FR2784712A1 - Procede et dispositif d'actionnement electromagnetique de soupape - Google Patents

Abstract

L'actionneur électromagnétique pape comprend une armature d'entraînement de la soupape (25), des moyens élastiques de rappel (28a, 28b) prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position déterminée, sensiblement médiane entre deux positions extrêmes, dont une position de fermeture de la soupape, des moyens électro-magnétiques (38) à noyau ferro-magnétique placés des deux côtés de l'armature et un circuit d'alimentation alternée des dits moyens électromagnétiques. Le circuit d'alimentation calcule la vitesse avec laquelle l'armature approche de chacune de ses positions extrêmes à partir de la mesure du courant dans les moyens électro-magnétiques et envoie dans les moyens électro-magnétiques d'un courant asservissant la variation de la dite vitesse à un profil de consigne déterminé.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ACTIONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE DE SOUPAPE
L'invention concerne les actionneurs électromagnétiques destinés à déplacer en translation une soupape pour l'amener alternativement dans une position d'ouverture et une position de fermeture. Elle trouve une application particulièrement importante dans la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne, à allumage par étincelles ou par compression.

On connaît (US-A-4 614 170) un actionneur électromagnétique, ayant une armature ou palette en matériau ferromagnétique d'entraînement de la queue de soupape, des moyens de rappel élastiques prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position médiane entre les positions d'ouverture complète et de fermeture, et des moyens électromagnétiques permettant d'amener alternativement les soupapes dans les deux positions. Les moyens électromagnétiques décrits dans le document US-A-4 614 170 ont un premier électro-aimant à noyau ferromagnétique placé d'un côté de la palette et dont 1'excitation attire la palette dans un sens tendant à fermer la soupape et un second électro-aimant, placé de l'autre côté de la palette, dont 1'excitation tend à amener la soupape dans la position de pleine ouverture.

Un autre actionneur électromagnétique est décrit dans la demande de brevet n 98 12489. Les moyens électromagnétiques de ce dernier actionneur ont une bobine unique montée sur un circuit ferromagnétique de construction telle qu'il présente, en combinaison avec l'armature, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant l'un et l'autre à une valeur faible, généralement nulle, d'entrefer entre l'armature et le circuit ferromagnétique.

Le mode d'actionnement de ces actionneurs électromagnétiques est le suivant. Les moyens électromagnétiques permettent d'exercer des forces d'amenée de l'armature dans une position haute qu'on supposera correspondre à la fermeture de la soupape, et une position dite basse , correspondant à l'ouverture, et de maintenir l'armature dans ces positions. En position haute l'équipage comprime un ressort de stockage d'énergie mécanique tant qu'un courant adapté dans une bobine ou la bobine unique retient l'armature. Lorsque le courant de maintien est supprimé, le ressort propulse l'équipage mobile vers la position basse .

Une tige fixée à l'armature pousse la queue de soupape et comprime le ressort de fermeture de la soupape. En fin de course de l'armature, on établit un courant de maintien dans la bobine ou une bobine appropriée pour que la soupape reste ouverte. Le ressort de fermeture de soupape stocke à son tour de l'énergie et propulse à son tour la soupape et l'armature vers le haut quand le courant de maintien est coupé.

Une partie de l'énergie mécanique est perdue par frottements, chocs, courants de Foucault et travail résistant des forces de contrepression, en particulier à l'échappement. En conséquence, il faut exercer une force additionnelle, dite d'appel, s'ajoutant à la force exercée par les ressorts pour compenser les pertes d'énergie à chaque passage de l'armature d'une position extrme à 1'autre.

L'énergie supplémentaire à fournir doit tre suffisante pour garantir une course complète de l'armature, mais ne pas tre excessive afin d'éviter un choc terminal qui provoquerait du bruit et de l'usure. Pratiquement, la vitesse à l'impact ne doit pas dépasser quelques centièmes de mètre par seconde pour maintenir l'usure et le bruit à un niveau acceptable.

Les procédés et dispositifs électromagnétiques existants parviennent difficilement à remplir simultanément les deux conditions ci-dessus de façon simple. Ou bien ils doivent tolérer une vitesse d'impact élevée, ou bien ils exigent la présence d'un capteur de position et/ou de vitesse qui complique le procédé et le dispositif et qui augmente le coût de réalisation.

La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif d'actionnement électromagnétique de soupape permettant un contrôle satisfaisant de l'énergie appliquée, sans pour autant nécessiter un capteur.

Pour cela, l'invention utilise le fait qu'on peut constituer le circuit ferromagnétique des moyens électromagnétiques de façon telle qu'il y ait une relation quasi linéaire entre la réluctance
R (x) et 1'entrefer x au cours des dernières fractions de millimètre du parcours avant collage de l'armature contre le circuit ou les circuits ferromagnétiques. Cette propriété se rencontre notamment dans le cas de moyens électromagnétiques à une seule bobine du genre décrit dans la demande de brevet n 98 12489 déjà mentionnée. Dans un tel actionneur, l'inductance L (x) de la bobine varie également de façon quasi-linéaire dans une plage commençant immédiatement au-delà de la position centrale de l'armature si les encoches du circuit ferromagnétique ont sensiblement la mme longueur que l'épaisseur de l'armature. Or R (x) et L (x) peuvent tre calculés à partir du courant i dans la bobine (ou deux bobines en série), ce qui permet de calculer x presque à tout moment après le dépassement de la position centrale et d'en déduire la vitesse.

En conséquence l'invention propose notamment un actionneur électromagnétique de soupape comprenant une armature d'entraînement de la soupape, des moyens élastiques de rappel prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position déterminée, sensiblement médiane entre deux positions extrmes, dont une position de fermeture de la soupape, des moyens électromagnétiques à noyau ferro-magnétique placés des deux côtés de l'armature et un circuit d'alimentation alternée des dits moyens électromagnétiques, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comporte des moyens de calcul de la vitesse avec laquelle l'armature approche de chacune de ses positions extrmes à partir de la mesure du courant dans les moyens électromagnétiques et d'envoi dans les moyens électro-magnétiques d'un courant asservissant la variation de la dite vitesse à un profil de consigne déterminé sans l'aide d'un capteur de position ou/et de vitesse s'ajoutant à la bobine ou aux bobines motrices.

Les moyens de calcul peuvent déduire la variation de réluctance de la mesure du courant pendant la phase terminale de l'approche de l'armature, c'est-à-dire pour des entrefers faibles et on peut déduire la variation de x dans le temps des variations de réluctance.

Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, les moyens de calcul sont également prévus pour calculer de façon répétitive la valeur de l'inductance des moyens électromagnétiques alors que 1'entrefer dépasse une valeur déterminée, ce qui permet de déterminer, par exemple par tabulations, les valeurs correspondantes de x. Dans ces conditions, la régulation peut commander un profil de variation de vitesses sur la majeure partie du parcours de la palette. Dans l'intervalle pour lequel les lois de variation de L et R en fonction de l'entrefer x ne sont pas très linéaires, une valeur approchée de x peut tre obtenue à tout instant en faisant la moyenne barycentrique des valeurs de x données par des interpolations supposées linéaires de L et R en fonction de x.

Grâce à cette constitution, on peut effectuer une véritable régulation, par opposition à une simple commande en boucle ouverte ou par opposition à un simple réglage du courant fourni au cours d'un cycle à partir des résultats obtenus au cours d'un cycle précédent d'oscillation de l'armature.

L'invention propose également un procédé de commande de soupape utilisant un tel actionneur, suivant lequel on échantillonne le courant qui parcourt les moyens électromagnétiques, on en déduit les variations de L (t) et R (t) par le calcul, puis les variations de x par référence à des tables mémorisées, on déduit la vitesse résiduelle des variations de x dans le temps et on commande l'application d'une tension aux moyens électro-magnétiques de façon à asservir les variations dans le temps de x à un profil prédéterminé.

Dans la pratique, la zone dans laquelle il n'y a pas variation linéaire de L ou de R peut tre très étroite. R varie en effet quasi linéairement en fonction de x aussi longtemps que 1'entrefer x ne dépasse pas une valeur xi d'environ 0,5 mm, dans le cas d'un actionneur dont les parties électro-mécaniques ont la constitution montrée dans la demande de brevet n 98 12489.

L'inductance L varie de façon quasi linéaire en fonction de x dès que x dépasse une valeur x2 qui est typiquement d'environ 1 mm, lorsque l'épaisseur de l'armature est sensiblement égale à celle des encoches pratiquées dans le circuit magnétique.

Les caractéristiques de L et R en fonction de x peuvent tre obtenues sur d'autres types de circuit magnétique, dérivés de celui décrit dans la demande n 98 12489.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'tre indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.

La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
-la figure 1 montre un actionneur de soupape selon un mode de réalisation, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la soupape ;
-la figure 2 est une vue de détail destinée à montrer les paramètres qui interviennent ;
-la figure 3 est un diagramme de ;
-la figure 4 montre une variante de la figure 3.

-la figure 5 montre une variante de circuit magnétique utilisable.

L'actionneur 10 montré en figure 1 est constitué d'un ensemble destiné à tre monté sur la culasse 12 d'un moteur. Il comporte un boîtier constitué de plusieurs pièces 14 et 16 empilées et assemblées par des moyens non représentés, tels que des vis. Ces pièces sont en matériau non ferromagnétique, par exemple en alliage léger. Le boitier peut tre fixé sur la culasse 12 par l'intermédiaire d'une cale 20 également en matériau non ferromagnétique.

L'actionneur comporte une armature mobile en forme de palette 22. Cette armature est en matériau ferromagnétique, avantageusement feuilleté pour réduire les pertes. Elle est fixée sur une tige 24 d'entraînement de la soupape 25. En général, plusieurs soupapes sont montées côte-à-côte et on ne dispose que d'une largeur faible pour chaque actionneur dans la direction perpendiculaire à celui de la figure 1. Cela conduit à donner à la palette une forme rectangulaire. La palette ne peut pas tourner dans la pièce 16. La tige 24 peut tre guidée par une bague 26 fixée à un prolongement annulaire de la pièce 16.

Deux ressorts de rappel 28a et 28b sont prévus pour maintenir la soupape au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture. Un des ressorts 28a est comprimé entre un plateau 30 fixé à la tige 24 et le prolongement de la pièce 16. L'autre ressort 28b est comprimé entre un plateau 31 fixé à la queue de soupape et le fond du puits de soupape ménagé dans la culasse. Le jeu de distribution entre la tige levée et la soupape fermée garantit l'étanchéité.

L'actionneur peut tout aussi bien tre utilisé avec un ressort unique travaillant en traction/compression et/ou complété d'un amortisseur élastique assurant l'étanchéité à la fermeture de la soupape, comme indiqué dans le brevet français No. 98 11 670, ce qui permet de constituer la tige et la queue de soupape d'une seule pièce.

Le boîtier contient un noyau en matériau ferromagnétique 36, avantageusement feuilleté, délimitant un circuit ferromagnétique avec la palette, et une bobine 38 placée dans le noyau. Le noyau représenté peut tre en deux parties complémentaires, en appui l'une contre l'autre ou d'un seul tenant. Les tôles constitutives de chaque moitié du noyau sont en forme de E. Les branches supérieures 42 s'engagent dans la bobine 36 qu'elles supportent par l'intermédiaire d'un mandrin 44. Les deux autres branches de chaque moitié délimitent un volume de débattement de la palette.

L'appui de la palette contre le fond 46 du volume définit la position de pleine ouverture de la soupape. Le plafond 48 du volume est à un emplacement par rapport au siège de soupape tel que l'appui de l'armature n'empche pas la soupape de se fermer.

Une encoche médiane 49, correspondant à la position de repos de la palette 22, peut tre prévue dans la chambre, de longueur légèrement supérieure à l'épaisseur de la palette. En-dessus et en-dessous de l'encoche, la paroi du volume ne laisse que le jeu nécessaire au débattement pour réduire la réluctance.

L'ensemble constitué par la palette, la soupape et le ressort constitue un système oscillant ayant une fréquence propre. En régime permanent, on alimente la bobine pour amener l'équipage mobile dans sa position extrme puis sous un courant de maintien plus faible, jusqu'à ce qu'on provoque le déplacement de l'équipage mobile dans l'autre sens.

Dans un actionneur tel que représenté, la reluctance R (x) du circuit magnétique varie de façon sensiblement linéaire aussi longtemps que la valeur x d'un des entrefers est inférieure à une valeur x, qui est généralement d'environ 0,5 mm. L'inductance L (x) varie également de façon sensiblement linéaire en fonction de x lorsque 1'entrefer dépasse une valeur x2 d'environ 2 mm.

Pour mettre en oeuvre l'invention, l'actionneur comporte un circuit d'alimentation (figure 2) ayant un capteur 50 du courant i dans la bobine. La sortie est exploitée par un circuit de calcul 52 qui commande la tension appliquée par un générateur 54. Une solution commode, car elle permet des calculs numériques, consiste à échantillonner le signal i. Une fréquence d'échantillonnage de 20 kHz donnera généralement des résultats satisfaisants. Si la bobine est alimentée sous une tension u, l'inductance L (t) et la reluctance R (t) peuvent tre obtenus par un programme de calcul d'intégrale :

ou :
-r est la résistance connue de la bobine (éventuellement corrigée en fonction de la température),
-L instant To est choisi tel que L (To) *i (To) soit connu.

On choisira souvent To tel que i (To) = 0,
-n est le nombre de spires de la bobine.

Le courant est asservi, à l'aide d'une boucle de régulation, en comparant le courant i mesuré à une valeur de consigne. L'écart observé permet de corriger analogiquement la commande.

Il est avantageux d'utiliser un montage du genre illustré en figure 3, où le calculateur est constitué de plusieurs modules et règle la tension u appliquée à la bobine, sous forme d'impulsions à fréquence fixe fe, par commande d'un commutateur de puissance, constituant le générateur 54, par un modulateur de largeur d'impulsions 58. Le modulateur 58 fournit un signal de sortie périodique, à une fréquence fe de quelques dizaines de kHz ayant un rapport cyclique d'ouverture RCO.

Dans le mode de réalisation illustré, l'intégrale donnant L (t) est calculée dans un estimateur de flux total, à partir de la connaissance, au travers d'un échantillonneur-bloqueur 60, du rapport cyclique RCO (k) appliqué sur la période k d'échantillonnage, de durée Te = 1/fe et de la tension nominale
Un appliquée par le commutateur 54 :

où KO est tel que TO = KO*te
K est tel que T = K*te
La tension Un est connue par construction du circuit de commutation et n'a pas besoin d'tre nécessairement acquise en temps réel.

Le courant I représentatif de i (t) est présenté au calculateur après que l'échantillonneur-bloqueur 66 l'ait échantillonné à un instant non perturbé par les commutations du modulateur et qu'un filtre anti-repliement ait atténué les harmoniques au delà de fe/2. L'intégrale de r*i (T) est calculée numériquement par une méthode du type cumul, simple ou trapézoïdal, des surfaces d'intégration.

L et R peuvent ainsi tre calculés à des instants t successifs ; puis -Une cartographie donnant R en fonction de x et i permet de tirer x par interpolation linéaire, connaissant R et i pour x inférieur à xl.

-Une cartographie donnant L en fonction de x et i permet de tirer x par interpolation linéaire, connaissant L et i pour supérieur à x2.

Entre xl et x2, on peut estimer x par une moyenne barycentrique des interpolations linéaires à partir de R et à partir de L.

Après filtrage de la valeur estimée x de x par un filtre numérique dont la fréquence de coupure est de quelques kHz, une opération de dérivation dans un module de calcul de vitesse 65 permet d'obtenir une estimation v de la vitesse durant tout le parcours d'une transition, sans qu'il soit besoin d'un capteur spécifique. Pour un moteur d'automobile, une fréquence fe de 20 kHz et une fréquence de coupure de 75 kHz donnent généralement de bons résultats.

Avant de décrire davantage le montage représenté en figure 3, on exposera les principes adoptés pour son fonctionnement.

La comparaison de la vitesse estimée v avec un profil de vitesse de consigne déterminé par simulation et expérimentalement permet d'élaborer, au travers d'un correcteur 62, le profil de la force d'appel F (t) en réalisant un compromis entre puissance consommée et retard dans l'application des forces de correction.

Pour améliorer la maîtrise de la force F (t) appliquée, il est avantageux que la consigne de courant découle d'une boucle d'asservissement qui asservit numériquement le flux (t) contribuant à la réalisation de la force magnétique. Cette approche rend robuste la commande en force vis-à-vis des incertitudes de positionnement, en particulier pour les faibles entrefers. Ainsi, la consigne de force que calcule le correcteur 62 est traduite par un module 63 en consigne sur la grandeur du flux total (t) qui n'est autre que le flux utile à la force du flux de fuite lié à l'inductance de fuite Lf. Le flux utile Qu peut s'écrire :
(xF (t) 1/2 où a est un facteur d'échelle lié à la géométrie du circuit magnétique et déterminé par simulation et essais.

La consigne de flux total, élaborée dans un module 63, est donnée par la formule :
fc + lu. i (T) +c = fu + Lp x i (T)
Le flux de consigne 0, sera comparé au flux total estimé

Cette formule utilise des termes déjà disponibles issus de l'estimateur de position 64 et fait intervenir l'inductance de fuite Lf, déterminée par simulation et essais.

Un tel système fonctionne ainsi avec trois boucles fermées imbriquées ; la première fait intervenir la vitesse, la seconde le flux utile, et la troisième le courant i dans la bobine.

Dans le schéma de la figure 3, l'estimateur de position 64 reçoit un signal numérisé I représentant le courant i mesuré. A partir de I, du flux et de tables mémorisées R (x, i) et L (x, i), il élabore, à chaque instant d'échantillonnage à partir du début To d'un cycle, une information de position qui est transmise au module 65 de calcul de la vitesse réelle estimée. Le correcteur 62 compare le profil de vitesse réelle au profil de vitesse VC de consigne et fournit un signal représentatif de la force à exercer
F (t) au module 68 de calcul d'un flux de consigne c tenant compte de l'inductance de fuite Lf et du coefficient a. Le courant de consigne i nécessaire pour créer le flux c est calculé dans un module 72 à partir de l'écart entre , et le flux total réel estimé + (t). Ce flux total réel estimé est donné par un module 70 à partir de valeurs mémorisées r et Te, du signal représentatif du courant mesuré i, de la tension nominale du générateur et du RCO.

Le signal numérique représentant le courant de consigne est fourni au modulateur de largeur d'impulsions 58 par le convertisseur numérique analogique 60, et il compare ce signal à
I.

Le correcteur 62 peut tre prévu pour prendre en compte également, sur certaines fractions du parcours, un profil de force de consigne fc.

On trouve, sur la figure 3, les trois boucles imbriquées mentionnées plus haut :
-la boucle de courant constituée du modulateur 58, du capteur 50 et du commutateur 54 ;
-la boucle de flux, constituée de l'estimateur de flux total, du module de calcul du flux de consigne et du module 72, se refermant sur la précédente ;
-la boucle de vitesse comprenant 1'estimateur de position 64 et le module de calcul de force, se refermant sur la précédente.

Les modules peuvent tre constitués par des composants microélectroniques ou des éléments de programme.

Dans une variante de réalisation, montrée en figure 4, la boucle de courant est supprimée. Le module de calcul du courant de consigne est remplacée par un module 74 qui calcule directement
RCO (t) et l'applique au modulateur 58 qui commande les intervalles de temps d'application de la tension u.

Dans une autre variante encore, montrée en figure 5, la palette est avantageusement feuilletée et à bords biseautés parallèlement aux pôles du noyau. La tabulation de l'inductance et de la réluctance en fonction du courant et de 1'entrefer permet de retrouver avec précision la position et la vitesse de la palette du fait que l'armature n'est pas saturée magnétiquement dans sa plage de fonctionnement et que le flux se referme en passant principalement par l'armature grâce à la forme des pièces polaires du noyau.

La dissymétrie naturelle du circuit de flux supérieur par rapport au circuit de flux inférieur peut tre accentuée (pour raccourcir le temps de démarrage) en donnant des inclinaisons différentes aux surfaces polaires supérieures 80 et inférieures 82, les surfaces polaires en regard restant parallèles entre elles.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Actionneur électromagnétique de soupape comprenant une armature d'entraînement de la soupape (25), des moyens élastiques de rappel (28a, 28b) prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position déterminée, sensiblement médiane entre deux positions extrmes, dont une position de fermeture de la soupape, des moyens électro-magnétiques (38) à noyau ferro-magnétique placés des deux côtés de l'armature et un circuit d'alimentation alternée des dits moyens électromagnétiques, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comporte des moyens de calcul de la vitesse avec laquelle l'armature approche de chacune de ses positions extrmes à partir de la mesure du courant dans les moyens électromagnétiques et d'envoi dans les moyens électro-magnétiques d'un courant asservissant la variation de la dite vitesse à un profil de consigne déterminé.

2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont également prévus pour calculer de façon répétitive la valeur de l'inductance et la reluctance des moyens électro-magnétiques pendant que 1'entrefer dépasse une valeur déterminée, et le circuit d'alimentation commande un profil de variation de vitesses sur la majeure partie du parcours de 1'armature.

3. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens électro-magnétiques ont une bobine unique montée sur un circuit ferromagnétique de construction telle qu'il présente, en combinaison avec l'armature, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant l'un et l'autre à une valeur faible, généralement nulle, d'entrefer entre l'armature et le circuit ferromagnétique.

4. Actionneur selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont prévus pour déterminer l'inductance L (t) et la reluctance R (t) par calcul de :

ou :

-r est la résistance, connue, de la bobine (éventuellement corrigée en fonction de la température),

-To est tel que L (To) *i (To) soit connu,

-n est le nombre de spires des moyens électro-magnétiques.

5. Actionneur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens électro-magnétiques sont alimentés par un commutateur (54) commandés par un modulateur de largeur d'impulsions (58) qui fournit un signal de sortie périodique, à une fréquence fe de quelques dizaines de kHz ayant un rapport cyclique d'ouverture contrôlé pour annuler l'écart entre un profil de vitesse estimé v et un profil de consigne.

6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul soient prévus pour transformer la consigne de courant en consigne de flux et pour comparer le flux total créé par le courant réel estimé au flux de fuite.

7. Actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de calcul constituent une boucle de courant, une boucle de flux utile et une boucle de vitesse mutuellement imbriquées.

8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à une seule bobine, à palette feuilletée et à surfaces polaires biseautées et parallèles aux pôles du noyau.

9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour augmenter la dissymétrie naturelle du circuit de flux supérieur par rapport au circuit de flux inférieur, les surfaces polaires de la palette ont des valeurs différentes.

10. Procédé de commande de soupape, utilisant un actionneur selon la revendication 1, suivant lequel on échantillonne le courant qui parcourt les moyens électromagnétiques, on déduit du courant les variations de L (t) et R (t) par le calcul, puis les variations de l'entrefer (x) par référence à des tables mémorisées, on déduit la vitesse des variations de l'entrefer dans le temps et on commande l'application d'une tension aux moyens électro-magnétiques de façon à asservir les variations dans le temps de 1'entrefer (x) et de la vitesse (v) à un profil prédéterminé.