the cylinder head.
  • the coil is wound on a carcass on which the valve is fixed;
  • the carcass comprises a base and a body projecting axially from the base, the valve being fixed on the base and the coil being wound on the body;
  • the magnet is sandwiched between an upper pole piece and a lower pole piece;
  • the actuator comprises a core concentrically housed in a bore of the magnet
  • the body of the carcass is between the core and the magnet;
  • the actuation system comprises a plurality of electromagnetic actuators each actuating a valve and each controlled by a control device, a control device using the electrical energy collected during a deceleration of a valve to electrically power another actuator associated with another valve;
  • the electrical energy collected by the control device is stored within the control device.
  • Figure 1 is a schematic view illustrating a vehicle (dashed) equipped with an internal combustion engine (solid line);
  • Figure 2 is a graph illustrating the evolution of the position of a valve of the internal combustion engine during a lift cycle
  • Figure 3 is a schematic partial sectional view illustrating the engine, equipped with valves controlled by an actuating system;
  • Figure 4 is an enlarged sectional view showing an electromagnetic actuator.
  • Figure 1 is shown a vehicle 1 automobile - here a vehicle 1 particular but it could be any other type of vehicle 1: utility, truck, construction equipment or helicopter.
  • the vehicle 1 is equipped with an internal combustion engine 2 provided with cylinders 3 defining combustion chambers 4 and in which are slidably mounted pistons 5 connected, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation causes the wheels 8 of the vehicle 1 via a transmission (not shown).
  • an internal combustion engine 2 provided with cylinders 3 defining combustion chambers 4 and in which are slidably mounted pistons 5 connected, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation causes the wheels 8 of the vehicle 1 via a transmission (not shown).
  • the engine 2 comprises, for each cylinder 3, at least one intake valve 9 and an exhaust valve 10.
  • Each valve 9, 10 comprises a rod 11 which extends along a central axis X which defines an axial direction. At one end of the rod 11 is formed a head 12.
  • Each valve 9, 10 is movable in translation relative to a cylinder head 13 of the engine 2 between a closed position PF in which the head 12 of the valve 9, 10 is supported. against a seat 14 to close an intake duct 15 (or, respectively, an exhaust duct 16) and an open position PO in which the head 12 is spaced from the seat 14 to put the combustion chamber 4 in communication with the intake duct (or, respectively, with the exhaust duct 16).
  • the engine 2 is of the diesel direct injection type and comprises, for this purpose, an injector 17 which opens directly into the combustion chamber 4, but it could be any other type of internal combustion engine 2: gasoline, indirect injection, hybrid.
  • an actuating system 18 controls all of the valves 9, 10 of the internal combustion engine 2.
  • This actuating system 18 comprises, for each valve 9, 10, an electromagnetic actuator 19 actuating the valve 9, 10 and a control device 20 controlling said actuator 19.
  • the various control devices associated with the engine valves 9, 10 2 being themselves under control of a computer 21 (also called engine control).
  • a single control device 20 can control the electromagnetic actuators 19 associated, each, with a valve 9, 10.
  • the computer 21 is connected to different sensors that provide real-time data on the engine 2 and in particular on the position of the crankshaft 7 (via for example a position sensor) and the position of each valve 9, 10 by relative to the cylinder head 13 (via, for example, a dynamic valve lift sensor).
  • the computer 21 independently controls each electromagnetic actuator 19 via the control device 20 with which it is associated to synchronize the valves 9, 10 with the other elements of the engine 2 such as the pistons 5 .
  • the pistons of an internal combustion engine are generally out of phase with each other.
  • an internal combustion engine comprising four cylinders may have two external pistons set at 180 ° with the two internal pistons, this timing to optimize the operation of the engine.
  • the setting of the pistons in pairs mentioned above emphasizes the fact that the intake valves (or respectively the exhaust valves) are actuated in a manner offset in time.
  • the computer 21 makes it possible, in this case, thanks to feedback from the various sensors, to drive the electromagnetic actuators 19 via the control devices 20 in a time-shifted manner according to the architecture of the engine 2 chosen.
  • Each electromagnetic actuator 19 comprises at least one fixed magnet 22 with respect to the yoke 13 generating a magnetic field and at least one coil 23, immersed in this field, electrically connected to the control device 20, this coil 23 being integral with the valve 9, 10.
  • each actuator 19 comprises, firstly, a frame 24 defining a magnetic circuit 25, and secondly, a mobile 26.
  • the magnetic circuit includes the magnet 22, this magnet 22 is annular and extends symmetrically about the central X axis.
  • the magnet 22 is of the rare earth type, for example neodymium-iron-boron, which has the advantage of offering a high energy density.
  • the magnetic circuit 25 also includes an upper annular pole piece 27 and a lower annular pole piece 28, which pieces 27, 28 are polar and symmetrical about the central axis X, sandwiching the magnet 22.
  • parts 27, 28 are made of a ferromagnetic material, for example a mild steel.
  • the magnetic circuit 25 further comprises a central core 29 which is in the form of a cylinder of revolution about the central axis X.
  • the core 29 extends from an upper end, located at the right of the upper pole piece 27, to a lower end, located in line with the lower pole piece 28.
  • the central core 29 is made of a ferromagnetic material, for example a mild steel.
  • the assembly of the magnetic circuit 25 is preferably carried out by gluing, this method of assembly having the advantage of not altering the magnetic field.
  • the core 29 is housed concentrically in a bore 30 defined internally and jointly by the magnet 22 and the parts 27, 28 polar.
  • the magnet 22 and the pole pieces 27, 28 extend annularly around the core 29.
  • the outer diameter of the core 29 is smaller than the internal diameter of the bore 30, so that defined, between the core 29 and the parts 27, 28 polar, an air gap, that is to say a space in which the magnetic field is directed substantially radially.
  • the parts 27, 28 polar and the core 29 advantageously have chamfers so as to concentrate the magnetic field.
  • the magnet 22 and more precisely the magnetic circuit 25 generates a magnetic field whose field lines are toric around the central axis X.
  • Field lines are thus sketched in phantom in Figure 3, as well as black arrows superimposed on the dashed lines indicating the direction of the field lines.
  • the "+” and “-” signs also shown in Figure 4, respectively represent, by convention, a north pole and a south pole.
  • the armature 24 further comprises a cover 33 which overcomes the magnetic circuit to which it is attached.
  • This cover 33 is made of a non-magnetic material for example in a composite material or a stainless steel.
  • the mobile equipment 26 includes a carcass 34 which comprises a base 35 extending out of the frame 24 and a tubular body 36 extending in axial projection from the base 35.
  • This carcass 34 is made of a non-magnetic material for example in a composite material or a stainless steel.
  • the body 36 extends substantially over the entire height of the frame 24 between the core 29 and the magnet 22.
  • the body 36 has an upper section 37 dipped in the gap 31 upper and a lower section 38 dive in the gap 32 lower.
  • the mobile equipment 26 further comprises the coil 23 made by helically winding a wire made of an electrically conductive material (with round or rectangular section), this coil 23 comprising:
  • valve 9, 10 is integrated with the mobile equipment 26 being integral with the carcass 34, for example by means of screws 41.
  • a second magnetic circuit is superimposed on the first and / or the magnetic circuit comprises two superimposed magnets 22, this embodiment making it possible to increase the force transmitted to the valve 9. , 10.
  • the circulation of a current in the coil 23 generates, by the interaction with the magnetic field, a force known as "Laplace force" which produces a displacement of the coil 23 driving with it the valve 9 , 10.
  • the "Laplace force” is proportional to the magnetic field, the intensity of the current and the length of the solenoid constituting the coil 23.
  • the supply of the coil 23 with a positive current allows the displacement of the valve 9, 10 in one direction and respectively in a reverse direction when the coil 23 is supplied with a negative current.
  • the supply of the coil 23 with a positive current allows the displacement of the valve 9, 10 of the closed position PF to the open position PO, and vice versa, the supply of the coil 23 with a current negative allows the displacement of the valve 9, 10 from the open position PO to the closed position PF.
  • the control of a valve 9, 10 during a lift cycle is divided into four phases, this cycle corresponding to the opening of the valve 9, 10 c ' that is to say when the valve 9 passes from a closed position PF to an open position PO, and when the valve 9 is closed, that is to say the passage of the valve 9, 10 of the open position PO at the closed position PF.
  • the positions PU and PI2 correspond to intermediate positions between the open position PO and the closed position PF, these intermediate positions PU and PI2 will be used to explain below the control of a valve 9, 10 via an electromagnetic actuator 19.
  • the control device 20 operates in two configurations:
  • the device 20 does not electrically feed the coil 23 to provide a deceleration to the valve 9, 10, and collects electrical energy induced by the coil 23.
  • FIG. 2 presents, in an upper part, a diagram representing the evolution of the position P of the valve 9, 10 during time T and more precisely during the different phases of the lifting cycle, and in parallel in a lower part so to illustrate the diagram, the position of the head 12 relative to the seat 14.
  • a first phase PH1 (from PF to PU) in which the coil 23 of the actuator 19 is supplied with a positive current to provide the acceleration of the valve 9, 10 towards the open position PO;
  • a second phase PH2 (from PU to PO) in which the coil 23, upstream of the open position PO, is not electrically powered to collect a negative induced current resulting from the inertia stored by the valve 9, 10, this negative current reciprocally allowing to decelerate the valve 9, 10;
  • a third phase PH3 (from PO to PI2) in which the coil 23 of the actuator 19 is supplied with a negative current to provide acceleration of the valve 9, 10 towards the closed position PF;
  • a fourth phase PH4 (from PI2 to PF) in which the coil 23, upstream of the closed position PF, is not electrically powered to collect a positive induced current resulting from the inertia stored by the valve 9, 10 this positive current reciprocally allowing the valve 9, 10 to decelerate.
  • the displacement of the coil 23 by inertia within the magnetic field generates, by the " Lenz-Faraday principle ", a potential difference from which an induced current is created.
  • This induced current circulating in the coil 23 generates reciprocally by interaction with the magnetic field a "Laplace force" opposing the movement of the valve 9, 10, this force for decelerating the valve 9, 10.
  • the induced current created by an electromagnetic actuator 19, during the second phase PH2 and / or during the fourth phase PH4, can be stored typically in a capacitor within the control device, for supplying this electromagnetic actuator 19 during the next lift cycle.
  • the induced current created by an electromagnetic actuator 19 during the second phase PH2 and / or during the fourth phase PH4, that is to say during a deceleration phase is used to electrically power a Another electromagnetic actuator 19 which is in the first phase PH1 or in the third phase PH3, that is to say in an acceleration phase.
  • a dashed line the various control devices 20 are electrically connected to each other.
  • the inductive energy present in the winding of an electromagnetic actuator 19 can also be recovered by the control device 20 in order to supply another electromagnetic actuator 19 that is in an acceleration phase.
  • the actuation system 18, described above, offers the following advantages.
  • the fact of having a movable coil 23 integral with the valve 9, 10 can greatly reduce the mass of the mobile crew 26 to the benefit of the energy requirement for the control of the valve 9, 10 and more overall, to the set of valves 9, 10.
  • a light material for example a composite material, typically based on fiberglass or carbon
  • the decrease in the mass of the mobile crew 26 increases the speed of the valve 9, 10 and in other words to reduce the opening and closing times thereof.
  • the decrease in the mass of the mobile crew 26 allows optimal control of the valve 9, 10 for each regime to avoid shocks when the valve 9, 10 reaches the end of the race for the benefit of the reliability of the actuating system 18 and more generally of the internal combustion engine 2.
  • the energy requirement necessary for the control of the valves 9, 10 is also reduced by making the different control devices communicate, that is to say by re-injecting the energy recovered by a control device 20 when of the second phase PH2 and / or during the fourth phase PH4 in a control device 20 controlling an actuator 19 which is then in the first phase PH1 or in the third phase PH3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Système (18) d'actionnement d'une soupape (9, 10) de moteur (2) à combustion interne, ce système (18) comprenant un actionneur (19) électromagnétique et un dispositif (20) de commande pilotant l'actionneur (19), cet actionneur (19) comprenant : - un aimant générant un champ magnétique; - une bobine plongée dans le champ magnétique raccordée électriquement au dispositif (20) de commande; le dispositif (20) de commande pouvant fonctionner selon deux configurations : - une configuration active dans laquelle le dispositif (20) alimente électriquement la bobine pour procurer une accélération à la soupape (9, 10); - une configuration passive dans laquelle le dispositif (20) n'alimente pas électriquement la bobine pour procurer une décélération à la soupape (9, 10), et recueille une énergie électrique induite par la bobine; la bobine étant solidaire de la soupape (9, 10) et l'aimant étant fixe par rapport à la culasse (13).

Description

SYSTEME D'ACTIONNEMENT D'UNE SOUPAPE DE MOTEUR A
COMBUSTION INTERNE
[0001] L'invention a trait à la commande des soupapes dans un moteur à combustion interne. Elle concerne plus précisément, un système d'actionnement d'une soupape dans un tel moteur.
[0002] Un moteur à combustion interne est alimenté lors de chaque cycle par un mélange comprenant de l'air et du carburant (ou mélange carburé). Un tel moteur comprend au moins un cylindre définissant une chambre de combustion, cette chambre de combustion étant délimitée, dans une partie supérieure, par une culasse, et dans une partie inférieure, par un piston mobile au sein du cylindre.
[0003] Le moteur comprend, pour chaque cylindre, au moins une soupape d'admission et une soupape d'échappement. Une soupape comprend une tige au bout de laquelle est formée une tête. Chaque soupape est mobile en translation par rapport à la culasse du moteur entre une position fermée dans laquelle la tête de la soupape s'appuie contre un siège pour obturer un conduit d'admission (ou, respectivement, un conduit d'échappement) et une position ouverte dans laquelle la tête est écartée du siège pour mettre en communication la chambre de combustion avec le conduit d'admission (ou, respectivement avec le conduit d'échappement).
[0004] La commande des soupapes doit satisfaire les contraintes suivantes. D'abord, le mouvement des soupapes doit être rapide et précis, pour faciliter l'admission respectivement l'évacuation des gaz. Ensuite, la course des soupapes doit être suffisante pour garantir un débit important des gaz, qu'il s'agisse de l'admission ou de l'évacuation. De plus, les efforts transmis aux soupapes doivent être importants (notamment à l'évacuation) pour vaincre la pression régnant dans la chambre de combustion. Enfin, le système de commande doit être fiable pour éviter notamment toutes pertes de puissance dues à un dysfonctionnement de celui-ci.
[0005] Traditionnellement, la commande des soupapes dans les moteurs à combustion interne est réalisée mécaniquement par un système d'actionnement comprenant un ou plusieurs arbre(s) à cames qui entraînent les soupapes, soit directement, soit indirectement par l'intermédiaire de culbuteurs. Un arbre à cames est couplé en rotation au vilebrequin par une courroie ou une chaîne de distribution.
[0006] Cette technique a fait ses preuves mais elle présente un inconvénient majeur : elle ne permet aucune régulation de la commande des soupapes.
[0007] Une technique alternative de commande des soupapes est l'actionnement électromagnétique. Dans cette technique, chaque soupape est entraînée au moyen d'un actionneur électromagnétique. Chaque actionneur comprend ainsi un ou plusieurs aimants qui génèrent un champ magnétique au sein duquel se trouve une bobine parcourue par un courant électrique, la soupape étant ainsi apte à se mouvoir linéairement dans un sens, par la force de Laplace, lorsque la bobine est alimentée par un courant positif et respectivement dans le sens inverse lorsqu'elle est alimentée par un courant négatif.
[0008] Un système d'actionnement commande l'ensemble des soupapes du moteur, ce système d'actionnement comprenant, pour chaque soupape, un actionneur électromagnétique actionnant la soupape et un dispositif de commande pilotant cet actionneur. Les différents dispositifs de commande associés aux soupapes du moteur sont eux-mêmes sous contrôle d'un calculateur (également appelé contrôle moteur). Le calculateur est relié à différents capteurs qui lui fournissent en temps réel des données sur le moteur et notamment sur la position du vilebrequin et la position de chaque soupape par rapport à la culasse. Le dispositif d'actionnement permet de synchroniser les soupapes avec les autres éléments du moteur tels que les pistons.
[0009] Lorsque l'actionnement est électromagnétique, les motoristes distinguent quatre phases lors de la commande d'une soupape au cours d'un cycle de levée, ce cycle correspondant à l'ouverture de la soupape c'est à dire au passage de la soupape d'une position fermée à une position ouverte, et à la fermeture de la soupape c'est-à-dire au passage de la soupape de la position ouverte à la position fermée.
[0010] Afin d'expliciter ces quatre phases, on suppose par exemple que l'alimentation de la bobine avec un courant positif permet le déplacement de la soupape de la position fermée vers la position ouverte, et inversement, l'alimentation de la bobine avec un courant négatif permet le déplacement de la soupape de la position ouverte vers la position fermée, ces quatre phases étant ainsi définis de la manière suivante :
une première phase dans laquelle on alimente la bobine de l'actionneur avec un courant positif pour procurer l'accélération de la soupape en direction de la position ouverte ;
une deuxième phase dans laquelle on n'alimente pas électriquement la bobine, en amont de la position ouverte, pour recueillir un courant négatif induit issu de l'inertie emmagasinée par la soupape, ce courant négatif permettant réciproquement de décélérer la soupape ;
une troisième phase dans laquelle on alimente la bobine de l'actionneur avec un courant négatif pour procurer l'accélération de la soupape en direction de la position fermée ;
une quatrième phase dans laquelle on n'alimente pas électriquement la bobine, en amont de la position fermée, pour recueillir un courant positif induit issu de l'inertie emmagasinée par la soupape, ce courant positif permettant réciproquement de décélérer la soupape.
[0011] On retrouve par exemple ce système d'actionnement dans le brevet japonais JPH10131726.
[0012] L'actionneur électromagnétique décrit au sein du document japonais, ci-dessus mentionné, comprend une bobine fixe par rapport à la culasse, cette bobine entourant un aimant mobile sur lequel est fixée la soupape.
[0013] Cette architecture ne va pas sans inconvénients.
[0014] D'une part, la mise en mouvement de chaque soupape nécessite une forte quantité d'énergie étant donné la masse de l'équipage mobile composé de l'aimant et de la soupape. Le besoin énergétique nécessaire à la commande de l'ensemble des soupapes requiert l'implantation d'une batterie haute capacité plus onéreuse et plus volumineuse que les batteries classiques.
[0015] D'autre part, la masse importante de l'équipage mobile, rend problématique la décélération de celui-ci, notamment à haut régime moteur où l'inertie de l'équipage est telle que l'effort produit, issu du courant induit, pour décélérer la soupape est insuffisant, avec pour principale conséquence l'apparition de chocs lorsque la soupape arrive en fin de course. La répétition des chocs engendre une dégradation prématurée de l'équipage mobile nécessitant le remplacement de(s) l'équipage(s) mobile(s) défectueux, ou le remplacement du moteur complet dans le cas d'une casse d'un équipage mobile lorsque le moteur est en fonctionnement.
[0016] Pour pallier ce problème, il est envisageable d'alimenter électriquement également les actionneurs sur les phases de décélération (deuxième phase et quatrième phase définis dans le cycle de levée ci-dessus) afin de venir intensifier la décélération, cette solution restant néanmoins en contradiction avec la volonté de réduire le besoin énergétique nécessaire à la commande des soupapes.
[0017] Un premier objectif est de proposer un système d'actionnement de soupape fiable et ayant une faible consommation en électricité.
[0018] Un second objectif est de proposer un véhicule automobile comprenant un système d'actionnement répondant à l'objectif ci-dessus exprimé.
[0019] Il est proposé, en premier lieu, un système d'actionnement d'une soupape de moteur à combustion interne, ce système comprenant un actionneur électromagnétique et un dispositif de commande pilotant l'actionneur, la soupape comprenant une tête et étant mobile, par rapport à une culasse du moteur, entre une position fermée dans laquelle la tête s'appuie contre un siège de la culasse et une position ouverte dans laquelle la tête est écartée du siège, cet actionneur comprenant :
un aimant générant un champ magnétique ;
une bobine plongée dans le champ magnétique raccordée électriquement au dispositif de commande ;
le dispositif de commande pouvant fonctionner selon deux configurations :
une configuration active dans laquelle le dispositif alimente électriquement la bobine pour procurer une accélération à la soupape ;
une configuration passive dans laquelle le dispositif n'alimente pas électriquement la bobine pour procurer une décélération à la soupape, et recueille une énergie électrique induite par la bobine ; la bobine étant solidaire de la soupape et l'aimant étant fixe par rapport à la culasse.
[0020] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison :
- la bobine est enroulée sur une carcasse sur laquelle est fixée la soupape ;
la carcasse comprend une base et un corps s'étendant en saillie axiale à partir de la base, la soupape étant fixée sur la base et la bobine étant enroulée sur le corps ;
- l'aimant est pris en sandwich entre une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure ;
l'actionneur comprend un noyau logé de manière concentrique dans un alésage de l'aimant ;
le corps de la carcasse se situe entre le noyau et l'aimant ;
- le système d'actionnement comprend plusieurs actionneurs électromagnétiques actionnant chacun une soupape et pilotés chacun par un dispositif de commande, un dispositif de commande utilisant l'énergie électrique recueillie lors d'une décélération d'une soupape pour alimenter électriquement un autre actionneur associé à une autre soupape ;
l'énergie électrique recueillie par le dispositif de commande est stockée au sein du dispositif de commande.
[0021] Il est proposé, en second lieu, un véhicule comprenant un système d'actionnement tel que décrit ci-dessus.
[0022] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue schématique illustrant un véhicule (en pointillés) équipé d'un moteur à combustion interne (en trait plein) ;
la figure 2 est un graphique illustrant l'évolution de la position d'une soupape du moteur à combustion interne lors d'un cycle de levée ;
la figure 3 est une vue schématique en coupe partielle illustrant le moteur, équipé de soupapes commandées par un système d'actionnement ; la figure 4 est une vue en coupe à échelle agrandie montrant un actionneur électromagnétique.
[0023] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile - ici un véhicule 1 particulier mais il pourrait s'agir de tout autre type de véhicule 1 : utilitaire, camion, engin de chantier ou hélicoptère.
[0024] Le véhicule 1 est équipé d'un moteur 2 à combustion interne muni de cylindres 3 définissant des chambres 4 de combustion et dans lesquels sont montés coulissants des pistons 5 liés, par des bielles 6, à un vilebrequin 7 dont la rotation entraîne les roues 8 du véhicule 1 via une transmission (non représentée).
[0025] Tel qu'illustré sur la figure 3, le moteur 2 comprend, pour chaque cylindre 3, au moins une soupape 9 d'admission et une soupape 10 d'échappement. Chaque soupape 9, 10 comprend une tige 11 qui s'étend suivant un axe X central qui définit une direction axiale. A une extrémité de la tige 11 est formée une tête 12. Chaque soupape 9, 10 est mobile en translation par rapport à une culasse 13 du moteur 2 entre une position fermée PF dans laquelle la tête 12 de la soupape 9, 10 s'appuie contre un siège 14 pour obturer un conduit 15 d'admission (ou, respectivement, un conduit 16 d'échappement) et une position ouverte PO dans laquelle la tête 12 est écartée du siège 14 pour mettre en communication la chambre 4 de combustion avec le conduit 15 d'admission (ou, respectivement, avec le conduit 16 d'échappement).
[0026] Dans l'exemple illustré, le moteur 2 est du type diesel à injection directe et comprend, à cet effet, un injecteur 17 qui débouche directement dans la chambre 4 de combustion, mais il pourrait s'agir de tout autre type de moteur 2 à combustion interne : essence, à injection indirecte, hybride.
[0027] Tel qu'illustré sur la figure 3, un système 18 d'actionnement commande l'ensemble des soupapes 9, 10 du moteur 2 à combustion interne. Ce système 18 d'actionnement comprend, pour chaque soupape 9, 10, un actionneur 19 électromagnétique actionnant la soupape 9, 10 et un dispositif 20 de commande pilotant cet actionneur 19. Les différents dispositifs 20 de commande associés aux soupapes 9, 10 du moteur 2 étant eux-mêmes sous contrôle d'un calculateur 21 (également appelé contrôle moteur).
[0028] Dans le cas où le cylindre 3 est associé à plusieurs soupapes 9 d'admission (ou respectivement plusieurs soupapes 10 d'échappement), et notamment deux, un unique dispositif 20 de commande peut commander les actionneurs 19 électromagnétiques associés, chacun, à une soupape 9, 10.
[0029] Le calculateur 21 est relié à différents capteurs qui lui fournissent en temps réel des données sur le moteur 2 et notamment sur la position du vilebrequin 7 (via par exemple un capteur de position) et la position de chaque soupape 9, 10 par rapport à la culasse 13 (via par exemple un capteur de levée dynamique de soupape).
[0030] Grâce à ce retour d'informations, le calculateur 21 pilote indépendamment chaque actionneur 19 électromagnétique via le dispositif 20 de commande auquel il est associé afin de synchroniser les soupapes 9, 10 avec les autres éléments du moteur 2 tels que les pistons 5.
[0031] Les pistons d'un moteur à combustion interne sont généralement déphasés entre eux. Par exemple, un moteur à combustion interne comprenant quatre cylindres peut présenter deux pistons externes calés à 180° avec les deux pistons internes, ce calage permettant d'optimiser le fonctionnement du moteur. Le calage des pistons par paire mentionné ci-dessus, souligne le fait que les soupapes d'amission (ou respectivement les soupapes d'échappement) sont actionnées de manière décalée dans le temps. Le calculateur 21 permet en l'occurrence, grâce aux retours d'informations des différents capteurs, de piloter les actionneurs 19 électromagnétiques, via les dispositifs 20 de commande, de manière décalée dans le temps selon l'architecture du moteur 2 choisit.
[0032] Chaque actionneur 19 électromagnétique comprend au moins un aimant 22 fixe par rapport à la culasse 13 générant un champ magnétique et au moins une bobine 23, plongée dans ce champ, raccordée électriquement au dispositif 20 de commande, cette bobine 23 étant solidaire de la soupape 9, 10.
[0033] Plus précisément, et selon un mode de réalisation représenté sur la figure 4, chaque actionneur 19 comprend, en premier lieu, une armature 24 définissant un circuit 25 magnétique, et en second lieu, un équipage 26 mobile.
[0034] Le circuit 25 magnétique inclut l'aimant 22, cet aimant 22 est annulaire et s'étend de manière symétrique de révolution autour de l'axe X central. De préférence, l'aimant 22 est de type terres rares, par exemple néodyme-fer-bore, qui présente l'avantage d'offrir une densité énergétique élevée.
[0035] Le circuit 25 magnétique inclut également une pièce 27 polaire annulaire supérieure et une pièce 28 polaire annulaire inférieure, ces pièces 27, 28 polaires, symétriques de révolution autour de l'axe X central, prenant en sandwich l'aimant 22. Les pièces 27, 28 polaires sont réalisées dans un matériau ferromagnétique par exemple un acier doux.
[0036] Le circuit 25 magnétique comprend en outre un noyau 29 central qui se présente sous la forme d'un cylindre de révolution autour de l'axe X central. Le noyau 29 s'étend d'une extrémité supérieure, située au droit de la pièce 27 polaire supérieure, jusqu'à une extrémité inférieure, située au droit de la pièce 28 polaire inférieure. Le noyau 29 central est réalisé dans un matériau ferromagnétique par exemple un acier doux.
[0037] L'assemblage du circuit 25 magnétique est réalisé de préférence par collage, ce mode d'assemblage présentant l'avantage de ne pas altérer le champ magnétique.
[0038] Le noyau 29 est logé de manière concentrique dans un alésage 30 défini intérieurement et conjointement par l'aimant 22 et les pièces 27, 28 polaires. En d'autres termes, l'aimant 22 et les pièces 27, 28 polaires s'étendent de manière annulaire autour du noyau 29. Le diamètre externe du noyau 29 est inférieur au diamètre interne de l'alésage 30, de sorte qu'est défini, entre le noyau 29 et les pièces 27, 28 polaires, un entrefer, c'est-à-dire un espace dans lequel le champ magnétique est dirigé sensiblement radialement. Et plus précisément, un entrefer 31 supérieur entre le noyau 29 et la pièce 27 polaire supérieure, et un entrefer 32 inférieur entre le noyau 29 et la pièce 28 polaire inférieure.
[0039] Tel qu'illustré sur la figure 4, les pièces 27, 28 polaires et le noyau 29 présentent avantageusement des chanfreins de sorte à concentrer le champ magnétique.
[0040] L'aimant 22 et plus précisément le circuit 25 magnétique génère un champ magnétique dont les lignes de champs sont toriques autour de l'axe X central. Des lignes de champs sont ainsi esquissées en trait mixte sur la figure 3, ainsi que des flèches noires superposées aux lignes en trait mixte indiquant le sens des lignes de champs. Les signes « + » et « - » représentés également sur la figure 4, représentent respectivement, par convention, un pôle nord et un pôle sud.
[0041] L'armature 24 comprend en outre un couvercle 33 qui surmonte le circuit 25 magnétique auquel il est fixé. Ce couvercle 33 est réalisé dans un matériau non magnétique par exemple dans une matière composite ou un acier inoxydable.
[0042] L'équipage 26 mobile inclut une carcasse 34 qui comprend une base 35 s'étendant hors de l'armature 24 et un corps 36 tubulaire s'étendant en saillie axiale à partir de la base 35. Cette carcasse 34 est réalisée dans un matériau non magnétique par exemple dans une matière composite ou un acier inoxydable.
[0043] Le corps 36 s'étend sensiblement sur toute la hauteur de l'armature 24 entre le noyau 29 et l'aimant 22. Le corps 36 présente une section 37 supérieure plongée dans l'entrefer 31 supérieur et une section 38 inférieure plongée dans l'entrefer 32 inférieur.
[0044] L'équipage 26 mobile comprend en outre la bobine 23 réalisée par enroulement hélicoïdal d'un fil réalisé dans un matériau conducteur en électricité (à section ronde ou rectangulaire), cette bobine 23 comprenant :
- une portion 39 supérieure enroulée, dans un sens primaire, autour de la section 37 supérieure du corps 36 et plongée dans l'entrefer 31 supérieur ;
une portion 40 inférieure enroulée, dans un sens secondaire opposé au sens primaire, autour de la section 38 inférieure du corps 36 et plongée dans l'entrefer 32 inférieur.
[0045] Tel que représenté sur la figure 4, la soupape 9, 10 est intégrée à l'équipage 26 mobile en étant solidaire de la carcasse 34 par exemple au moyen de vis 41.
[0046] Selon un mode de réalisation non représenté, un second circuit 25 magnétique est superposé sur le premier et/ou le circuit 25 magnétique comprend deux aimants 22 superposés, ce mode de réalisation permettant d'accroître l'effort transmis à la soupape 9, 10.
[0047] La circulation d'un courant dans la bobine 23 génère, par l'interaction avec le champ magnétique, une force connue sous le nom de « force de Laplace » qui produit un déplacement de la bobine 23 entraînant avec elle la soupape 9, 10. [0048] La « force de Laplace » est proportionnelle au champ magnétique, à l'intensité du courant et à la longueur du solénoïde constituant la bobine 23.
[0049] L'alimentation de la bobine 23 avec un courant positif permet le déplacement de la soupape 9, 10 dans un sens et respectivement dans un sens inverse lorsque la bobine 23 est alimentée avec un courant négatif.
[0050] Par convention, l'alimentation de la bobine 23 avec un courant positif permet le déplacement de la soupape 9, 10 de la position fermée PF vers la position ouverte PO, et inversement, l'alimentation de la bobine 23 avec un courant négatif permet le déplacement de la soupape 9, 10 de la position ouverte PO vers la position fermée PF.
[0051] Tel qu'illustré sur la figure 2, la commande d'une soupape 9, 10 au cours d'un cycle de levée se divise en quatre phases, ce cycle correspondant à l'ouverture de la soupape 9, 10 c'est à dire au passage de la soupape 9, 10 d'une position fermée PF à une position ouverte PO, et à la fermeture de la soupape 9, 10 c'est-à-dire au passage de la soupape 9, 10 de la position ouverte PO à la position fermée PF. Les positions PU et PI2 correspondent à des positions intermédiaires entre la position ouverte PO et la position fermée PF, ces positions intermédiaires PU et PI2 seront utilisées pour expliciter ci-dessous la commande d'une soupape 9, 10 via un actionneur 19 électromagnétique.
[0052] Le dispositif 20 de commande fonctionne selon deux configurations :
une configuration active dans laquelle le dispositif 20 alimente électriquement la bobine 23 pour procurer une accélération à la soupape 9, 10 ;
une configuration passive dans laquelle le dispositif 20 n'alimente pas électriquement la bobine 23 pour procurer une décélération à la soupape 9, 10, et recueille une énergie électrique induite par la bobine 23.
[0053] La figure 2 présente, dans une partie supérieure, un diagramme représentant l'évolution de la position P de la soupape 9, 10 au cours temps T et plus précisément au cours des différentes phases du cycle de levée, et en parallèle dans une partie inférieure, afin d'illustrer le diagramme, la position de la tête 12 par rapport au siège 14.
[0054] Les quatre phases permettant la commande de la soupape 9, 10, explicitées selon la convention mentionnée ci-dessus, sur un cycle de levée, sont définies de la manière suivante :
une première phase PH1 (depuis PF jusqu'à PU) dans laquelle on alimente la bobine 23 de l'actionneur 19 avec un courant positif pour procurer l'accélération de la soupape 9, 10 en direction de la position ouverte PO ;
- une deuxième phase PH2 (depuis PU jusqu'à PO) dans laquelle on n'alimente pas électriquement la bobine 23, en amont de la position ouverte PO, pour recueillir un courant négatif induit issu de l'inertie emmagasinée par la soupape 9, 10, ce courant négatif permettant réciproquement de décélérer la soupape 9, 10 ;
- une troisième phase PH3 (depuis PO jusqu'à PI2) dans laquelle on alimente la bobine 23 de l'actionneur 19 avec un courant négatif pour procurer l'accélération de la soupape 9, 10 en direction de la position fermée PF ;
une quatrième phase PH4 (depuis PI2 jusqu'à PF) dans laquelle on n'alimente pas électriquement la bobine 23, en amont de la position fermée PF, pour recueillir un courant positif induit issu de l'inertie emmagasinée par la soupape 9, 10, ce courant positif permettant réciproquement de décélérer la soupape 9, 10.
[0055] Durant la deuxième phase PH2 et la quatrième phase PH4, c'est-à-dire lorsque le dispositif 20 de commande est en configuration passive, le déplacement de la bobine 23 par inertie au sein du champ magnétique génère, par le « principe de Lenz-Faraday », une différence de potentiel à partir de laquelle un courant induit est créé. Ce courant induit circulant dans la bobine 23 génère réciproquement par interaction avec le champ magnétique une « force de Laplace » s'opposant au mouvement de la soupape 9, 10, cette force permettant de décélérer la soupape 9, 10.
[0056] Le courant induit créé par un actionneur 19 électromagnétique, lors de la deuxième phase PH2 et/ou lors de la quatrième phase PH4, peut être stocké typiquement dans un condensateur au sein du dispositif 20 de commande, pour d'alimenter cet actionneur 19 électromagnétique lors du cycle de levée suivant.
[0057] Avantageusement, le courant induit créé par un actionneur 19 électromagnétique lors de la deuxième phase PH2 et/ou lors de la quatrième phase PH4, c'est-à-dire lors d'une phase de décélération, sert à alimenter électriquement un autre actionneur 19 électromagnétique qui se trouve dans la première phase PH1 ou dans la troisième phase PH3 c'est-à-dire dans une phase d'accélération. Pour cela, tel qu'illustré sur la figure 3, par un trait en pointillés, les différents dispositifs 20 de commande sont reliés électriquement entre eux.
[0058] L'énergie inductive présente dans le bobinage d'un actionneur 19 électromagnétique peut également être récupérée par le dispositif 20 de commande afin d'alimenter un autre actionneur 19 électromagnétique se trouvant dans une phase d'accélération.
[0059] Le système 18 d'actionnement, décrit ci-dessus, offre les avantages suivant.
[0060] Premièrement, le fait d'avoir une bobine 23 mobile solidaire de la soupape 9, 10 permet de diminuer fortement la masse de l'équipage 26 mobile au bénéfice du besoin énergétique nécessaire à la commande de la soupape 9, 10 et plus globalement à l'ensemble des soupapes 9, 10. En choisissant, pour la carcasse un matériau léger (par exemple un matériau composite, typiquement à base de fibre de verre ou de carbone), on diminue davantage le besoin énergétique nécessaire à la commande des soupapes 9, 10.
[0061] Deuxièmement, la diminution de la masse de l'équipage 26 mobile permet d'accroître la rapidité de la soupape 9, 10 et en d'autres termes de diminuer les temps d'ouverture et de fermeture de celle-ci.
[0062] Troisièmement, la diminution de la masse de l'équipage 26 mobile permet un contrôle optimal de la soupape 9, 10 pour chaque régime permettant d'éviter les chocs lorsque la soupape 9, 10 arrive en fin de course au bénéfice de la fiabilité du système 18 d'actionnement et plus globalement du moteur 2 à combustion interne.
[0063] Quatrièmement, on diminue également le besoin énergétique nécessaire à la commande des soupapes 9, 10 en faisant communiquer les différents dispositifs 20 de commande, c'est-à-dire en réinjectant l'énergie récupérée par un dispositif 20 de commande lors de la deuxième phase PH2 et/ou lors de la quatrième phase PH4 dans un dispositif 20 de commande contrôlant un actionneur 19 qui se trouve alors dans la première phase PH1 ou dans la troisième phase PH3.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (18) d'actionnement d'une soupape (9, 10) de moteur (2) à combustion interne, ce système (18) comprenant un actionneur (19) électromagnétique et un dispositif (20) de commande pilotant l'actionneur (19), la soupape (9, 10) comprenant une tête (12) et étant mobile, par rapport à une culasse (13) du moteur (2), entre une position fermée dans laquelle la tête (12) s'appuie contre un siège (14) de la culasse (13) et une position ouverte dans laquelle la tête (12) est écartée du siège (14), cet actionneur (19) comprenant :
un aimant (22) générant un champ magnétique ;
une bobine (23) plongée dans le champ magnétique raccordée électriquement au dispositif (20) de commande ;
le dispositif (20) de commande pouvant fonctionner selon deux configurations :
une configuration active dans laquelle le dispositif (20) alimente électriquement la bobine (23) pour procurer une accélération à la soupape (9, 10) ;
une configuration passive dans laquelle le dispositif (20) n'alimente pas électriquement la bobine (23) pour procurer une décélération à la soupape (9, 10), et recueille une énergie électrique induite par la bobine (23) ;
ce système (18) d'actionnement étant caractérisé en ce que la bobine (23) est solidaire de la soupape (9, 10) et l'aimant (22) est fixe par rapport à la culasse (13).
2. Système (18) d'actionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (23) est enroulée sur une carcasse (34) sur laquelle est fixée la soupape (9, 10).
3. Système (18) d'actionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la carcasse (34) comprend une base (35) et un corps (36) s'étendant en saillie axiale à partir de la base (35), la soupape (9, 10) étant fixée sur la base (35) et la bobine (23) étant enroulée sur le corps (36).
4. Système (18) d'actionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant (22) est pris en sandwich entre une pièce (27) polaire supérieure et une pièce (28) polaire inférieure.
5. Système (18) d'actionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur (19) comprend un noyau (29) logé de manière concentrique dans un alésage (30) de l'aimant (22).
6. Système (18) d'actionnement selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que le corps (36) de la carcasse (34) se situe entre le noyau (29) et l'aimant (22).
7. Système (18) d'actionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système (18) d'actionnement comprend plusieurs actionneurs (19) électromagnétiques actionnant chacun une soupape (9, 10) et pilotés chacun par un dispositif (20) de commande, un dispositif (20) de commande utilisant l'énergie électrique recueillie lors d'une décélération d'une soupape (9, 10) pour alimenter électriquement un autre actionneur (19) associé à une autre soupape (9, 10).
8. Système (18) d'actionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie électrique recueillie par le dispositif (20) de commande est stockée au sein du dispositif (20) de commande.
9. Véhicule (1) comprenant un système (18) d'actionnement selon l'une des revendications précédentes.
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