FR3082909A1 - Vanne avec un palier a billes et ligne d'echappement comprenant une telle vanne - Google Patents

Vanne avec un palier a billes et ligne d'echappement comprenant une telle vanne Download PDF

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Abstract

La vanne (1) comprend : - un corps de vanne (3), délimitant intérieurement un passage (5) de circulation d'un fluide ; - un arbre (13) d'entraînement; - un palier (15) de guidage en rotation de l'arbre d'entraînement (13), comprenant une chambre (17) entourant un segment (19) de l'arbre d'entraînement (13), et une pluralité de billes (21) remplissant la chambre (17), les billes (21) étant libres à l'intérieur de la chambre (17), la chambre (17) étant entièrement remplie de billes (21) et les billes (21) étant au contact de l'arbre d'entraînement (13) le long de tout ou partie du segment (19).

Description

Vanne avec un palier à billes et ligne d’échappement comprenant une telle vanne
L’invention concerne en général les vannes, notamment les vannes pour lignes d’échappement.
Certaines lignes d’échappement comportent des vannes, agencées le long des conduits dans lesquels circulent les gaz d’échappement. De telles vannes permettent par exemple de moduler la quantité de gaz d’échappement recyclés vers l’aspiration des chambres de combustion, de dévier une partie des gaz d’échappement vers un échangeur récupérateur de chaleur, ou encore d’obturer entièrement ou partiellement une partie ou sous-partie de la ligne d’échappement à des fins acoustiques ou de régulation de la contrepression, dans le cas de désactivation de cylindres du moteur
Le flux de gaz d’échappement est pulsé, quand le moteur est un moteur thermique à explosion. La pulsation des gaz dépend d’un grand nombre de facteurs. Elle est fonction du nombre de cylindres du moteur. L’agencement du collecteur captant les gaz d’échappement sortant des chambres de combustion du moteur influence le mélange des gaz provenant de chaque cylindre, et détermine ainsi la signature de la pulsation des gaz. Par ailleurs, les volumes filtrants tels que les catalyseurs ou les filtres à particules atténuent la pulsation des gaz. Enfin, la vitesse et la charge du moteur déterminent respectivement la fréquence et l’amplitude de la pulsation des gaz.
Les vannes de type papillon sont particulièrement sensibles à la pulsation des gaz. En effet, ces vannes comportent typiquement un volet fixé à un arbre rotatif guidé par un ou plusieurs paliers. De manière à permettre un montage aisé de l’arbre dans le ou les paliers et à réduire le coefficient de friction, il est généralement prévu un interstice entre le diamètre extérieur de l’arbre et le diamètre intérieur du palier.
Le volet est placé dans le flux de gaz d’échappement. Le volet et l’arbre sont ainsi exposés à une force variable, pulsée, dont la fréquence est proportionnelle à la fréquence de pulsation des gaz. Cette force génère un mouvement de va-et-vient de l’arbre à l’intérieur du palier, transversalement, qui dans certains cas crée un bruit de claquement. Ce bruit de claquement peut être entendu par l’utilisateur du véhicule et dégrade la qualité perçue par l’utilisateur. Ceci n’est pas acceptable, notamment dans le segment des véhicules premium.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une vanne qui ne présente pas le défaut ci-dessus.
A cette fin, l’invention selon un premier aspect porte sur une vanne comprenant :
- un corps de vanne, délimitant intérieurement un passage de circulation d’un fluide ;
- un volet logé dans le corps de vanne ;
- un arbre d’entraînement en rotation du volet par rapport au corps de vanne, le volet étant fixé à l’arbre d’entraînement ;
- un palier de guidage en rotation de l’arbre d’entraînement, comprenant une chambre entourant un segment de l’arbre d’entraînement, et une pluralité de billes remplissant la chambre, les billes étant libres à l’intérieur de la chambre, la chambre étant entièrement remplie de billes et les billes étant au contact de l’arbre d’entraînement le long de tout ou partie du segment.
Ainsi, du fait que la chambre est entièrement remplie de billes, et que les billes sont au contact de l’arbre d’entraînement le long de tout le segment, les oscillations transversales de l’arbre d’entraînement sont empêchées par les billes. Les billes bloquent le déplacement du segment de l’arbre d’entraînement par rapport au palier. De ce fait, le bruit de claquement est supprimé.
En revanche, les billes n’empêchent pas la rotation de l’arbre d’entraînement sur lui-même. Elles se comportent comme un liquide visqueux ou comme du sable finement divisé.
L’avantage par rapport à un liquide visqueux est que les billes sont suffisamment grosses pour ne pas s’échapper de la chambre le long de l’arbre, de telle sorte qu’il n’est pas nécessaire de prévoir un dispositif d’étanchéité coûteux.
La vanne peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques cidessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la chambre est délimitée par une paroi périphérique entourant le segment de l’arbre d’entraînement, la paroi périphérique étant séparée radialement du segment de l’arbre d’entraînement par un écartement radial présentant un minimum, les billes étant de diamètre inférieur ou égal audit minimum, de préférence inférieure à 50% dudit minimum, de manière plus préférentielle inférieure à 25% dudit minimum ;
- la chambre est délimitée longitudinalement d’un premier côté par une première paroi, longitudinalement d’un second côté opposé au premier par une seconde paroi, la chambre contenant une quantité de billes choisie telle que les billes sont en contact permanent à la fois avec la première paroi, la seconde paroi et l’arbre d’entraînement ;
- le palier de guidage comprend un corps de palier délimitant intérieurement une cavité, la première paroi étant une paroi fixe définie par le corps de palier, la seconde paroi étant une paroi mobile le long de l’arbre d’entraînement et placée dans la cavité ;
- le palier de guidage comprend un moyen élastique sollicitant les première et seconde parois longitudinalement l’une vers l’autre ;
- la paroi fixe délimite la chambre vers le corps de vanne, le moyen élastique étant interposé entre la paroi mobile et une autre paroi fixe définie par le corps de palier et délimitant le corps de palier à l’opposé du corps de vanne ;
- l’arbre d’entraînement traverse la première paroi et/ou la seconde paroi respectivement par un premier orifice et/ou un second orifice ménagés dans lesdites parois ;
- l’arbre d’entraînement est séparé de bords respectifs des premier et/ou second orifices par des interstices de largeur inférieure à la taille des billes.
Selon un second aspect, l’invention porte sur une ligne d’échappement comprenant une vanne ayant les caractéristiques ci-dessus, dans laquelle le fluide circulant dans le corps de vanne est constitué de gaz d’échappement.
Selon un troisième aspect, l’invention porte sur un véhicule comprenant un moteur thermique et une ligne d’échappement ayant les caractéristiques ci-dessus, raccordée fluidiquement à des sorties de gaz d’échappement du moteur thermique.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d’une vanne selon l’invention ; et
- la figure 2 est une vue en perspective et en coupe partielle du palier inférieur de la vanne.
La vanne 1 représentée sur la figure 1 est destinée typiquement à être intercalée dans une ligne d’échappement de véhicule. Ce véhicule est par exemple un véhicule automobile équipé d’un moteur thermique.
En variante, la vanne est intercalée dans un autre circuit du véhicule, dans lequel circule un autre fluide.
Selon encore une autre variante, la vanne est placée dans un circuit qui ne fait pas partie d’un véhicule.
En tout état de cause, comme expliqué plus haut, la vanne est avantageusement employée dans un circuit parcouru par un fluide dont la circulation est pulsée.
Comme visible sur la figure 1, la vanne 1 comporte un corps de vanne 3, délimitant intérieurement un passage 5 de circulation d’un fluide.
La vanne 1 doit supporter des températures supérieures à 500°C. Ceci est le cas en particulier quand le fluide circulant dans le passage de circulation 5 est les gaz d’échappement du véhicule.
Le corps de vanne 3 présente au moins une entrée de fluide 7 et une sortie de fluide 9, le passage 5 raccordant fluidiquement l’entrée 7 à la sortie 9 de fluide.
Le corps de vanne 3, dans l’exemple représenté, est cylindrique. En variante il présente toute autre forme.
La vanne 1 comporte encore un volet 11, logé dans le corps de vanne 3, et un arbre 13 d’entraînement en rotation du volet 11 par rapport au corps de vanne 3. Le volet 11 est rotatif autour de l’axe X, représenté sur les figures.
Typiquement, le volet 11 est mobile par rapport au corps de vanne 3 entre une position d’obturation dans laquelle le volet 11 obture le passage de circulation 5 du fluide et interdit la circulation du fluide depuis l’entrée 7 jusqu’à la sortie 9, et au moins une position de dégagement du passage de circulation 5, permettant ainsi la circulation du fluide depuis l’entrée 7 jusqu’à la sortie 9.
La vanne 1 peut être de type réglante. Dans ce cas, le volet 11 est susceptible d’être placé dans une pluralité de positions de dégagement du passage de circulation 5 du fluide, correspondant à différentes sections de passage offertes au fluide circulant le long du passage de circulation 5.
Le volet 11 est fixé à l’arbre d’entraînement 13.
Dans l’exemple représenté, la vanne 1 est de type papillon, l’arbre d’entraînement 13 s’étendant le long d’une droite médiane du volet 11.
En variante, la vanne 1 n’est pas de type papillon. L’arbre d’entraînement 13 est par exemple fixé le long d’un bord du volet 11.
Le volet 11 présente toutes sortes de forme. Dans l’exemple représenté, il a une forme générale circulaire. En variante, il est rectangulaire.
La vanne 1 comporte avantageusement un palier 15 de guidage en rotation de l’arbre d’entraînement 13, comportant une chambre 17 entourant un segment 19 de l’arbre d’entraînement 13, et une pluralité de billes 21 remplissant la chambre 17.
Le segment 19 de l’arbre d’entraînement 13 est typiquement un tronçon d’extrémité de l’arbre d’entraînement 13. En variante, le segment 19 n’est pas un tronçon d’extrémité de l’arbre d’entraînement 13, l’arbre d’entraînement 13 traversant la chambre 17 de part en part.
Avantageusement, la vanne 1 comporte un autre palier, non représenté, guidant en rotation l’autre extrémité de l’arbre d’entraînement 13. Cette autre extrémité est typiquement raccordée à un actionneur, configuré pour entraîner l’arbre d’entraînement 13 en rotation.
Comme visible de manière plus nette sur la figure 2, le palier de guidage 15 comporte un grand nombre de billes 21.
Les billes 21 sont libres à l’intérieur de la chambre 17. On entend par là qu’elles ne sont pas rigidement fixées aux parois de la chambre 17 ou liées les unes aux autres.
La chambre 17 est entièrement remplie de billes 21. Ceci veut dire que tout le volume de la chambre 17 est occupé par des billes 21, seuls subsistant des interstices de faible volume entre les billes 21, lesdits interstices résultant de la forme sphérique des billes 21. Il n’est pas possible d’ajouter des billes 21 dans la chambre 17 ou pratiquement pas possible.
Les billes 21 sont au contact de l’arbre d’entraînement 13 le long de tout le segment 19.
Ainsi, du fait que les billes 21 sont en contact avec l’arbre d’entraînement 13 le long de tout le segment 19 et du fait que la chambre 17 est entièrement remplie de billes, il n’est pas possible qu’un mouvement d’oscillation de l’arbre d’entraînement 13 puisse pousser les billes 21 transversalement d’un côté ou de l’autre.
Les billes 21 sont dans un matériau choisi pour éviter la corrosion à long terme. La corrosion pourrait en effet avoir une influence négative sur les propriétés des billes 21. Elle pourrait notamment empêcher la rotation de l’arbre d’entraînement 13 autour de son axe.
De préférence, les billes 21 sont en acier inoxydable ou en un matériau souple tel qu’un élastomère. L’acier inoxydable est par exemple un acier martensitique, de préférence de type 440, ou un acier austénitique, de préférence de type 316. En variante, les billes 21 sont en céramique, en silice.
Comme visible sur la figure 2, la chambre 17 est délimitée entre autres par une paroi périphérique 23, entourant le segment 19 de l’arbre d’entraînement 13. La paroi périphérique 23 entoure complètement le segment 19 de l’arbre d’entraînement 13. La paroi périphérique 23 est séparée radialement du segment 19 de l’arbre d’entraînement 13 par un écartement radial présentant un minimum.
Dans l’exemple représenté, la paroi périphérique 23 est cylindrique. Elle présente, perpendiculairement à l’axe de rotation X, une section circulaire. L’écartement radial entre le segment 19 de l’arbre d’entraînement 13 et la paroi périphérique 23 est donc constant.
En variante, la paroi périphérique 23 présente perpendiculairement à l’axe de rotation X une section rectangulaire ou toute autre section. L’écartement radial est alors variable, et présente un minimum et un maximum.
Typiquement, les billes 21 sont sphériques, de diamètre inférieur ou égal audit minimum, de préférence inférieur à 50% dudit minimum, de manière plus préférentielle inférieure à 25% dudit minimum.
Ainsi, on prévoit au moins deux billes, radialement, entre le segment 19 de l’arbre d’entraînement 13 et la paroi périphérique 23.
De préférence, le diamètre des billes 21 est compris entre 0,2 mm et 3 mm, typiquement compris entre 0,5 et 2,5 mm.
Typiquement, les billes ont toutes sensiblement le même diamètre. En variante, les billes sont de diamètres différents les unes des autres, certaines billes ayant par exemple un diamètre de 1 mm et d’autres billes par exemple un diamètre de 2 mm.
Pour une application à une vanne de ligne d’échappement typique, la chambre 17 comporte environ mille billes de 1 mm de diamètre. En variante, la chambre 17 comporte environ dix mille billes de diamètre 0,5 mm.
La chambre 17 est délimitée longitudinalement d’un premier côté par une première paroi 25 et longitudinalement d’un second côté opposé au premier par une seconde paroi 27.
La chambre 17 contient une quantité de billes 21 choisies telles que les billes 21 sont en contact permanent à la fois avec la première paroi 25, la seconde paroi 27 et l’arbre d’entraînement 13.
Les billes 21 sont également en contact avec la paroi périphérique 23.
Avantageusement, le palier de guidage 15 comprend un corps de palier 29 délimitant intérieurement une cavité 31.
Dans l’exemple représenté, le corps de palier 29 est situé à l’extérieur du corps de vanne 3 et est rigidement fixé au corps de vanne 3.
La première paroi 25 est une paroi fixe définie par le corps de palier 29.
Par exemple, la première paroi 25 est plaquée contre le corps de vanne 3, ou même est constitué par le corps de vanne 3.
La seconde paroi 27 est une paroi mobile le long de l’arbre d’entraînement 13, et placée dans la cavité 31.
Le palier de guidage 15 comprend par ailleurs un moyen élastique 33, sollicitant les première et seconde parois 25, 27 longitudinalement l’une vers l’autre. Ainsi, du fait que la paroi mobile 27 est constamment sollicitée vers la paroi fixe 25, la chambre 17 est toujours entièrement remplie par les billes 21. Il ne peut pas exister d’espace libre non rempli par les billes 21. Au cas où un tel espace libre existerait, la pression exercée par le moyen élastique 33 sur la paroi mobile 27 forcerait les billes 21 à se réorganiser à l’intérieur de la chambre 17 pour combler l’espace vide.
Ceci entraînerait un léger déplacement de la paroi mobile 27 vers la paroi fixe 25.
Avantageusement, la paroi fixe 25 délimite la chambre 17 vers le corps de vanne
3. Le moyen élastique 33 est interposé entre la paroi mobile 27 et une autre paroi fixe 35 définie par le corps de palier 29 et délimitant le corps de palier 29 à l’opposé du corps de vanne 3.
En d’autres termes, la cavité 31 est divisée en deux parties par la paroi mobile 27, l’une des deux parties constituant la chambre 17 de réception des billes 21, et l’autre partie permettant de loger le moyen élastique 33.
La paroi mobile 27 est susceptible de se déplacer longitudinalement à l’intérieur de la cavité 31. Elle présente, perpendiculairement à l’axe de rotation X, une section externe conjuguée de la section interne de la cavité 31. Elle est donc guidée en translation par la surface interne de la cavité 31.
Le moyen élastique 33 est de tout type adapté. Le moyen élastique 33 est par exemple un ressort hélicoïdal. En variante, c’est un empilement de rondelles Belleville ou un ressort à lames ondulées comme illustré sur les figures.
Le moyen e élastique 33 est en appui d’un côté directement sur l’autre paroi fixe 35, et de l’autre côté directement sur la paroi mobile 27.
L’arbre d’entraînement 13 traverse la première paroi 25 par un premier orifice 37. Il traverse la seconde paroi 27, mobile, par un second orifice 39.
L’arbre d’entraînement 13 est séparé des bords respectifs des premier et/ou second orifices 37, 39 par des interstices de largeur inférieure à la taille des billes 21. Ainsi, les billes 21 ne peuvent pas s’échapper le long de l’arbre d’entraînement 13 par les interstices.
De même, la paroi mobile 27 est séparée de la surface interne du corps de palier 29 par un interstice de largeur inférieure à la taille des billes 21. Les billes 21 ne peuvent donc pas s’échapper non plus de la chambre 17 par ledit interstice entre la paroi mobile 27 et le corps de palier 29.
Le corps de palier 29 définit également la paroi périphérique 23.
Dans l’exemple représenté, l’extrémité de l’arbre d’entraînement 13 est située longitudinalement sensiblement dans le second orifice 39.
En variante, l’extrémité de l’arbre d’entraînement 13 s’étend au-delà de la paroi mobile 27, et est donc située dans la partie de la cavité 31 qui n’est pas remplie par les billes 21.
Selon une autre variante, la paroi mobile 27 est pleine et ne comporte pas de second orifice 39. L’extrémité de l’arbre d’entraînement 13 est située dans la chambre 17.
Selon encore une autre variante, la chambre 17 contenant les billes 21 est délimitée entre l’autre paroi fixe 35 et la paroi mobile 27. Le moyen élastique 33 est alors 5 interposé entre la paroi fixe 25 et la paroi mobile 27.
En variante, le corps de palier 29 est situé à l’intérieur du corps de vanne 3.
Selon encore une autre variante, l’arbre d’entraînement 13 traverse entièrement le corps de palier 29, l’extrémité de l’arbre d’entraînement 13 sortant du corps de palier 29 étant raccordée à un actionneur.
La vanne 1 peut ne comporter qu’un seul palier 15 du type décrit ci-dessus. En variante, la vanne 1 comporte deux paliers 15 du type décrit ci-dessus avec des billes 21, guidant l’arbre d’entraînement 13 à ses deux extrémités opposées.
Selon encore une autre variante, les première et seconde parois 25, 27, délimitant longitudinalement la chambre 17, sont fixes toutes les deux.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1, - Vanne (1) comprenant :
    - un corps de vanne (3), délimitant intérieurement un passage (5) de circulation d’un fluide ;
    - un volet (11) logé dans le corps de vanne (3) ;
    - un arbre (13) d’entraînement en rotation du volet (11) par rapport au corps de vanne (3), le volet (11) étant fixé à l’arbre d’entraînement (13) ;
    - un palier (15) de guidage en rotation de l’arbre d’entraînement (13), comprenant une chambre (17) entourant un segment (19) de l’arbre d’entraînement (13), et une pluralité de billes (21) remplissant la chambre (17), les billes (21) étant libres à l’intérieur de la chambre (17), la chambre (17) étant entièrement remplie de billes (21) et les billes (21) étant au contact de l’arbre d’entraînement (13) le long de tout ou partie du segment (19).
  2. 2, - Vanne selon la revendication 1, dans laquelle la chambre (17) est délimitée par une paroi périphérique (23) entourant le segment (19) de l’arbre d’entraînement (13), la paroi périphérique (23) étant séparée radialement du segment (19) de l’arbre d’entraînement (13) par un écartement radial présentant un minimum, les billes (21) étant de diamètre inférieur ou égal audit minimum, de préférence inférieure à 50% dudit minimum, de manière plus préférentielle inférieure à 25% dudit minimum.
  3. 3. - Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la chambre (17) est délimitée longitudinalement d’un premier côté par une première paroi (25), longitudinalement d’un second côté opposé au premier par une seconde paroi (27), la chambre (17) contenant une quantité de billes (21) choisie telle que les billes (21) sont en contact permanent à la fois avec la première paroi (25), la seconde paroi (27) et l’arbre d’entraînement (13).
  4. 4, - Vanne selon la revendication 3, dans laquelle le palier de guidage (15) comprend un corps de palier (29) délimitant intérieurement une cavité (31), la première paroi (25) étant une paroi fixe définie par le corps de palier (29), la seconde paroi (27) étant une paroi mobile le long de l’arbre d’entraînement (13) et placée dans la cavité (31).
  5. 5. - Vanne selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le palier de guidage (15) comprend un moyen élastique (33) sollicitant les première et seconde parois (25, 27) longitudinalement l’une vers l’autre.
  6. 6. - Vanne selon la revendication 5 combinée à la revendication 4, dans laquelle la paroi fixe (25) délimite la chambre (17) vers le corps de vanne (3), le moyen élastique (33) étant interposé entre la paroi mobile (27) et une autre paroi fixe (35) définie par le corps de palier (29) et délimitant le corps de palier (29) à l’opposé du corps de vanne (3).
  7. 7, - Vanne selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans laquelle l’arbre d’entraînement (13) traverse la première paroi (25) et/ou la seconde paroi (27)
    5 respectivement par un premier orifice (37) et/ou un second orifice (39) ménagés dans lesdites parois.
  8. 8. - Vanne selon la revendication 7, dans laquelle l’arbre d’entraînement (13) est séparé de bords respectifs des premier et/ou second orifices (37, 39) par des interstices de largeur inférieure à la taille des billes (21).
  9. 10 9.- Ligne d’échappement comprenant une vanne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le fluide circulant dans le corps de vanne (3) est constitué de gaz d’échappement.
    10.- Véhicule comprenant un moteur thermique et une ligne d’échappement selon la revendication 9, raccordée fluidiquement à des sorties de gaz d’échappement du 15 moteur thermique.
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