FR2944333A1 - Vanne comprenant un element chauffant electrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une vanne comportant un corps (6) de vanne dans lequel est fixé un guide (5) de soupape, une soupape (2) comprenant une tête (4) de soupape et une tige (3) de soupape, la tige (3) de soupape coulissant dans le guide (5) avec un jeu (8), caractérisée en ce que ladite vanne comprend un élément chauffant (11, 11') électrique pour dégrader thermiquement un dépôt (10) logé dans le jeu (8) de soupape. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant un circuit de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit de recirculation comporte une vanne selon l'invention.
Description
Vanne comprenant un élément chauffant électrique
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les dispositifs de vanne.
L'invention concerne plus particulièrement les vannes comprenant un élément chauffant.
Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro V, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOx).
Parmi les moyens mis en oeuvre pour dépolluer les gaz d'échappement, le recyclage des gaz d'échappement (EGR, pour les initiales de l'expression anglaise Exhaust Gas Recirculation) constitue, tant pour les moteurs à essence que les moteurs Diesel, une excellente méthode de réduction des émissions de NOx. Le principe de l'EGR réside dans l'introduction d'une quantité donnée de gaz d'échappement en remplacement d'une partie de l'air frais à l'admission des moteurs. Le fait de réintroduire des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur permet, par la réduction de la concentration en oxygène et de la température de combustion de limiter les réactions de formation des NOx pendant la combustion.
Classiquement, un circuit de recirculation des gaz d'échappement ou circuit EGR comprend une liaison entre le circuit d'admission et le circuit d'échappement et comporte une vanne pour réguler un débit de gaz prélevé sur le circuit d'échappement vers l'admission.
Le principal problème rencontré actuellement sur une vanne EGR est un problème d'encrassement. Les gaz qui recirculent sont chargés de suies qui favorisent les mécanismes d'encrassement (hydrocarbures imbrûlés, particules). Les suies, en refroidissant, encrasse le circuit d'admission et surtout la vanne EGR qui empêche alors la respiration du moteur, lequel perd sa puissance et son rendement. Cet encrassement de la vanne EGR intervient au niveau de l'espace entre le guide de soupape et la tige de soupape. Dans ce cas, il y a un risque de blocage du mouvement de la soupape dans son guide, et par conséquent un blocage de la soupape qui entraine un débit continu de gaz d'échappement remis en circulation et donc une baisse de la puissance du moteur.
On connait, selon le document KR2001066022, un dispositif anti-encrassement disposé dans un circuit de recirculation de gaz d'échappement en amont d'une vanne EGR. La vanne est du type à soupape coulissant dans un guide. Le dispositif comprend un fil métallique chauffant par alimentation électrique. Le fil chauffant est compris dans un filtre disposé dans le conduit de gaz d'échappement en amont de la vanne EGR. Le dispositif surveille, par des manomètres disposés de part et d'autre du filtre, la perte de charge occasionnée par l'encrassement du filtre et déclenche le chauffage des fils chauffants lorsque le filtre est considéré comme suffisamment encrassé. Cependant, un tel dispositif ne permet pas de résoudre totalement le problème du blocage de la vanne. En effet, des particules de suies fines contenues dans les gaz d'échappement peuvent encore traverser le filtre, se déposer et s'accumuler dans l'espace entre le guide de soupape et la tige de soupape, ce qui à terme peut conduire au blocage de la vanne. De plus, l'usage des manomètres rend le dispositif décrit complexe et couteux. Enfin, un tel dispositif nuit à la perméabilité du circuit EGR qui est un paramètre essentiel ayant un impact direct sur la consommation du moteur. Pour la calibration du moteur, il est important que la perméabilité du circuit EGR reste constante ce qui n'est pas le cas avec ce système.
L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un nouveau dispositif qui permet de résoudre le problème du blocage de la vanne par un encrassement au niveau de l'espace entre le guide de soupape et la tige de soupape.
L'invention concerne donc une vanne comportant un corps de vanne dans lequel est fixé un guide de soupape, une soupape comprenant une tête de soupape et une tige de soupape, la tige de soupape coulissant dans le guide avec un jeu, caractérisée en ce que ladite vanne comprend un élément chauffant électrique pour dégrader thermiquement un dépôt logé dans le jeu de soupape. Ainsi, on cible le chauffage sur la zone critique que représente l'espace entre le guide de soupape et la tige de soupape, ce qui permet un nettoyage efficace du jeu de soupape. Par ailleurs, l'invention a pour avantage supplémentaire d'être sans impact sur la perméabilité du circuit qui comprend cette vanne.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l'élément chauffant comprend un fil métallique destiné à être alimenté en courant électrique pour produire un dégagement de chaleur et une matrice céramique, le fil métallique étant noyé dans la matrice céramique, pour avoir d'une part une isolation électrique du fil métallique par la céramique, ladite céramique étant d'autre part un conducteur de chaleur efficace et résistant aux températures élevées. - la matrice céramique est à base d'oxyde de magnésium, qui présente une conductivité thermique très élevée, ce qui permet un temps de mise en température de la matrice particulièrement court. - la tige de soupape est en tungstène, matériau qui présente un faible coefficient de dilatation thermique afin d'éviter le grippage de la soupape dans son guide. - la vanne comprend un joint d'étanchéité métallique logé entre le guide et la tige de soupape, afin de supporter les cycles de chauffage et toujours assurer une bonne étanchéité.
15 - la tige de soupape comprend un perçage central débouchant afin de recevoir l'élément chauffant.
- l'élément chauffant est de forme annulaire et est logé entre le corps de vanne et le guide de soupape. En effet, cet agencement est de montage simple. l'élément chauffant comprend un rebord venant en appui sur le corps de vanne, pour venir bloquer en position l'élément chauffant dans le corps de vanne, lors de son montage en translation.
25 Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant un circuit de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit de recirculation comporte une vanne selon l'invention.
30 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : 10 20 - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention. 35 - La figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée La figure 1 illustre un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente de manière schématique une vanne 1 EGR pour moteur à combustion interne. La vanne 1 est formée d'une soupape 2 qui est constituée d'une tige 3 de soupape et d'une tête 4 de soupape, et qui, selon sa position autorise ou empêche le passage de gaz d'échappement provenant de l'échappement E vers le conduit dirigé vers l'admission A. Ce flux de gaz d'échappement est illustré par les flèches C. La vanne 1 comprend par ailleurs un mécanisme de commande de la soupape 2 non représenté ici. Le plus souvent une telle soupape 2 de vanne EGR est actionnée électriquement ou pneumatiquement et coulisse dans le guide 5 de soupape. Le guide 5 de soupape est par exemple un guide en bronze, et est monté fixe dans un corps 6 de vanne. Le corps de vanne 6 est généralement issu de fonderie d'alliage léger tel que de l'aluminium. Un joint 7 est disposé entre le guide 5 et la tige 3 de soupape pour assurer l'étanchéité et empêcher une fuite de gaz d'échappement par le jeu 8 de soupape. La tige 3 de soupape rentre dans son guide 5 et la tête 4 vient en contact avec le siège 9 de soupape en position fermée pour empêcher le passage des gaz d'échappement C du conduit E vers le conduit A. La vanne 1 EGR comprend aussi circuit 14 de refroidissement dans lequel circule un fluide de refroidissement, afin de réguler la température de la vanne 1 EGR.
La soupape 2 a pour fonction de réguler la quantité de gaz d'échappement C introduite dans les gaz d'admission, c'est-à-dire venant de E pour aller vers A. Cette régulation est obtenue par le mouvement de translation de plus ou moins grande amplitude de la soupape actionnée électriquement ou pneumatiquement.
L'introduction de gaz d'échappement dans les gaz d'admission n'est pas souhaitée pour tous les points de fonctionnement du moteur. Ainsi dans certaines situations et sous certaines conditions, il n'est pas nécessaire d'introduire des gaz d'échappement dans les gaz d'admission. Il faut alors dans ce cas fermer la soupape 2 : la tête 4 de soupape vient s'appuyer sur le siège 9 de soupape, et ce contact garantit l'étanchéité du système de vanne en empêchant toute nouvelle introduction de gaz d'échappement C dans les gaz d'admission.
Le guide 5 de soupape doit permettre un mouvement aisé de la soupape dans toutes les conditions. A cette fin, il faut que le jeu 8 de soupape soit le plus propre possible et le reste.
Comme déjà évoqué dans l'exposé, des particules de suies peuvent s'introduire dans le jeu 8 de soupape et former un dépôt 10. En effet, la vanne étant refroidie, la différence de température entre la paroi du guide 5 (de l'ordre de 200°C) et des gaz (jusqu'à 600°C) est propice au dépôt des suies. Une fois le jeu 8 comblé par les suies, il en résulte un blocage de la soupape 2 lorsque le mécanisme de commande n'est plus assez puissant pour vaincre les efforts. La vanne 1 EGR délivre alors un débit continu de gaz EGR, ce qui entraine une chute de puissance et de rendement du moteur.
Afin de prévenir l'accumulation de suies dans le jeu de soupape et la formation du dépôt 10, conformément à l'invention, la vanne 1 comprend un élément chauffant 11 électrique pour dégrader thermiquement le dépôt 10 logé dans le jeu 8 de soupape. Il est prévu dans ce premier mode de réalisation un élément chauffant 11 disposé au sein de la tige 3 de soupape.
L'élément chauffant 11 comprend un fil 15 de chauffage métallique destiné à être alimenté en courant électrique pour produire un dégagement de chaleur et une matrice 16 céramique, le fil 15 métallique étant noyé dans la matrice 16 céramique. La matrice 16 forme un cylindre dans lequel le fil 15 de chauffage est englobé. Le fil 15 de chauffage est assemblé dans la matrice 16 sous forme d'une bobine s'étendant sur tout ou partie de la longueur de la tige 3 de soupape.
Le matériau qui compose la matrice 16 est un matériau isolant électriquement, lequel est aussi un conducteur efficace de la chaleur afin de permettre une bonne diffusion de la chaleur émise par l'élément chauffant 11 vers la tige 3 de soupape et le dépôt 10 de suie. En outre, Le matériau composant la matrice 16 est susceptible de résister aux températures requises pour opérer la dégradation des suies par pyrolyse, ce qui nécessite de pouvoir résister à des températures de l'ordre de 400°C. De préférence, la matrice 16 est à base d'oxyde de magnésium. En effet ce matériau, connu pour être utilisé par ailleurs dans les bougies de préchauffage de moteur à combustion interne présente les propriétés requises d'isolation électrique, de conduction de la chaleur et de résistance aux températures élevées dans le cadre de l'invention.
La mise en forme de l'élément chauffant 11 se fait par exemple par frittage de poudre d'oxyde de magnésium autour du fil 15 de chauffage. Afin de recevoir l'élément chauffant 11, la tige 3 de soupape est creuse. De préférence, la tige de soupape comprend un perçage central débouchant afin de recevoir l'élément chauffant. Lors de la fabrication de la soupape 2 l'élément chauffant 11 est introduit dans la partie creuse de la tige 3 de soupape formé par le perçage. De préférence, le matériau de la tige 3 de soupape est en tungstène. En effet, ce métal est apte à résister aux températures demandées pour réaliser destruction par la pyrolyse des suies et est peu sujet aux dilatations thermiques, ce qui permet d'éviter le risque de grippage de la tige 3 de soupape avec le guide 5.
De préférence aussi, le joint 7 logé entre le guide 5 et la tige 3 de soupape est un joint métallique pour résister aux contraintes thermiques imposées par l'élément chauffant 11 en fonctionnement.
L'élément chauffant 11 est relié à une source électrique 12 et à une unité de contrôle électronique 13 (encore dénommé ECU) qui pilote l'alimentation électrique de l'élément résistif 11 par l'intermédiaire d'un relais 17 de puissance. De plus, l'élément chauffant 11 peut comprendre des connecteurs permettant le raccordement à l'alimentation électrique.
Ainsi dans le cas où un dépôt 10 de suie est à détruire, l'ECU 13 autorise l'alimentation électrique de l'élément chauffant 11 en activant le relais 17. Dès lors que l'élément chauffant 11 est alimenté électriquement, le fil 15 de chauffage monte rapidement en température et chauffe la matrice 16 qui par transfert de chaleur chauffe à son tour la tige 3 de soupape. Par conduction, le dépôt 10 est chauffée jusqu'à atteindre une température suffisante pour provoquer le destruction du dépôt 10 de suies en le transformant par pyrolyse en gaz, le jeu 8 de soupape est rendu propre et la soupape 2 est de nouveau libre de translater dans le guide 5 de soupape. Les gaz issus de la destruction du dépôt 10 seront évacués vers l'admission A. L'ECU interdit alors l'alimentation électrique de l'élément chauffant 11 en désactivant le relais 17.
Le décrassage du jeu 8 de soupape peut être réalisé préventivement. Dans ce cas, L'ECU 13 autorise l'alimentation électrique de l'élément chauffant 11 sur la base d'une stratégie imposée relativement à une situation de vie du moteur choisie tel que par exemple un arrêt moteur. Le décrassage du jeu 8 de soupape peut aussi être réalisé curativement. Dans ce cas, l'ECU 13 autorise l'alimentation électrique de l'élément chauffant 11 relativement à un35 écart entre une consigne de position de la soupape 2 et sa position réelle supérieur à un seuil déterminé.
La figure 2 présente un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références et ne sont pas décrits en détail.
Dans ce second mode de réalisation, il est avantageusement prévu un élément chauffant 11' de forme annulaire logé entre le corps 6 de la vanne 1 EGR et le guide 5 de soupape.
L'élément chauffant 11' comprend un fil 15 de chauffage et une matrice 16'. La matrice 16' comprend une partie 18 en forme de bague cylindrique dans lequel le fil 15 de chauffage est noyé. Le fil 15 de chauffage est assemblé dans la matrice 16' sous forme d'une bobine s'étendant sur tout ou partie de la longueur de la partie 18 de la bague cylindrique. Avantageusement, la matrice 16' peut aussi comprendre un rebord 19 destiné à venir en appui sur le corps 6 de vanne lors du montage en translation de l'élément chauffant 11' dans ledit corps 6 de vanne et arrêter la translation. Le guide 5 de soupape est monté fixe dans l'élément chauffant 11'.
Toutefois ce mode de réalisation est légèrement moins efficace que la premier mode de réalisation. En effet, l'alliage léger, par exemple à base d'aluminium, du corps 6 de vanne doit être refroidi par le circuit 14 de refroidissement pour résister aux contraintes thermique imposées par le chauffage de l'élément chauffant 11'.
Ainsi dans le cas où un dépôt 10 de suie est à détruire, l'ECU 13 autorise l'alimentation électrique de l'élément chauffant 11' en activant le relais 17. Dès lors que l'élément chauffant 11' est alimenté électriquement, le fil 15 de chauffage monte rapidement en température et chauffe la matrice 16' qui, par transfert de chaleur, chauffe à son tour le guide 5 de soupape. Par conduction, le dépôt 10 est chauffée jusqu'à atteindre une température suffisante pour provoquer le destruction du dépôt 10 de suies en le transformant par pyrolyse en gaz, le jeu 8 de soupape est rendu propre et la soupape 2 est de nouveau libre de translater dans le guide 5 de soupape.
Une telle vanne 1 trouve très bien sa place dans un circuit de recirculation de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne. En effet elle permet de fiabiliser le circuit de recirculation, d'être sans impact sur la perméabilité du circuit EGR, ce qui est au final favorable à la consommation.
Une telle vanne peut aussi être envisagée pour d'autres applications industrielles confrontées au problème d'encrassement de vanne par des dépôts de particules inclus dans le fluide qui la traverse.
Claims (9)
- Revendications1. Vanne comportant un corps (6) de vanne dans lequel est fixé un guide (5) de soupape, une soupape (2) comprenant une tête (4) de soupape et une tige (3) de soupape, la tige (3) de soupape coulissant dans le guide (5) avec un jeu (8), caractérisée en ce que ladite vanne comprend un élément chauffant (11, 11') électrique pour dégrader thermiquement un dépôt (10) logé dans le jeu (8) de soupape.
- 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément chauffant (11, 11') comprend un fil (15) métallique destiné à être alimenté en courant électrique pour produire un dégagement de chaleur et une matrice (16, 16') céramique, le fil (15) métallique étant noyé dans la matrice (16, 16') céramique.
- 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la matrice (16, 16') céramique est à base d'oxyde de magnésium.
- 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tige (3) de soupape est en tungstène.
- 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un joint (7) d'étanchéité métallique logé entre le guide (5) et la tige (3) de soupape.
- 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tige (3) de soupape comprend un perçage central débouchant afin de recevoir l'élément chauffant (11).
- 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'élément chauffant (11') est de forme annulaire et est logé entre le corps (6) de vanne et le guide (5) de soupape.
- 8. Vanne selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'élément chauffant (11') comprend un rebord (19) venant en appui sur le corps (6) de vanne.
- 9. Moteur à combustion interne comportant un circuit de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit de recirculation comporte une vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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