FR2938036A1 - Actionneur electropneumatique - Google Patents

Abstract

Actionneur électropneumatique (50) pour commander des équipements d'un moteur à combustion interne. L'actionneur électropneumatique (50) comprend un boîtier (52) logeant une chambre de travail (66) qui s'alimente en air ou dont on évacue l'air par l'intermédiaire d'une soupape (86) ainsi qu'une bobine électromagnétique (82). La chambre de travail (66) est délimitée par une membrane (74), élastique. La soupape (86) est réalisée sous forme de soupape à plateau.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un actionneur électropneumatique pour commander des équipements d'un moteur à combustion, comprenant un boîtier avec une chambre de travail qui s'alimente en air ou dont on peut évacuer l'air ou qui se ferme par l'intermédiaire d'une vanne ainsi que d'une bobine électromagnétique, la chambre de travail étant délimitée par une membrane élastique. L'invention concerne également un procédé de régulation de la position de consigne d'un tel actionneur électropneumatique. Etat de la technique On connaît le document DE 10 2006 028 015 Al concernant un actionneur pneumatique intégrant une régulation électropneumatique de position. L'actionneur électropneumatique sert à commander des équipements d'un moteur à combustion interne. L'actionneur électropneumatique comprend un boîtier logeant de manière mobile un organe de réglage. L'organe de réglage ou organe d'actionnement est associé à un tiroir de commande qui assure l'alimentation en air, l'évacuation en air ou la fermeture de la chambre de pression du boîtier en fonction de la position relative de l'organe de réglage.

Selon la solution proposée dans ce document DE 10 2006 028 015 Al, l'organe d'actionnement est creux et comprend un canal d'alimentation en air ainsi qu'un canal d'évacuation d'air. Le tiroir de commande de l'actionneur électropneumatique est précontraint par un ressort s'appuyant contre une butée de l'organe d'actionnement ou par un tiroir de régulation entourant le tiroir de commande. Le tiroir de commande est entouré par une bobine électromagnétique qui génère une force magnétique s'opposant à la force développée par le ressort en fonction du rapport de travail d'un signal PWM (signal à modulation de largeur d'impulsion) qui lui est appliqué. La bobine électromagnétique s'étend axialement, parallèlement à l'organe de réglage et comporte un

2 grand nombre de spires en cuivre ce qui se traduit à un coût de fabrication élevé et un poids important de l'actionneur pneumatique connu selon le document DE 10 2006 028 015 Al, ce qui constitue un inconvénient.

Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un actionneur électropneumatique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la soupape est une soupape à plateau. Ainsi, l'invention propose un actionneur électropneumatique comportant à la place d'un concept de soupape coulissante à manchon, le concept de soupape plateau et dans lequel à la place d'un aimant de déplacement longitudinal pour une course d'environ 20 mm et plus, utilise un électro-aimant à faible course réalisant une course de l'ordre de grandeur de quelques millimètres.

L'utilisation d'un électro-aimant à faible course, offre l'avantage que pour générer une même force magnétique, il faut beaucoup moins de cuivre et que le concept de soupape à plateau correspondant à la solution proposée par l'invention, permet une fabrication considérablement plus économique. On peut ainsi supprimer des ajutages coûteux et compliqués si l'on utilise le principe d'une soupape à plateau. De plus, l'actionneur électropneumatique selon l'invention impose des conditions beaucoup moins strictes quant à la qualité de l'air ce qui, en définitive, influence favorablement la fabrication et les exigences quant au type de filtre utilisé.

L'actionneur électropneumatique selon l'invention comporte un induit électromagnétique en forme de manchon relié à un insert de guidage par une liaison par la force. L'insert de guidage de son côté glisse coaxialement sur un tube de guidage relié solidairement et de manière étanche à l'air, avec le boîtier de l'actionneur électropneumatique. Le tube de guidage assure une dépression d'alimentation fournie par une source de dépression et maintient celle-ci jusqu'au système de soupape à plateau. L'insert de guidage monté de manière à coulisser coaxialement sur le tube de guidage est en outre relié par une liaison par la force au boîtier de soupape de l'actionneur électropneumatique.

3 Un soufflet permet d'appliquer l'air extérieur et le niveau de pression ambiant au système de soupape à plateau. L'extrémité de l'insert de guidage du côté de la soupape à plateau dans l'actionneur électropneumatique selon l'invention, est dégagée en section à l'intérieur de l'insert de guidage. Cette section dégagée est reliée par au moins un orifice transversal, par exemple en forme de perçage, à la chambre de travail de l'actionneur électropneumatique. Le boîtier de soupape de l'actionneur électropneumatique selon l'invention, comporte un ressort de rappel. Le ressort de rappel s'appuie contre une unité à membrane, délimitant la chambre de travail et au niveau d'une surface annulaire contre l'induit. Le ressort de rappel traverse la chambre de travail. En outre, un ressort de régulation est logé dans la chambre de travail. Ce ressort s'appuie d'un côté contre la soupape à plateau et de l'autre, contre l'unité à membrane.

Un plateau de soupape chargé par ressort, est logé à l'intérieur du boîtier de soupape ; à l'état d'équilibre, c'est-à-dire lorsque l'équilibre des forces s'est établi, le plateau ferme à la fois la conduite de dépression et la conduite atmosphérique. Dans l'actionneur électropneumatique selon l'invention, la régulation sur la valeur de consigne se fait sous la forme d'un signal à modulation de largeur d'impulsion avec une fréquence d'environ 300 Hz donnée comme rapport de travail prédéfini. En fonction de ce signal PWM, la bobine électromagnétique de l'actionneur électropneumatique génère une force magnétique efficace qui s'oppose à la force développée par le ressort de régulation. Suivant le cas, si la course de consigne est supérieure à la course réelle, l'air est évacué de la chambre de travail et pour cela, l'induit du circuit magnétique soulève le plateau de soupape par rapport à l'extrémité de l'insert de guidage ou en cas de course réelle dépassant la course de consigne, une évacuation d'air de la chambre de travail est faite par le boîtier de soupape qui soulève l'insert de guidage par rapport au plateau de soupape. Les opérations d'équilibrage de pression se font dans le sens de l'intégration, jusqu'à ce que l'on atteigne de nouveau l'équilibre des forces correspondant à la valeur de consigne de position respective.

4 Une régulation des grandeurs perturbatrices se fait selon l'actionneur électropneumatique de l'invention, en ce que les variations de la position réelle, c'est-à-dire pour une valeur de consigne de position constante, l'action d'une grandeur perturbatrice extérieure, se traduit par une variation de la tension du ressort de régulation et une perturbation de l'équilibre des forces de sorte qu'il y a alimentation en air ou évacuation d'air en fonction du signe algébrique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique des composants côté tubulure d'admission et tubulure des gaz d'échappement représentés schématiquement pour un moteur à combustion, - la figure 2 est une coupe longitudinale de l'actionneur électropneumatique selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une tubulure d'admission 10 dans laquelle est intégrée la partie compresseur 14 d'une installation de suralimentation 12. L'installation de suralimentation 12 réalisée de préférence sous la forme d'un turbocompresseur de gaz d'échappement, comprend également une partie de turbine 17 dont le rotor 18 vient dans la conduite des gaz d'échappement 36. La partie compresseur 14 de l'installation de suralimentation 12, comprend un rotor de compression 17 couplé au rotor de turbine 18 de la partie de turbine 17, par exemple par l'intermédiaire d'un arbre rigide. L'air frais alimentant le moteur à combustion par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 10 ou la partie compresseur 14 de l'installation de suralimentation 12, est comprimé dans la partie compresseur 14 pour arriver après passage dans un radiateur intermédiaire 20 et une installation d'étranglement 22, par une soupape d'admission 26, dans la chambre de combustion 30 d'un moteur à combustion. Au niveau de la soupape d'admission 26, la culasse du moteur à combustion comporte un injecteur de carburant 24. Des gaz d'échappement sont expulsés de la chambre de combustion 30 en passant sur une soupape d'échappement 28 lorsque le piston 32 se rapproche de son point mort haut dans la chambre de combustion 30. Les pistons 32 sont reliés à un vilebrequin monté dans 5 le carter de vilebrequin 34 schématisé à la figure 1. La conduite des gaz d'échappement 36 traversée par les gaz d'échappement, loge le rotor 18 de la partie de turbine 17 ainsi que le clapet d'évacuation 38 (Wastegate) associé à la partie de turbine 17. Le clapet d'évacuation 38 est commandé par un actionneur 40 lui-même commandé par un actionneur électropneumatique 50 (PAU). Les gaz d'échappement ayant traversé le clapet d'évacuation 38 ou la partie de turbine 17 de l'installation de suralimentation 12, passent dans une installation de gaz d'échappement 44 équipée d'un catalyseur de gaz d'échappement, de sondes Lambda et le cas échéant d'un filtre à 15 particules. La représentation de la figure 2 est une coupe longitudinale de l'actionneur électropneumatique selon l'invention. L'actionneur électropneumatique 50 selon l'invention, comprend un boîtier 52 recevant un tube de guidage 54 s'étendant dans 20 la direction axiale. Le tube de guidage 54 comporte une cavité; le tube 54 comporte en outre un branchement de dépression 58 pour appliquer une dépression pu fournie par une pompe à dépression. Un insert de guidage 56 est logé dans le tube de guidage 54, coaxialement, dans l'actionneur électropneumatique 50. Cet insert 25 de guidage 56 glisse sur la surface enveloppe du tube de guidage 54. L'insert de guidage 56 et l'induit 60 sont reliés solidairement. L'induit 60 coopère avec une bobine électromagnétique 82. La bobine électromagnétique 82 est également logée dans le boîtier 52 de l'actionneur électropneumatique selon l'invention 50 tel que représenté 30 à la figure 2. L'insert de guidage 56 comporte au moins un soufflet 96 par lequel, l'air frais filtré par le filtre 94 arrive sur le plateau 90 d'une soupape à plateau 86. L'insert de guidage 56 comporte à cet effet au moins un canal d'alimentation en air 100 par lequel l'air frais arrive sur le plateau 90 lui-même précontraint par un ressort de précontrainte 88. 35 L'insert de guidage 56 comporte sur son côté tourné vers le plateau 90

6 de la soupape à plateau 86, un décolletage ou dégagement 62, annulaire. A partir de ce dégagement annulaire dans l'insert de guidage 56, un perçage transversal 64 arrive dans la chambre de travail 66 de l'actionneur électropneumatique 50. L'alimentation en air ou l'évacuation en air de la chambre de travail 66 se font par l'intermédiaire d'au moins un perçage transversal 64. L'insert de guidage 56 comporte également un manchon 102. Entre le manchon 102 et une cloche 70 soutenant la membrane 74, se trouve un ressort de régulation 92. La cloche 70 stabilise une membrane 74 ayant des propriétés élastiques, cette membrane étant fixée par un point de fixation 76 au boîtier 52. La membrane 74 munie d'un segment de soufflet à déroulement délimite la chambre de travail 66 par son côté intérieur alors que le côté extérieur de la membrane 74 est exposé à la pression atmosphérique patm. Cette pression agit à travers une ouverture 80 du boîtier 52 de l'actionneur électropneumatique 50. Un ressort de rappel 68 s'appuie contre la cloche 70. Le manchon 102 relié par une liaison par la force à l'insert de guidage 56 et sollicité par le ressort de régulation 92 pour la régulation de position, reçoit le plateau de soupape 90 s'appuyant contre le manchon 102 sous l'effet d'un ressort de précontrainte 88. Pour être complet, il faut mentionner que la membrane 74 est fixée à la cloche 70 qui est, de son côté, reliée à une tige de membrane 72. La tige de membrane 72 peut comporter par exemple une articulation à rotule 78 permettant le débattement d'un organe d'actionnement ou de réglage déplacé en définitive par la tige de membrane 72. La bobine électromagnétique 82 est de préférence un électro-aimant à faible course. Par comparaison à un électro-aimant à course longue, pour générer une même force magnétique, un tel aimant nécessite considérablement moins de cuivre. Alors que dans le cas d'électro-aimants à course longue, on a des courses allant jusqu'à 20 mm, dans le cas d'électro-aimants à faible course, la course est de quelques mm seulement.

7 L'insert de guidage 56 reçoit la soupape à plateau 86 très robuste. Ce type de construction de la soupape évite les ajustages de précision et permet une fabrication considérablement plus avantageuse dans le cas de la soupape à plateau 86. En outre, du fait des tolérances considérablement plus importantes dans le cas d'une soupape à plateau 86, les exigences de qualité de l'air et ainsi de qualité du filtre à air 94 utilisé, seront beaucoup plus réduites. Cela permet d'utiliser des filtres à air 94 économiques, à travers lesquels l'air frais du branchement d'air frais 98 arrive dans le canal d'alimentation en air 100 de l'insert de guidage 56 monté mobile de manière axiale sur le tube de guidage 54. L'insert de guidage 56, glisse sur la surface enveloppe du tube de guidage 54 fixe. Alors que par le tube de guidage 54, une dépression pu générée par exemple par une pompe à dépression est appliquée au côté soupape du tube de guidage 54, par le branchement d'air ambiant 98, le filtre à aire 94 en amont et au moins un soufflet 96 de l'insert de guidage 56, de l'air d'alimentation arrive dans la chambre de travail 66 et sur le côté soupape, de l'insert de guidage 56. L'induit 60 est relié solidairement à l'insert de guidage 56 et le manchon 100 de la soupape à plateau 86 est relié solidairement à l'insert de guidage 56. Le ressort de rappel 68 s'appuyant contre la cloche 70 stabilisant la membrane 74 se loge également dans le boîtier 52 de l'actionneur électropneumatique 50. Il s'établit un équilibre des forces entre ces composants, entre la force développée par le ressort de régulation 92 et la force électromagnétique générée par l'alimentation de l'électro-aimant 82. Si cet équilibre des forces subsiste, le plateau 90 de soupape, chargé par ressort à l'intérieur du manchon 102, reste à l'équilibre et au moins un perçage transversal 64 servant à l'alimentation et à l'évacuation de l'air de la chambre de travail 66, reste fermé. Cela signifie qu'il règne un certain niveau de pression dans la chambre de travail 66 et ce niveau correspond à une valeur de consigne. La position de consigne que doit prendre la tige de membrane 72 de l'actionneur électropneumatique 50 de l'invention, est transmise sous la forme d'un signal à modulation de largeur

8 d'impulsion (signal PWM) sous une fréquence par exemple de 300 Hz comme rapport de travail (TV) à l'actionneur électropneumatique 50. La bobine électromagnétique 82 est ainsi alimentée par ce signal. La force électromagnétique générée par cette alimentation, s'oppose à la force développée par le ressort de régulation 92. Comme cela découle de la représentation de la figure 2, le ressort de régulation 92 traverse la chambre de travail 66, et s'appuie d'un côté contre le manchon 102 relié solidairement à l'insert de guidage 56 et l'autre, contre le côté intérieur de la cloche 70. L'équilibre des forces évoqué ci-dessus s'établit ainsi entre la force électromagnétique et la force développée par le ressort de régulation 92. Selon l'actionnement requis de la tige de membrane 72, pour une course de consigne supérieure à la course réelle actuelle, c'est-à-dire si la position de consigne se situe à gauche de la position réelle, on aura une évacuation d'air de la chambre de travail 66 de sorte que l'induit 60 déplace le manchon 102 et l'insert de guidage 56 relié à celui-ci contre le plateau de soupape 90 qui libère l'extrémité du tube de guidage 54, fixe, recevant le niveau de dépression. Dans ce cas, il y aura évacuation de l'air de la chambre de travail 66 au moins à travers le perçage transversal 64 et l'intervalle qui se forme entre le plateau de soupape 90 et le tube de guidage 54. Lors de l'évacuation de l'air de la chambre de travail 66 par au moins un perçage transversal 64, l'insert de guidage 56 reste appliqué contre le plateau 90 de la soupape à plateau 86 coaxiale, si bien qu'il ne peut y avoir de court-circuit entre la pression atmosphérique et la dépression.

Si en revanche, pour atteindre une course de consigne inférieure à la course réelle actuelle, il faut alimenter en air la chambre de travail 66, cela se fait en ce que le ressort de régulation 92 écarte le manchon 102 et l'insert de guidage 56 relié à celui-ci par rapport au plateau de soupape 90. Ce plateau est soumis à l'action du ressort de précontrainte 88 poussant le plateau 90 contre l'extrémité ouverte du tube de guidage 54 fixe. Si l'insert de guidage 56 et le manchon 102 relié à celui-ci sont écartés plus loin par le ressort de régulation 92, on aura un intervalle périphérique entre le canal de ventilation 100 et le plateau de soupape 90 de sorte que la chambre de travail 66 sera évacuée à travers l'autre perçage transversal 64.

9 Les opérations respectives d'équilibrage des pressions par rapport à la chambre de travail 66 se font dans le sens de l'intégration jusqu'à ce que l'on ait atteint de nouveau l'équilibre des forces, respectives correspondant à la position de consigne entre la force développée par le ressort de régulation 68 et la force électromagnétique générée par la bobine électromagnétique 82. L'actionneur électropneumatique 50 selon l'invention permet d'assurer une régulation des grandeurs perturbatrices en ce qu'en cas de variations à partir de la position réelle actuelle, par l'arrivée d'une grandeur perturbatrice parasite, extérieure, la valeur de consigne de position, prédéfinie restant constante, appliquée par le signal PWM et le rapport de travail correspondant exercé sur l'actionneur électropneumatique 50, cela se traduit par une variation de la précontrainte du ressort de régulation 92. Comme la variation de la tension du ressort de régulation 92 perturbe l'équilibre des forces, déjà évoqué, et qui s'était établi entre la force électromagnétique et la force de ressort selon la position de consigne prédéfinie, en fonction du signe algébrique, et de façon analogue à la régulation de la valeur de consigne décrite précédemment, il y aura soit une alimentation en air de la chambre de travail 66, soit une évacuation d'air de celle-ci. Pour l'évacuation de l'air, le plateau de soupape 90 sera de nouveau dégagé du tube de guidage 54 installé de manière fixe dans le boîtier 52 pour que la chambre de travail 66 communique par au moins un perçage transversal 64 avec la source de dépression reliée au branchement de dépression 58 au niveau du tube de guidage 54. En même temps, le plateau de soupape 90 ferme le canal d'alimentation en air 100 de l'insert de guidage 56. L'alimentation en air de la chambre de travail 66 se fait en revanche par l'intermédiaire de l'insert de guidage 56 qui se soulève du plateau de soupape 90 pour assurer l'alimentation en air dans le boîtier de soupape. L'actionneur électropneumatique 50 selon l'invention est applicable en principe à tous les actionneurs électropneumatiques. Par rapport à la figure 1, il convient de remarquer que l'actionneur électropneumatique 50 selon l'invention peut s'utiliser notamment pour 2938036 lo commander un clapet d'évacuation (Wastegate) 38 d'une installation de suralimentation 12. 5

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Actionneur électropneumatique (50) pour commander des équipements d'un moteur à combustion, comprenant : un boîtier (52) avec une chambre de travail (66) qui s'alimente en air ou dont on peut évacuer l'air ou qui se ferme par l'intermédiaire d'une vanne (86) ainsi que d'une bobine électromagnétique (82), la chambre de travail (66) étant délimitée par une membrane élastique (74), actionneur caractérisé en ce que la soupape (86) est une soupape à plateau. 2°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape à plateau (86) comporte un insert de guidage (56) coaxial à un tube de guidage (54) et mobile par rapport à celui-ci. 3°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert de guidage (56) comporte un canal de ventilation (100) par lequel la pression ambiante est appliquée contre la soupape à plateau (86), et la dépression est appliquée à la soupape à plateau (86) par l'intermédiaire du tube de guidage (54). 4°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert de guidage (56) est au moins partiellement entouré en périphérie par un manchon (102) chargé par un ressort de la soupape à plateau (86). 5°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape à plateau (86) comporte un plateau (90) qui s'appuie contre le manchon (102) par l'intermédiaire d'un ressort de précontrainte (88).356°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert de guidage (56) comporte un décolletage annulaire (62) tourné vers la soupape à plateau (86). 7°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine électromagnétique (82) coopère avec un induit électromagnétique (60) relié à l'insert de guidage (56) par une liaison par Io la force. 8°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' un insert de guidage (56) comporte au moins un soufflet (96) installé 15 entre un filtre à air (94) et un canal de ventilation (100) de la chambre de travail (66). 9°) Actionneur électropneumatique (50) selon la revendication 2, caractérisé en ce que 20 le tube de guidage (54) comporte un canal traversant, transmettant un niveau de dépression pu au plateau (90) de la soupape à plateau (86), coaxiale. 10°) Procédé de régulation de la position de consigne de l'actionneur électropneumatique (50) selon l'une au moins des revendications 1 à 9, comprenant les étapes suivantes : a) en fonction d'un signal PWM correspondant à la valeur de consigne, on alimente la bobine électromagnétique (82), b) la bobine électromagnétique (82) génère une force magnétique qui, 3o à la fin de l'alimentation en air ou de l'évacuation d'air de la chambre de travail (66), génère un équilibre des forces entre cette chambre et la force développée par un ressort de régulation (92), c) en cas de course de consigne supérieure à la course réelle actuelle, il y a évacuation d'air de la chambre de travail (66) parsoulèvement du plateau (90) de la soupape par rapport au tube de guidage (54) par l'induit (60), ou d) pour une course de consigne inférieure à la course réelle actuelle, s l'évacuation de l'air de la chambre de travail (66) se fait de façon que le boîtier de soupape soulève l'insert de guidage (56) par rapport au plateau (90), ou e) en cas de course réelle égale à la course de consigne, le plateau (90) appliqué sur l'insert de guidage (56) et le tube de guidage (54) to se traduit par la fermeture de la chambre de travail (66). Il Application de l'actionneur électropneumatique (50) selon l'une au moins des revendications 1 à 9, à la commande du clapet d'évacuation (38) d'une installation de suralimentation (12), notamment d'un 15 turbocompresseur de gaz d'échappement. 20