FR2804716A1

FR2804716A1 - Method of control of exhaust valve opening in motor vehicle internal combustion engine has solenoid operating valve driven for small initial opening movement

Info

Publication number: FR2804716A1
Application number: FR0001492A
Authority: FR
Inventors: Cedric Morin
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2001-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: EP1138884A1; FR2804716B1; EP1138884B1

Abstract

The method uses a solenoid operated valve with a stem having a cross plate moving in a gap between two solenoids with end stop control springs. The method involves forming a low gas pressure (curve a) in the cylinder via an initial opening (b) of the valve, without having complete opening (c). The initial opening movement of the valve can be performed entirely by one coil spring.

Description

La présente invention est relative à un procédé de commande de l'ouverture d'une soupape d'échappement pour un moteur distribution électromécanique. The present invention relates to a method of controlling the opening of an exhaust valve for an electromechanical distribution motor.

La mise en oeuvre d'un actionneur électromécanique pour provoquer les mouvements d'ouverture et de fermeture des soupapes dans un moteur à combustion interne, afin de réaliser l'admission<B>et/ou</B> l'échappement des produits de combustion dans les cylindres de ce moteur, constitue une technologie particulièrement bien adaptée, permettant d'obtenir des gains significatifs en ce qui concerne la consommation en carburant du moteur et ses performances, en réduisant en outre la pollution par les gaz brûlés rejetés dans l'atmosphère. The implementation of an electromechanical actuator to cause the opening and closing movements of the valves in an internal combustion engine, in order to achieve the admission <B> and / or </ B> the exhaust of the products of combustion in the cylinders of this engine, is a particularly well-suited technology, to obtain significant gains in terms of engine fuel consumption and performance, while also reducing pollution by the flue gas discharged into the engine. atmosphere.

De tels actionneurs électromécaniques permettent en particulier d'obtenir un ajustement variable des angles, c'est-à-dire des instants d'ouverture et de fermeture de chaque soupape en fonction des conditions d'utilisation du moteur, notamment pour optimiser le rendement energétique de celui-ci. Such electromechanical actuators allow in particular to obtain a variable adjustment of the angles, that is to say the opening and closing times of each valve depending on the conditions of use of the engine, in particular to optimize the energetic efficiency of it.

I1 est également connu d'utiliser, de façon plus perfectionnée pour constituer un tel actionneur, un ensemble électromagnétique associé à chaque tige de soupape. It is also known to use, in a more sophisticated manner to constitute such an actuator, an electromagnetic assembly associated with each valve stem.

De manière résumée à ses éléments essentiels, cet ensemble comporte, associés à la tige de soupape, un ou plusieurs enroulements électromagnétiques définissant un entrefer dont la distance est sensiblement egale à la course de la tête de la soupape, la tige étant solidaire d'un plateau transversal en matériau magnétique, logé dans l'entrefer, de sorte que, selon le courant qui traverse le ou les enroulements, ce plateau soit attiré d'un côté ou de l'autre, de sorte que la soupape passe de sa position d'ouverture à celle de sa fermeture, le plateau oscillant de part et d'autre d'une position d'équilibre intermédiaire. Summarily to its essential elements, this assembly comprises, associated with the valve stem, one or more electromagnetic windings defining an air gap whose distance is substantially equal to the stroke of the valve head, the rod being secured to a valve. transverse plate of magnetic material, housed in the air gap, so that, depending on the current flowing through the winding or windings, this plate is attracted to one side or the other, so that the valve passes from its position d opening to that of its closure, the swash plate on either side of a position of intermediate equilibrium.

on notera que, le plus souvent, la soupape est commandée par deux électroaimants. Cependant, on connaît des systèmes permettant d'obtenir le même résultat avec un seul enroulement, grâce une géométrie particulière de l'armature de l'électroaimant correspondant. it will be noted that, most often, the valve is controlled by two electromagnets. However, there are known systems for obtaining the same result with a single winding, thanks to a particular geometry of the armature of the corresponding electromagnet.

La tige de soupape est également associée à des ressorts travaillant respectivement et simultanément en compression et en extension ou vice versa selon le cas, en particulier selon le sens de déplacement de cette tige de soupape, à l'ouverture ou à la fermeture, l'effet de ces ressorts s'ajoutant à celui de la force d'attraction électromagnétique exercée sur le plateau transversal. The valve stem is also associated with springs respectively working and simultaneously in compression and extension or vice versa as the case may be, in particular in the direction of movement of this valve stem, at the opening or closing, the effect of these springs in addition to that of the electromagnetic attraction force exerted on the transverse plate.

En jouant sur l'intensité du courant dans le ou les enroulements, on peut ainsi, de manière simple, ajuster la vitesse de la tige de soupape dans sa course et la faire varier en fonction des besoins. By adjusting the intensity of the current in the winding or windings, it is thus possible, in a simple manner, to adjust the speed of the valve stem in its stroke and to vary it as needed.

Les Figures la, lb et 1c illustrent schématiquement un dispositif connu de ce genre. Figures 1a, 1b and 1c schematically illustrate a known device of this kind.

Sur ces figures, représentent en élévation le dispositif de commande précité, la référence 1 désigne une tige illustrée en position verticale qui comporte à son extrémité inférieure une tête de soupape 2 et à son extrémité opposée une portée d'appui 3 pour un ressort 4, monté entre cette portée et une butée fixe 5. In these figures, represent in elevation the aforementioned control device, the reference 1 designates a rod illustrated in a vertical position which comprises at its lower end a valve head 2 and at its opposite end a bearing surface 3 for a spring 4, mounted between this seat and a fixed stop 5.

La tige 1 comporte du côté de la tête de soupape 2 une autre portée d'appui 6 pour un second ressort 7, monté entre cette portée et un guide fixe 8 présentant un alésage traversant 9 dans lequel coulisse, selon un mouvement de va-et-vient, l'extrémité correspondante de la tige 1. The rod 1 comprises on the side of the valve head 2 another bearing surface 6 for a second spring 7, mounted between this seat and a fixed guide 8 having a through bore 9 in which slides, in a movement of va-and -vient, the corresponding end of the rod 1.

Cette tige est par ailleurs équipée, entre les portées d'appui. 3 et 6 des ressorts 4 et 7, d'un plateau transversal 10 qui, si la tige est verticale, s'étend horizontalement, ce plateau étant monté dans un entrefer 11 ménagé entre deux électroaimants, respectivement 12 et 13, chacun de ces électroaimants comportant une culasse 14 en matériau magnétique et un enroulement électrique 15, de sorte que le passage d'un courant dans les enroulements des deux électroaimants provoque sur le plateau 10 un effet d'attraction par l'un de ces électroaimants et de répulsion par l'autre, la tête de soupape 2 oscillant ainsi entre deux positions où le plateau est au contact de l'un ou de l'autre des électroaimants. This rod is also equipped between the support surfaces. 3 and 6 of the springs 4 and 7, a transverse plate 10 which, if the rod is vertical, extends horizontally, this plate being mounted in a gap 11 formed between two electromagnets, respectively 12 and 13, each of these electromagnets comprising a yoke 14 of magnetic material and an electric winding 15, so that the passage of a current in the windings of the two electromagnets causes on the plate 10 an attraction effect by one of these electromagnets and repulsion by the the other, the valve head 2 thus oscillating between two positions where the plate is in contact with one or the other of the electromagnets.

La Figure la illustre la position d'equilibre de l'ensemble ainsi envisagé, dans laquelle le plateau 10 est sensiblement au milieu de l'entrefer 11 entre les deux electroaimants 12 et 13, la Figure 1b représentant la position où ce plateau s'est déplacé pour être au contact de l'électroaimant 12 et la Figure 1c celle où, à l'inverse, le plateau est appliqué contre l'électroaimant Au cours des déplacements du plateau 10, de part et d'autre de sa position d'équilibre intermédiaire, les ressorts 4 et 7 se sont respectivement contractés ou étirés, ou inversement, les deux positions atteintes par la tête de soupape, représentées sur les figures lb et 1c, correspondant pour la première à celle où la soupape est supposée fermée en s'appliquant sur un siège (non représenté) et pour la seconde à celle où la soupape est ouverte. FIG. 1a illustrates the equilibrium position of the assembly thus envisaged, in which the plate 10 is substantially in the middle of the gap 11 between the two electromagnets 12 and 13, FIG. 1b representing the position where this plate was displaced to be in contact with the electromagnet 12 and Figure 1c where, conversely, the plate is applied against the electromagnet During the movements of the plate 10, on either side of its equilibrium position intermediate, the springs 4 and 7 are respectively contracted or stretched, or conversely, the two positions reached by the valve head, shown in Figures lb and 1c, corresponding for the first to that where the valve is supposed to be closed in s' applying to a seat (not shown) and for the second to that where the valve is open.

Le fonctionnement d'un tel ensemble actionneur est relativement simple, les moyens nécessaires pour faire osciller le plateau 10 porté par la tige 1 de part et d'autre de sa position d'équilibre ne présentant pas de difficultés majeures pour être réalisés industriellement. The operation of such an actuator assembly is relatively simple, the means necessary to oscillate the plate 10 carried by the rod 1 on either side of its equilibrium position does not present major difficulties to be achieved industrially.

D'autres perfectionnements à ce dispositif connu ont été par ailleurs décrits et revendiqués dans la demande de brevet français n 99 09618 du 23 juillet 1999 pour un "Dispositif de contrôle et de limitation d'impact pour un actionneur électromécanique", et également dans la demande 00 01321 du 2 février 2000 pour un "Dispositif pour contrôler et réduire la vitesse d'impact d'un actionneur électromécanique", l'une et l'autre au nom de la demanderesse, en vue notamment de limiter le bruit créé par le plateau qui est accéléré en fin de course et qui présente de ce fait, au moment de l'impact final sur l'électroaimant lorsque la soupape s'ouvre ou se ferme, une vitesse relativement élevée. Mais si ces réalisations d'un actionneur électromécanique sont satisfaisantes pour atteindre le but plus spécialement visé lorsqu'il s'agit d'une soupape d'admission, en particulier pour obtenir le maintien de cette soupape dans ses positions extrêmes, ouverte ou fermée, grâce à la fourniture à l'électroaimant de l'énergie nécessaire pour assurer la compensation des frottements du mécanisme, elles se heurtent à un inconvénient lorsqu'il s'agit de commander une soupape d'échappement. Other improvements to this known device have also been described and claimed in the French patent application No. 99 09618 of July 23, 1999 for a "control device and impact limitation for an electromechanical actuator", and also in the application 00 01321 of 2 February 2000 for a "Device for controlling and reducing the impact velocity of an electromechanical actuator", both in the name of the applicant, in particular to limit the noise created by the plateau which is accelerated to the end of the race and which therefore, at the time of the final impact on the electromagnet when the valve opens or closes, a relatively high speed. But if these achievements of an electromechanical actuator are satisfactory to achieve the purpose more specifically referred to when it is an intake valve, in particular to obtain the maintenance of this valve in its extreme positions, open or closed, by providing the electromagnet with the energy necessary to compensate for the friction of the mechanism, they come up against a disadvantage when it comes to controlling an exhaust valve.

En effet, pour ouvrir celle-ci, il est nécessaire de lutter contre la pression des gaz brûlés dans le cylindre, qui produisent un effort sur la soupape et la ralentissent de manière d'autant plus importante que cette pression est plus élevée, donc que le couple délivré le moteur est plus important. Indeed, to open it, it is necessary to fight against the pressure of the burnt gases in the cylinder, which produce a force on the valve and slow down so much more important that this pressure is higher, so that the torque delivered the motor is more important.

I1 en résulte que le travail mécanique à fournir par l'électroaimant pour permettre la capture, c'est-à-dire l'immobilisation en position extrême ouverte de la tête de la soupape augmente proportionnellement la pression des gaz. Or, le seul moyen d'augmenter ce travail est de produire un effort plus important pendant un temps plus long, ce qui revient à accroître le courant dans l'enroulement de l'électroaimant. As a result, the mechanical work to be provided by the electromagnet to allow capture, that is to say the immobilization in the open end position of the valve head proportionally increases the pressure of the gases. However, the only way to increase this work is to produce a greater effort for a longer time, which amounts to increasing the current in the winding of the electromagnet.

I1 en résulte également que la puissance consommée par cet enroulement augmente rapidement avec la pression des gaz dans le cylindre du moteur, ce qui a des conséquences immédiates sur l'importance des moyens à mettre en oeuvre pour assurer le refroidissement de cet enroulement et conduit à une consommation électrique plus élevée et à un coût de fabrication également plus important. It also results that the power consumed by this winding increases rapidly with the pressure of the gases in the cylinder of the engine, which has immediate consequences on the importance of the means to implement to ensure the cooling of this winding and leads to higher power consumption and a higher manufacturing cost.

Enfin, on peut souligner que le travail mécanique que l'actionneur est susceptible de fournir n'est pas illimité, ce qui restreint en partie le domaine de fonctionnement du moteur. Finally, it can be emphasized that the mechanical work that the actuator is capable of providing is not unlimited, which partially restricts the operating range of the motor.

Diverses solutions ont déjà été proposées pour atténuer les inconvénients ainsi exposés, ces solutions visant à augmenter la taille de l'actionneur, avec comme corollaire un accroissement du refroidissement nécessaire, ou inversement, à diminuer la dimension des soupapes d'échappement pour réduire les efforts dûs à la pression du gaz, ce qui s'effectue au détriment des performances du moteur. Various solutions have already been proposed to mitigate the disadvantages thus exposed, these solutions to increase the size of the actuator, with the corollary increase in the necessary cooling, or conversely, to reduce the size of the exhaust valves to reduce the forces due to the pressure of the gas, which is done at the expense of engine performance.

On peut également créer une dissymétrie dans la répartition et la forme des soupapes d'échappement afin de pouvoir ouvrir plus facilement une petite soupape puis une soupape plus importante pour conserver la section efficace de passage des gaz. Toutefois, cette solution amène à modifier la forme de la chambre de combustion et à accroître la masse des pistons pour pouvoir y ménager les embrèvements nécessaires, ce qui là encore augmente le prix de revient. It is also possible to create an asymmetry in the distribution and the shape of the exhaust valves in order to be able to open more easily a small valve then a larger valve to keep the cross section of passage of the gases. However, this solution leads to change the shape of the combustion chamber and to increase the mass of the pistons to be able to provide the necessary recesses, which again increases the cost.

La présente invention a pour objet un procédé de commande d'ouverture d'une soupape d'échappement à l'aide d'un actionneur électromécanique du genre décrit ci-dessus, qui pallie ces inconvénients. The present invention relates to a method of controlling the opening of an exhaust valve using an electromechanical actuator of the type described above, which overcomes these disadvantages.

Selon l'invention, le procédé de commande considéré, pour l'ouverture d'une soupape d'échappement soumise en permanence à l'effet d'un ressort de poussée, se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser une décompression du gaz dans le cylindre grâce à une ouverture préalable ou "pilote" de cette soupape, avant ne soit réalisée une ouverture complète ou "principale" Selon l'art antérieur, l'ouverture de la soupape d'échappement se fait d'abord sous l'action seuls ressorts puis on alimente le ou les électroaimants pour amener capturer la soupape en position pleine ouverture : bien que du gaz ait commencé à s'échapper, la pression reste relativement élevée, ce qui provoque les inconvénients mentionnés ci-dessus. According to the invention, the control method considered, for the opening of an exhaust valve subjected permanently to the effect of a thrust spring, is characterized in that it consists in performing a decompression of the gas in the cylinder through a prior opening or "pilot" of this valve, before is performed a complete opening or "main" According to the prior art, the opening of the exhaust valve is first under the action only springs and then feeds the electromagnet (s) to cause capture the valve in full open position: although gas has begun to escape, the pressure remains relatively high, which causes the disadvantages mentioned above.

Selon l'invention, on réalise d'abord une ouverture pilote au cours de laquelle la soupape s'ouvre et se ferme sous l'action des seuls ressorts, puis une ouverture dite "ouverture principale" qui se déroule pratiquement comme les ouvertures classiques, avec cette fois capture de la soupape en position de pleine ouverture. Ainsi, lors de l'ouverture pilote, la soupape n'atteint pas sa position de pleine ouverture et n'est pas capturée dans cette position. cependant, les gaz s'échappant pendant toute la durée de l'ouverture pilote, puis au début de l'ouverture principale, la pression résiduelle est beaucoup plus faible que dans l'art antérieur lorsqu'on alimente l'électroaimant et la consommation d'énergie est plus faible. According to the invention, a pilot opening is first made in the course of which the valve opens and closes under the action of the only springs, then an opening called "main opening" which unfolds practically like conventional openings, with this time capture of the valve in full open position. Thus, during the pilot opening, the valve does not reach its fully open position and is not captured in this position. however, the gases escaping for the duration of the pilot opening, and then at the beginning of the main opening, the residual pressure is much lower than in the prior art when feeding the electromagnet and the power consumption. energy is lower.

Le procédé selon l'invention n'exige donc pour sa mise en oeuvre qu'une très faible dépense d'énergie globale, le travail mécanique absorbé par les gaz dans le cylindre étant minimal et en partie compensé par le fait que, lors de l'ouverture pilote, on n'alimente pas l'électroaimant pour capturer la soupape en position ouverte. The process according to the invention therefore requires, for its implementation, only a very small overall energy expenditure, the mechanical work absorbed by the gases in the cylinder being minimal and partly compensated by the fact that, when pilot opening, it does not power the electromagnet to capture the valve in the open position.

I1 n'est donc plus nécessaire de surdimensionner l'actionneur ou d'accroître l'intensité du courant dans l'enroulement, du fait de la réduction de l'effort résistant dû aux gaz, en raison de la décompression créée dans le cylindre. It is therefore no longer necessary to oversize the actuator or to increase the intensity of the current in the winding, because of the reduction of the resistance force due to the gases, due to the decompression created in the cylinder.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'ouverture pilote de la soupape d'échappement est obtenue exclusivement par le ressort de l'actionneur. In a preferred embodiment of the invention, the pilot opening of the exhaust valve is obtained exclusively by the spring of the actuator.

Selon diverses variantes, l'ouverture pilote puis l'ouverture principale sont réalisées sur la même soupape d'échappement ou bien ces ouvertures sont effectuées sur deux soupapes différentes du même cylindre. Egalement, l'ouverture pilote et l'ouverture principale peuvent être réalisées alternativement, d'un cycle sur l'autre, sur une même soupape d'échappement afin de répartir la dissipation thermique. According to various variants, the pilot opening and then the main opening are made on the same exhaust valve or these openings are made on two different valves of the same cylinder. Also, the pilot opening and the main opening can be performed alternately, from one cycle to another, on the same exhaust valve to distribute the heat dissipation.

Si la même soupape est utilisée pour réaliser l'ouverture pilote et l'ouverture principale, il n'est pas indispensable, selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, de capturer cette soupape en position de fermeture entre les deux ouvertures, mais seulement d'alimenter l'enroulement pendant une fraction de temps juste nécessaire pour entretenir une oscillation de la soupape, suffisante pour réaliser l'ouverture principale il suffit de ' redonner de la vitesse, au cours de son mouvement de retour, sans atteindre nécessairement la position de fermeture, mais une position où, si on coupe le courant, les ressorts l'entraînent à nouveau dans le sens de l'ouverture Selon le cas, l'ouverture principale peut être réalisée avant ou après la fin de l'ouverture pilote. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, schématisé par le diagramme illustré sur la Figure 2 du dessin annexé, qui porte en abscisses une échelle de temps, et qui représente en ordonnées, la fois la pression du gaz dans le cylindre et la position de la ou des soupapes d'échappement. If the same valve is used to make the pilot opening and the main opening, it is not essential, according to another characteristic of the method of the invention, to capture this valve in the closed position between the two openings, but only to feed the winding for a fraction of time just necessary to maintain an oscillation of the valve, sufficient to achieve the main opening it is enough to 'give speed, during its return movement, without necessarily reaching the closing position, but a position where, if the current is cut, the springs again drive it in the opening direction. Depending on the case, the main opening can be made before or after the end of the pilot opening. . The invention will be better understood with the aid of the example of implementation of the method of the invention, diagrammatically represented by the diagram illustrated in FIG. 2 of the appended drawing, which carries a time scale on the abscissa, and which represents on the ordinate, both the pressure of the gas in the cylinder and the position of the exhaust valve or valves.

on voit ainsi que lors de l'ouverture pilote, schématisée par la courbe (a), la pression des gaz dans le cylindre, représentée par la courbe (b), chute rapidement, permettant de réaliser dans les conditions mentionnées plus haut l'ouverture principale de la même ou d'une soupape différente, cette ouverture principale correspondant à la courbe (c). it is thus seen that during the pilot opening, schematized by the curve (a), the pressure of the gases in the cylinder, represented by the curve (b), drops rapidly, making it possible to achieve, under the conditions mentioned above, the opening of the same or a different valve, this main opening corresponding to the curve (c).

Bien entendu, ce diagramme ne correspond qu'à un mode de réalisation particulier et se différencie nécessairement d'une variante à l'autre, le recoupement des courbes (a) et (c) pouvant être différent. Of course, this diagram only corresponds to a particular embodiment and is necessarily different from one variant to another, the intersection of curves (a) and (c) may be different.

Dans le cas où le moteur comporte plusieurs soupapes d'échappement pour chaque cylindre, lorsque ces soupapes réalisent alternativement l'ouverture pilote et l'ouverture principale, l'énergie moyenne dissipée dans les enroulements des actionneurs correspondants, nécessaire à la commande de la soupape réalisant l'ouverture principale, est moitié de celle qui correspond à la solution utilisant une soupape unique, en permanence dédiée à cette ouverture principale. In the case where the engine comprises several exhaust valves for each cylinder, when these valves alternately perform the pilot opening and the main opening, the average energy dissipated in the windings of the corresponding actuators, necessary for the control of the valve realizing the main opening, is half of that which corresponds to the solution using a single valve, permanently dedicated to this main opening.

Dans tous les cas, l'énergie nécessaire est notablement plus faible que dans la solution classique, ce qui réduit l'effort à vaincre du fait des gaz d'échappement, restreint considérablement la consommation électrique nécessaire et l'échauffement des actionneurs, ces trois facteurs permettant de limiter l'encombrement, le poids et le coût du mécanisme en simplifiant en outre son implantation dans la culasse.In all cases, the energy required is significantly lower than in the conventional solution, which reduces the effort to be overcome because of the exhaust gas, considerably reduces the power consumption required and the heating of the actuators, these three factors making it possible to limit the size, weight and cost of the mechanism by further simplifying its implantation in the cylinder head.

Claims

1 - A method for controlling the opening of a exhaust valve of the combustion gas, provided on a cylinder of an internal combustion engine, by means of an electromechanical actuator comprising a control rod (1) carrying a transverse plate (10) moving in a gap (11) delimited by one or more electromagnets (12, 13) alternately attracting the plate in combination with a force created by opposing springs (4, 7) acting on the rod, plateau oscillatingly moving from a position of equilibrium intermediate between two end positions in which it comes into contact with an electromagnet, characterized in that it consists in decompressing the gas in the cylinder by means of a prior opening or "pilot" of this valve, before a complete opening or "main" 2 - Process according to claim 1, characterized in that, when from the pilot opening, the valve does not reach its full open end position. 3 - Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pilot opening of the exhaust valve is obtained exclusively by the spring of the actuator. 4 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the pilot opening and the main opening are made on the same exhaust valve. 5 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the pilot opening and the main opening are made on two different valves of the same cylinder. 6 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the pilot opening and the main opening are performed alternately from one cycle to another on the same exhaust valve. 7 - Process according to claim 4, characterized in that it feeds the winding of the electromagnet for a fraction of time just necessary to maintain an oscillation of the valve, sufficient to achieve the main opening. 8 - Process according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the main opening is made before or after the end of the pilot opening.