FR2797297A1 - Actuator for IC engine electromagnetic valves - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif d'actionnement de soupape électrodynamique La présente invention se rapporte au domaine technique des actuateurs électromagnétiques de soupapes d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne. The present invention relates to the technical field of electromagnetic actuators of intake and exhaust valves of an internal combustion engine.
Des soupapes de type champignon équipent habituellement les moteurs à combustion interne. Elles sont maintenues, au repos, dans une position fermée, au moyen de ressorts. Une came, ou tout moyen équivalent, agit contre l'action du ressort pour ouvrir la soupape, le ressort tendant à maintenir la soupape en position fermée. L'arbre à cames est relié et tourne en synchronisation avec le vilebrequin du moteur. Puisque les soupapes sont reliées au vilebrequin, la vitesse d'ouverture et de fermeture des soupapes est liée à la vitesse de rotation du vilebrequin. Mushroom type valves are usually fitted to internal combustion engines. They are held at rest in a closed position by means of springs. A cam, or equivalent means, acts against the action of the spring to open the valve, the spring tending to maintain the valve in the closed position. The camshaft is connected and rotates in synchronism with the crankshaft of the engine. Since the valves are connected to the crankshaft, the opening and closing speed of the valves is related to the rotational speed of the crankshaft.
L'utilisation d'actuateurs électromagnétiques, pour chaque soupape, permet d'obtenir des vitesses d'ouverture et de fermeture de soupapes qui peuvent être contrôlées indépendamment du régime moteur. The use of electromagnetic actuators, for each valve, makes it possible to obtain opening and closing speeds of valves which can be controlled independently of the engine speed.
Les actuateurs électromagnétiques comportent deux catégories : les actuateurs dits électromécaniques et les actuateurs dits électrodynamiques. Les actuateurs électromécaniques fonctionnent habituellement selon le principe suivant. Un plateau, constitué d'une substance ferromagnétique, est solidaire de la tige de la soupape. Ce plateau subit les forces d'attraction ou de répulsion de générateurs de champ magnétique variable qui sont montés fixes sur l'actuateur. Ces forces sont d'intensité suffisante pour provoquer le déplacement de la soupape, par l'intermédiaire du plateau qui peut venir en butée dans deux positions extrêmes, une d'ouverture et une de fermeture de la soupape, chacune proche d'un générateur. Electromagnetic actuators have two categories: so-called electromechanical actuators and so-called electrodynamic actuators. Electromechanical actuators usually operate according to the following principle. A tray, consisting of a ferromagnetic substance, is integral with the valve stem. This plate undergoes the attraction or repulsion forces of variable magnetic field generators which are fixedly mounted on the actuator. These forces are of sufficient intensity to cause the displacement of the valve, through the plate which can abut in two extreme positions, one opening and one closing of the valve, each close to a generator.
Pour optimiser les phases d'admission et d'échappement des gaz de la chambre de combustion du moteur, il est souhaitable d'obtenir des valeurs de vitesses d'ouverture et de fermeture de soupape élevées, permettant d'avoir un changement quasi instantané entre la position d'ouverture et la position de fermeture de la soupape. To optimize the intake and exhaust phases of the gases of the combustion chamber of the engine, it is desirable to obtain values of high opening and closing speeds of the valve, making it possible to have an almost instantaneous change between the open position and the closed position of the valve.
Pour obtenir des vitesses d'ouverture et de fermeture élevées, il est nécessaire d'exercer sur le plateau lié à la tige de la soupape des forces d'intensité importante, et par conséquent de pouvoir obtenir des champs magnétiques d'intensité importante. Or ces forces décroissent rapidement avec la distance séparant le plateau du générateur. L'obtention de champs magnétiques d'intensité suffisante représente des contraintes rédhibitoires pour le dimensionnement des générateurs. In order to obtain high opening and closing speeds, it is necessary to exert strong forces on the plate connected to the valve stem, and consequently to be able to obtain magnetic fields of high intensity. Now these forces decrease rapidly with the distance separating the plate of the generator. The obtaining of magnetic fields of sufficient intensity represents unacceptable constraints for the sizing of the generators.
Ce problème peut être évité par les dispositifs appelés actuateurs électrodynamiques de soupape. Dans ce type d'actuateurs, ce n'est pas un plateau, constitué d'une matière ferromagnétique, et solidaire de la tige de soupape, qui se déplace sous l'action d'un champ magnétique variable, entraînant ainsi l'ouverture et la fermeture de la soupape, c'est un conducteur traversé par un courant d'intensité variable qui se déplace dans un champ magnétique et entraîne le déplacement de la soupape. This problem can be avoided by devices called electrodynamic valve actuators. In this type of actuator, it is not a plate, constituted by a ferromagnetic material, and integral with the valve stem, which moves under the action of a variable magnetic field, thus causing the opening and closing the valve is a conductor through which a current of variable intensity moves in a magnetic field and causes the displacement of the valve.
La publication WO 97 06 356 décrit un tel dispositif. Il s'agit d'un actuateur électrodynamique comportant une bobine conductrice, transportant un courant, fixé à la tige de soupape et placée dans un entrefer fixe et se déplaçant perpendiculairement à un champ magnétique traversant l'entrefer et produit par un générateur de champ magnétique constitué par des bobines fixes. Publication WO 97 06 356 describes such a device. It is an electrodynamic actuator comprising a conductive coil, carrying a current, fixed to the valve stem and placed in a fixed gap and moving perpendicular to a magnetic field crossing the gap and produced by a magnetic field generator constituted by fixed coils.
La force électromagnétique, dite de Lorentz, s'exerçant sur la bobine résulte de l'interaction du champ magnétique et du courant. Comme l'entrefer, dans lequel se déplace la bobine est d'une part constant, et d'autre part d'épaisseur relativement faible, les forces électromagnétiques engendrées ne requièrent pas des champs magnétiques aussi importants que dans le cas d'actionneurs électromagnétiques. Le dispositif décrit dans la publication WO 97 06<B>356</B> présente les inconvénients suivants. Les moteurs à combustion interne, équipant des véhicules, exigent des temps de réponse très courts pour les soupapes. Or la présence de bobines fixes, ayant une impédance électrique élevée, pour créer le champ magnétique permanent traversant l'entrefer, empêche le passage de fortes impulsions de courant électrique dans la bobine mobile. The electromagnetic force, called Lorentz, acting on the coil results from the interaction of the magnetic field and the current. As the air gap in which the coil moves is on the one hand constant, and on the other hand of relatively small thickness, the electromagnetic forces generated do not require magnetic fields as large as in the case of electromagnetic actuators. The device described in WO 97 06 356 has the following disadvantages. Internal combustion engines on vehicles require very short response times for the valves. Or the presence of fixed coils, having a high electrical impedance, to create the permanent magnetic field passing through the air gap, prevents the passage of strong pulses of electric current in the voice coil.
De plus, le dispositif décrit dans la publication n'autorise pas la rotation de la soupape sur elle-même. Or, dans le cas des moteurs à combustion interne, une telle rotation, même d'amplitude faible, est souhaitable pour assurer la fonction d'étanchéité à la fermeture de la soupape sur son siège par effet de rodage des surfaces en contact. In addition, the device described in the publication does not allow the rotation of the valve on itself. However, in the case of internal combustion engines, such a rotation, even of small amplitude, is desirable to ensure the sealing function when closing the valve on its seat by lapping effect of the surfaces in contact.
La présente invention vise à obtenir un actuateur électrodynamique, de soupape de moteur à combustion interne, présentant une faible impédance électrique, et dans lequel la soupape est libre de tourner autour de son axe. The present invention aims to obtain an electrodynamic actuator, of an internal combustion engine valve, having a low electrical impedance, and wherein the valve is free to rotate about its axis.
Dans ce but elle propose un dispositif d'actionnement électrodynamique pour soupape à tige, d'axe D, d'un moteur à combustion interne, assurant l'ouverture et la fermeture sélective de la soupape, comportant un corps comprenant un entrefer fixe, des moyens pour générer un champ magnétique à l'intérieur dudit entrefer fixe, et un bobinage, relié à ladite soupape par des moyens de liaison, ledit bobinage étant adapté pour se déplacer dans l'entrefer fixe selon l'axe D, en entraînant ladite soupape, lorsqu'il est traversé par un courant électrique, caractérisé en ce que les moyens pour générer le champ magnétique à l'intérieur de l'entrefer fixe sont constitués par des aimants permanents. For this purpose it proposes an electrodynamic actuating device for stem valve, of axis D, of an internal combustion engine, ensuring the selective opening and closing of the valve, comprising a body comprising a fixed air gap, means for generating a magnetic field inside said fixed air gap, and a winding, connected to said valve by connecting means, said winding being adapted to move in the fixed air gap along the axis D, by driving said valve when it is crossed by an electric current, characterized in that the means for generating the magnetic field inside the fixed gap are constituted by permanent magnets.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de liaison sont conformés pour rendre la bobine solidaire de la soupape en translation selon l'axe D. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de liaison et le corps sont conformés pour permettre la rotation de la soupape. According to another characteristic of the invention, the connecting means are shaped to make the coil integral with the valve in translation along the axis D. According to another characteristic of the invention, the connecting means and the body are shaped to allow the rotation of the valve.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens intermédiaires comportent une ossature de forme tubulaire sur laquelle est monté le bobinage. According to another characteristic of the invention, the intermediate means comprise a tubular frame on which is mounted the winding.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps comporte une partie tubulaire fermée à une première extrémité et en partie ouverte à une seconde extrémité, la partie tubulaire étant réalisée, au moins en partie, dans une matière de haute perméabilité magnétique. According to another characteristic of the invention, the body comprises a tubular part closed at a first end and partly open at a second end, the tubular part being made, at least in part, in a material of high magnetic permeability.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps comprend un évidement cylindrique contenant un élément cylindrique central constitué au moins en partie par une matière de perméabilité magnétique élevée, l'élément cylindrique central et la partie tubulaire du corps définissant un évidement tubulaire faisant entrefer. According to another characteristic of the invention, the body comprises a cylindrical recess containing a central cylindrical element formed at least in part by a high magnetic permeability material, the central cylindrical element and the tubular part of the body defining a tubular recess forming an air gap .
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ossature comporte au moins une partie réalisée dans une matière de haute perméabilité magnétique. According to another characteristic of the invention, the framework comprises at least one part made of a material of high magnetic permeability.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le bobinage reste en permanence dans l'entrefer fixe pendant l'ouverture et la fermeture de la soupape. According to another characteristic of the invention, the winding remains permanently in the fixed gap during the opening and closing of the valve.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'actionnement électrodynamique comporte des moyens de mesure pour déterminer les efforts présents dans la tige de la soupape, et des moyens pour asservir le courant traversant la bobine en fonction de la valeur mesurée des efforts. According to another characteristic of the invention, the electrodynamic actuator comprises measuring means for determining the forces present in the valve stem, and means for controlling the current flowing through the coil as a function of the measured value of the forces .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'actionnement électrodynamique comporte des moyens pour mesurer les déplacements de la soupape et des moyens pour asservir le courant traversant la bobine en fonction de la valeur mesurée de déplacement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre en référence au dessin annexé dont la figure unique représente schématiquement l'architecture d'un actuateur électrodynamique conforme à l'invention. According to another characteristic of the invention, the electrodynamic actuator comprises means for measuring the displacements of the valve and means for controlling the current flowing through the coil as a function of the measured value of displacement. Other features and advantages of the invention will appear on reading the description which follows with reference to the accompanying drawing, the single figure schematically shows the architecture of an electrodynamic actuator according to the invention.
L'unique figure représente une soupape 7 à tige commandant l'entrée des gaz d'admission, ou la sortie des gaz d'échappement, dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Cette soupape 7 est montée coulissante par sa tige 2 d'axe D, dans un guide (non représenté) monté en partie dans la culasse du moteur. The single figure shows a stem valve 7 controlling inlet gas input, or exhaust gas outlet, into a combustion chamber of an internal combustion engine. This valve 7 is slidably mounted by its rod 2 of axis D, in a guide (not shown) mounted in part in the cylinder head of the engine.
L'actuateur de soupape 7 est constitué par un corps 19 se composant d'une partie tubulaire 6 fermée à sa première extrémité 17, et présentant une ouverture à sa seconde extrémité 18, la partie tubulaire 6 étant réalisée dans une matière présentant une perméabilité magnétique élevée. La partie tubulaire 6 définit un logement cylindrique intérieur, dont l'axe est sensiblement identique à celui de la soupape 7. Le corps 19 comporte un élément cylindrique central 5 placé entre deux aimants permanents 15,16, l'élément cylindrique central 5 étant constitué, comme la partie tubulaire 6, par une matière de perméabilité magnétique élevée. L'élément cylindrique central 5 et les deux aimants permanents 15,16 sont empilés dans le logement cylindrique intérieur et centrés sur l'axe D. The valve actuator 7 is constituted by a body 19 consisting of a tubular portion 6 closed at its first end 17, and having an opening at its second end 18, the tubular portion 6 being made of a material having a magnetic permeability high. The tubular portion 6 defines an inner cylindrical housing whose axis is substantially identical to that of the valve 7. The body 19 comprises a central cylindrical element 5 placed between two permanent magnets 15, 16, the central cylindrical element 5 consisting of , like the tubular part 6, by a material of high magnetic permeability. The central cylindrical element 5 and the two permanent magnets 15, 16 are stacked in the inner cylindrical housing and centered on the axis D.
Le corps 19 comprend finalement un élément cylindrique complémentaire 11, réalisé dans la même matière que la partie tubulaire 19, et placé selon l'empilement des deux aimants permanents 15,16 et de l'élément cylindrique central 5. The body 19 finally comprises a complementary cylindrical element 11, made of the same material as the tubular part 19, and placed in the stack of the two permanent magnets 15, 16 and the central cylindrical element 5.
L'empilement des deux aimants permanents 15,16 et de l'élément cylindrique central 5 délimite avec la partie tubulaire 6 un évidement tubulaire 21 d'épaisseur sensiblement constante. Cet évidement tubulaire 21 joue le rôle d'un entrefer. Il est adapté pour favoriser des valeurs élevées de champ magnétiques (par exemple supérieures à un Tesla). L'élément cylindrique complémentaire 11 définit avec la seconde extrémité 18 de la partie tubulaire 6 une ouverture tubulaire 23. The stack of the two permanent magnets 15,16 and the central cylindrical element 5 delimits with the tubular portion 6 a tubular recess 21 of substantially constant thickness. This tubular recess 21 plays the role of a gap. It is adapted to favor high magnetic field values (for example greater than a Tesla). The complementary cylindrical element 11 defines with the second end 18 of the tubular part 6 a tubular opening 23.
Le circuit magnétique ainsi défini permet la création d'un flux magnétique dont l'allure est représentée de façon schématique sur l'unique figure. The magnetic circuit thus defined allows the creation of a magnetic flux whose appearance is shown schematically in the single figure.
La tige de la soupape 2 est soudée à une tige noyau 1 pour constituer une pièce monobloc allégée et compactée. Sur la tige noyau 1 est frettée une base 3 cylindrique qui supporte une ossature tubulaire 22, elle-même, supportant un bobinage 4. Le bobinage 4 est placé dans l'entrefer 21 dans lequel il peut effectuer une translation et une rotation selon l'axe D. Les dimensions de l'ouverture tubulaire 23 permettent la translation et la rotation de l'ossature 22 selon l'axe D. The stem of the valve 2 is welded to a core rod 1 to form a single piece lightened and compacted. On the core rod 1 is fretted a cylindrical base 3 which supports a tubular frame 22, itself, supporting a coil 4. The coil 4 is placed in the gap 21 in which it can perform a translation and a rotation according to the invention. D. The dimensions of the tubular opening 23 allow the translation and rotation of the frame 22 along the axis D.
Le bobinage 4 est alimenté électriquement par des fils souples non représentés. Un calculateur électronique, non figuré, commande l'alimentation en courant de ces fils suivant des stratégies de pilotage adaptées. The winding 4 is electrically powered by unrepresented flexible wires. An electronic computer, not shown, controls the power supply of these son following appropriate control strategies.
Par passage de courant électrique à travers le bobinage 4, ce dernier se trouve soumis à une force de Lorentz perpendiculaire au courant et aux champs magnétiques et tend dans à se déplacer suivant la direction de cette force, qui n'est autre que l'axe D de la soupape 7. La force est proportionnelle à l'amplitude du champ magnétique, à l'intensité du courant traversant le bobinage 4, et à la longueur de fil parcouru par le courant dans le champ magnétique. By passing electrical current through the winding 4, the latter is subjected to a Lorentz force perpendicular to the current and the magnetic fields and tends to move in the direction of this force, which is none other than the axis D of the valve 7. The force is proportional to the amplitude of the magnetic field, to the intensity of the current flowing through the coil 4, and to the length of wire traversed by the current in the magnetic field.
L'actuateur électrodynamique selon l'invention peut comporter une butée 8 pour limiter la course de la soupape 7. Sa position est adaptée au dimensionnement du moteur. The electrodynamic actuator according to the invention may comprise a stop 8 to limit the stroke of the valve 7. Its position is adapted to the dimensioning of the motor.
Un capteur piezo électrique 12, placé au niveau de l'ossature 3, peut servir à contrôler l'effort de fermeture de la soupape 7. Il est possible d'envisager un asservissement entre l'information délivrée par ce capteur 12 et l'alimentation électrique du bobinage 4. A piezoelectric sensor 12, placed at the level of the frame 3, can be used to control the closing force of the valve 7. It is possible to envisage a servo-control between the information delivered by this sensor 12 and the power supply. electric winding 4.
De façon facultative, le dispositif selon l'invention peut comporter un ressort de rappel 24 qui sert à maintenir la soupape 7 en position fermée en l'absence de passage de courant. II augmente l'effort nécessaire à l'ouverture de la soupape 7 mais il en facilite la fermeture. Optionally, the device according to the invention may comprise a return spring 24 which serves to maintain the valve 7 in the closed position in the absence of current flow. It increases the effort required to open the valve 7 but it facilitates the closure.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant. Lors des débuts d'ouverture ou fait passer un courant adapté dans le bobinage 4 avec un sens de circulation donné pour déplacer le bobinage vers le bas. Lors de la fermeture, il suffit d'inverser le sens de passage du courant. The operation of the device according to the invention is as follows. At the beginning of opening or passed a suitable current in the winding 4 with a given direction of movement to move the winding down. When closing, simply reverse the direction of current flow.
Préférentiellement, le bobinage 4 reste, tout au long de sa course à l'intérieur de l'évidement tubulaire 21, jouant le rôle d'entrefer, ce qui permet de dimensionner l'ouverture 23 pour le passage seul de l'ossature 22. En outre, l'ossature 22 est réalisée dans un matériau présentant une perméabilité magnétique élevée afin de ne par interrompre le circuit magnétique au niveau de l'ouverture 23. La symétrie de révolution, d'axe D, du bobinage 4, de l'ossature 22, de l'ouverture 21 et de l'évidement tubulaire 21 permet la libre rotation de la soupape 7 autour de son axe D. Cette liberté de rotation assure la fonction d'étanchéité à la fermeture de la soupape sur son siège par effet de rodage des surfaces en contact. Preferably, the winding 4 remains, throughout its travel inside the tubular recess 21, acting as an air gap, which allows to size the opening 23 for the passage of only the frame 22. In addition, the frame 22 is made of a material having a high magnetic permeability so as not to interrupt the magnetic circuit at the opening 23. The symmetry of revolution, axis D, the winding 4, the frame 22, the opening 21 and the tubular recess 21 allows the free rotation of the valve 7 about its axis D. This freedom of rotation ensures the sealing function when closing the valve on its seat by effect lapping surfaces in contact.
En variante, la butée 10, qui détermine la limite de course de la soupape 7, et donc la levée de la soupape, peut se déplacer de façon à faire varier cette levée. Alternatively, the stop 10, which determines the stroke limit of the valve 7, and therefore the lifting of the valve, can move to vary this lift.
Un capteur de position 14 peut être utilisé pour diagnostiquer l'usure de soupape ou pour contrôler la position de soupape. Ce capteur permet, par ailleurs, d'envisager des levées partielles de la soupape7. II suffit pour obtenir une levée partielle de piloter l'alimentation du bobinage 4 en contrôlant la valeur du courant traversant ledit bobinage 4 en fonction de l'effort antagoniste du ressort de rappel 24, ou, lorsque ce dernier est absent, du poids de la soupape 7: L'utilisation d'aimants permanents de faible impédance électrique autorise le passage de fortes impulsions de courant électrique dans le bobinage, ce qui n'est pas envisageable lorsque des bobinages sont utilisés à la place des aimants permanents. De telles impulsions sont nécessaires pour assurer des déplacements de la soupape en un temps de réponse très court, qui est généralement inférieur à 5 ms, lors de la montée en régime du moteur. A position sensor 14 may be used to diagnose valve wear or to control the valve position. This sensor also makes it possible to envisage partial lifts of the valve7. It is sufficient to obtain a partial lift to control the supply of the winding 4 by controlling the value of the current flowing through said winding 4 as a function of the opposing force of the return spring 24, or, when the latter is absent, the weight of the valve 7: The use of permanent magnets of low electrical impedance allows the passage of strong pulses of electric current in the coil, which is not possible when windings are used in place of permanent magnets. Such pulses are necessary to ensure that the valve moves in a very short response time, which is generally less than 5 ms, when the engine is revving.
De plus, la masse mobile se composant du bobinage, de l'ossature tubulaire, de la base, de la tige noyau et de la soupape elle-même, il est possible d'obtenir une masse mobile relativement faible, ce qui implique des inerties réduites permettant des temps de réaction de la masse mobile très courts. In addition, the moving mass consisting of the coil, the tubular frame, the base, the core rod and the valve itself, it is possible to obtain a relatively low mobile mass, which implies inertia reduced allowing very short reaction times of the moving mass.
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. The present invention is not limited to the embodiment described and illustrated which has been given by way of example. On the contrary, the invention comprises all the technical equivalents of the means described and their combinations if they are carried out according to its spirit.
En particulier, l'ossature, ainsi que la base peuvent comporter des évidements afin d'en diminuer la masse et ainsi de réduire l'inertie de la partie mobile de l'actuateur.In particular, the frame and the base may include recesses to reduce the mass and thus reduce the inertia of the movable part of the actuator.
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