WO2000061922A1 - Dispositif de commande electromagnetique de soupapes - Google Patents

Dispositif de commande electromagnetique de soupapes Download PDF

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • control devices for valves moving linearly along an axis comprising actuators in a number equal to that of the valves, each actuator having a pallet made of ferro-magnetic material fixed to a valve push rod movable in a housing of the actuator by electromagnetic means having at least one coil mounted on a ferromagnetic circuit and having at least one return spring, one end of which bears against the rod.
  • Devices of this kind can have two opposing return springs (US patent 4,614,170 or patent application FR 98 12489) or a single spring working alternately in tension and in compression (patent application FR 98 11670).
  • the electromagnetic means of an actuator may comprise two coils, the excitation of which tends to move the pallet in opposite directions. They can also - and this solution will generally be preferable for reasons of cost, reduction in size and reduction in the number of electrical connections - use a single coil whose ferro-magnetic circuit has a constitution as it offers, in combination with the pallet, two stable magnetic flux paths corresponding to the valve opening and closing states, respectively (request FR 98 12489 and corresponding EP request).
  • Such a device comprises as many actuators as there are valves.
  • eight actuators must be placed side by side.
  • the power of an actuator is limited, at a given thickness, and this thickness itself is limited because the The distribution of the actuators must be the same as that of the valves.
  • the power which can be obtained with individual actuators may prove to be insufficient, at least for the exhaust valves which are the most demanding at high engine load due to the back pressure in the combustion chamber.
  • the need for an electrical power connector per actuator is expensive and reduces reliability.
  • the invention aims in particular to provide a valve control device for a two-valve engine of the same type per cylinder with reduced bulk and increased reliability.
  • the invention proposes for this purpose a device in which the ferro-magnetic circuits of two actuators assigned to two valves of the same type of the same cylinder are contained in a common housing and the coils of the two actuators can therefore be supplied by the through the same power connector.
  • This single connector can also be used to transmit measurement signals from a pallet position sensor to the outside.
  • the latter proposes a device in which the ferromagnetic circuits of two actuators assigned to two valves of the same type of the same cylinder are merged. Not only does this arrangement reduce the bulk and therefore makes it possible to locally increase the section of iron while taking advantage of the free space between two cylinders, but also it makes it possible to increase the section of the common part which entirely benefits the control of '' only one of the valves when the other remains at rest, for example when the valve oscillation starts.
  • the invention is particularly easy to implement in the case of actuators with a single coil for which it is also possible to place sensors of the axial position of the rod and of the pallet, detecting the position of a magnet fixed to the rod, in an area where the magnetic flux created by the coil is always very reduced and does not disturb the operation thanks to the symmetry of the planar lines of force.
  • Figure 1 is a top view of a fraction of a control device comprising actuators grouped in pairs in the same housing;
  • Figure 2 is a sectional view of a pair of actuators according to a particular embodiment, along a plane passing through the axes of these actuators;
  • FIG. 3 is a sectional view of a single coil actuator in section along a plane orthogonal to that of Figure 2 and passing through the axis of the actuator.
  • valve actuators are at electromagnetic control and can be a single coil, such as that which will be described later, or two coils, such as that described in patent application FR 98 11670 already mentioned.
  • the device partially shown in Figure 1 comprises a common housing 16 of non-magnetic material, for example of light alloy, retaining the ferromagnetic circuits 54 of two adjacent actuators assigned to the same cylinder on the cylinder head of the engine.
  • the housing is drilled with holes 56 for the passage of fixing screws.
  • the ferromagnetic circuits will generally be separated to allow the individual control of the two valves.
  • the four coils of the same torque can be powered by a single connector 58 whose general constitution can be either conventional, or advantageously that described in the French patent application of the same or as the present application, entitled " Power connector and actuator supply device comprising such connectors "of the applicant, however doubled.
  • These connectors can be provided to also transfer the position sensor output signals. This arrangement requires less space than mounting the actuators individually and halves the number of connectors.
  • the magnetic circuits of two adjacent actuators can be fused and have the constitution shown in FIG. 2, each complete actuator having for example the elements shown in FIG. 3.
  • the vertical planes of symmetry of the two coils are more distant from each other than the vertical planes of symmetry of the two pallets so that the flows generated by each coil interfere with each other as little as possible.
  • the actuator then has a pallet 22 of prismatic shape, made of ferro-magnetic material, fixed on a rod 24 for driving the valve 50.
  • Two return springs 28a and 28b are provided to keep the valve at rest in a position substantially median between the closed position and the full open position.
  • One of the springs 28a is compressed between a plate 30 fixed to the rod 24 and an extension of the housing 16.
  • the other spring 28b is compressed between a plate 31 fixed to the valve stem and the bottom of the valve well formed in the cylinder head 12.
  • the fixed ferromagnetic circuit common to the two actuators has a cross section passing through the axis of the two E-shaped pallets with a middle branch 60 and two external branches 62.
  • the lateral branches have a narrower width than that of the branch median which benefits from the fusion of the two magnetic circuits.
  • the outer branches can be relatively wide due to the spacing between two cylinders.
  • each pallet 22 has beveled edges parallel to the poles of the associated magnetic circuit.
  • the pallet has a central boss in the form of a bar which creates or increases an asymmetry of the magnetic circuit and guarantees that the initial direction of movement of the pallet from its rest position will be upwards.
  • the presence of the boss reduces the initial reluctance of the circuit because it reduces the air gap at rest, as shown by the arrows diagramming the magnetic flux lines.
  • the currents flowing through the two coils carried by the same ferro-magnetic circuit are in opposite directions.
  • the current flowing through each coil can be controlled by a computer (not shown) receiving a signal indicating the position of the paddle of a sensor 24. It may in particular be a Hall effect sensor 64 sensitive to a magnetic pad carried by the rod 24.
  • the path of the lines of force of the magnetic flux is such that they do not disturb the measurement by a sensor placed in the oplan of FIG. 3.

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Abstract

Le dispositif de commande de soupapes à déplacement linéaire suivant un axe comprend des actionneurs en nombre égal à celui des soupapes. Chaque actionneur a une palette (22) en matériau ferro-magnétique fixée à une tige de poussée de soupape (24) et déplaçable dans un boîtier (16) de l'actionneur par une bobine montée sur un circuit ferromagnétique. Les circuits ferro-magnétiques de deux actionneurs affectés à deux soupapes du même type d'un même cylindre sont contenus dans un même boîtier.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE ELECTROMAGNETIQUE DE SOUPAPES
1/ invention concerne les dispositifs de commande de soupapes à déplacement linéaire suivant un axe, comprenant des actionneurs en nombre égal à celui des soupapes, chaque actionneur ayant une palette en matériau ferro-magnétique fixée à une tige de poussée de soupape déplaçable dans un boîtier de l'actionneur par des moyens électro-magnétiques ayant au moins une bobine montée sur un circuit ferromagnétique et ayant au moins un ressort de rappel dont une extrémité est en appui contre la tige.
Les dispositifs de ce genre peuvent avoir deux ressorts de rappel antagonistes (brevet US 4 614 170 ou demande de brevet FR 98 12489) ou un seul ressort travaillant alternativement en traction et en compression (demande de brevet FR 98 11670). Les moyens électromagnétiques d'un actionneur peuvent comporter deux bobines dont l'excitation tend à déplacer la palette dans des directions opposées. Ils peuvent également -et cette solution sera généralement préférable pour des raisons de coût, de réduction d'encombrement et de réduction du nombre des liaisons électriques- utiliser une bobine unique dont le circuit ferro-magnétique a une constitution telle qu'il offre, en combinaison avec la palette, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant à des états d'ouverture et de fermeture de la soupape, respectivement (demande FR 98 12489 et demande EP correspondante) .
Un tel dispositif comporte autant d' actionneurs que de soupapes. Sur un moteur à seize soupapes disposées en deux lignes, huit actionneurs doivent être place côte à côte. La puissance d'un actionneur est limitée, à épaisseur donnée, et cette épaisseur elle-même est limitée du fait que la répartition des actionneurs doit être la même que celle des soupapes. Sur des moteurs de faible cylindrée, la puissance que l'on peut obtenir avec des actionneurs individuels peut se révéler insuffisante, au moins pour les soupapes d' échappement qui sont les plus exigeantes à forte charge du moteur du fait de la contre-pression dans la chambre de combustion. Par ailleurs la nécessité d'un connecteur électrique de puissance par actionneur est coûteuse et réduit la fiabilité.
L' invention vise notamment à fournir un dispositif de commande de soupapes pour moteur à deux soupapes du même type par cylindre d' encombrement réduit et de fiabilité accrue .
L' invention propose dans ce but un dispositif dans lequel les circuits ferro-magnétiques de deux actionneurs affectés à deux soupapes du même type d'un même cylindre sont contenus dans un boîtier commun et les bobines des deux actionneurs peuvent en conséquence être alimentées par l'intermédiaire d'un même connecteur de puissance. Ce connecteur unique peut au surplus être utilisé pour transmettre des signaux de mesure provenant d'un capteur de position de la palette vers l'extérieur.
Suivant un autre aspect de l'invention, celle-ci propose un dispositif dans lequel les circuits ferromagnétiques de deux actionneurs affectés à deux soupapes de même type d'un même cylindre sont fusionnés. Non seulement cette disposition réduit l'encombrement et donc permet d' accroître localement la section de fer en profitant de l'espace libre entre deux cylindres mais encore elle permet d' augmenter la section de la partie commune qui bénéficie tout entière à la commande d'une seule des soupapes lorsque l'autre reste au repos, par exemple au démarrage de l'oscillation des soupapes.
L'invention est particulièrement aisée à mettre en œuvre dans le cas d' actionneurs à une seule bobine pour lesquels on peut de plus placer des capteurs de la position axiale de la tige et de la palette , détectant la position d'un aimant fixé à la tige, dans une zone où le flux magnétique créé par la bobine est toujours très réduit et ne perturbe pas le fonctionnement grâce à la symétrie des planaires des lignes de force.
Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné a titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de dessus d'une fraction d'un dispositif de commande comportant des actionneurs regroupés par paires dans un même boîtier ; la figure 2 est une vue en coupe d'un couple d' actionneurs conforme à un mode particulier de réalisation, suivant un plan passant par les axes de ces actionneurs ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'un actionneur mono-bobine en coupe suivant un plan orthogonal à celui de la figure 2 et passant par l'axe de l' actionneur.
Il sera essentiellement question maintenant d'un dispositif destiné à un moteur comportant deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement par cylindre. Toutes les soupapes d'un même type, telles que les soupapes 50 sur la figure 1, sont disposées en ligne et l'écartement de deux soupapes associées à un même cylindre est plus faible que celui de deux soupapes ad acentes associées à deux cylindres différents. Les actionneurs de soupape sont à commande électromagnétique et peuvent être a une seule bobine, comme celui qui sera décrit plus loin, ou à deux bobines, tel que celui décrit dans la demande de brevet FR 98 11670 déjà mentionnée.
Le dispositif montré partiellement sur la figure 1 comporte un boîtier commun 16 en matériau non magnétique, en alliage léger par exemple, retenant les circuits ferromagnétiques 54 de deux actionneurs adjacents affectés a un même cylindre sur la culasse du moteur. Pour cela le boîtier est perce de trous 56 de passage de vis de fixation. Dans le cas d' actionneurs à deux bobines, les circuits ferromagnétiques seront généralement disjoints pour permettre la commande individuelle des deux soupapes.
Les quatre bobines d'un même couple (deux par actionneur) peuvent être alimentées par un connecteur unique 58 dont la constitution générale peut être soit classique, soit avantageusement celle décrite dans la demande de brevet français du même our que la présente demande, intitulée « Connecteur de puissance et dispositif d'alimentation d' actionneurs comportant de tels connecteurs » de la demanderesse, toutefois doublée. Ces connecteurs peuvent être prévus pour transférer également les signaux de sortie de capteurs de position. Cette disposition exige moins de place qu'un montage individuel des actionneurs et réduit de moitié le nombre de connecteurs.
Lorsque les actionneurs sont à une seule bobine, les circuits magnétiques de deux actionneurs adjacents peuvent être fusionnés et avoir la constitution montrée en figure 2, chaque actionneur complet ayant par exemple les éléments montres en figure 3. Les plans de symétrie verticaux des deux bobines sont plus éloignés entre eux que les plans de symétrie verticaux des deux palettes pour que les flux générés par chaque bobine se gênent réciproquement le moins possible. L'actionneur présente alors une palette 22 de forme prismatique, en matériau ferro-magnetique, fixée sur une tige 24 d'entraînement de la soupape 50. Deux ressorts de rappel 28a et 28b sont prévus pour maintenir la soupape au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture. Un des ressorts 28a est comprimé entre un plateau 30 fixé à la tige 24 et un prolongement du boîtier 16. L'autre ressort 28b est comprime entre un plateau 31 fixé à la queue de soupape et le fond du puits de soupape ménagé dans la culasse 12.
Le circuit ferro-magnétique fixe commun aux deux actionneurs présente une section droite passant par l'axe des deux palettes en forme de E avec une branche médiane 60 et deux branches externes 62. Les branches latérales ont une largeur plus faible que celle de la branche médiane qui profite de la fusion des deux circuits magnétiques. Cependant les branches externes peuvent être relativement larges du fait de l'écartement entre deux cylindres.
Dans le mode de réalisation montré en figure 2, chaque palette 22 présente des bords biseautés parallèlement aux pôles du circuit magnétique associe. De plus la palette présente un bossage central en forme de barrette qui créée ou augmente une dissymétrie du circuit magnétique et garantit que le sens initial de déplacement de la palette a partir de sa position de repos sera vers le haut. De plus la présence du bossage réduit la réluctance initiale du circuit du fait qu'elle réduit l'entrefer au repos, comme le montrent les flèches schématisant les lignes de flux magnétiques. Lorsque la palette est collée sur le pôle supérieur, comme indiqué à gauche sur la figure, le bossage est court-circuité et n'affaiblit pas la force de collage.
Les courants parcourant les deux bobines portées par un même circuit ferro-magnétique sont de sens opposés. Le courant qui parcourt chaque bobine peut être piloté par un calculateur non représenté recevant un signal indiquant la position de la palette d'un capteur 24. Il peut s'agir notamment d'un capteur à effet Hall 64 sensible à un plot magnétique porté par la tige 24. Le trajet des lignes de force du flux magnétique est tel qu'elles ne perturbent pas la mesure par un capteur placé dans le oplan de la figure 3.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande de soupapes à déplacement linéaire suivant un axe, comprenant des actionneurs en nombre égal à celui des soupapes et indépendamment commandés, chaque actionneur ayant une palette (22) en matériau ferro-magnétique fixée à une tige de poussée de soupape (24) et déplaçable dans un boîtier (16) de l'actionneur par des moyens électro-magnétiques ayant au moins une bobine montée sur un circuit erro-magnétique et ayant au moins un ressort de rappel dont une extrémité est en appui contre la tige, caractérisé en ce que les circuits ferro-magnétiques d'un couple de deux actionneurs affectés à deux soupapes du même type d'un même cylindre sont contenus dans un même boîtier.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines des deux actionneurs sont alimentées par l'intermédiaire d'un même connecteur (58).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le connecteur est utilisé pour transmettre des signaux de mesure provenant d'un capteur de position de la palette (64) .
4. Dispositif de commande de soupapes à déplacement linéaire suivant un axe, comprenant des actionneurs en nombre égal à celui des soupapes et indépendamment commandés, chaque actionneur ayant une palette (22) en matériau ferro-magnétique fixée à une tige de poussée de soupape déplaçable dans un boîtier de l'actionneur par des moyens électro-magnétiques ayant au moins une bobine montée sur un circuit ferro-magnétique et ayant au moins un ressort de rappel dont une extrémité est en appui contre la tige, caractérisé en ce que les circuits ferro-magnétiques de deux actionneurs affectés à deux soupapes de même type d'un même cylindre sont fusionnés .
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque actionneur est à une seule bobine (42) .
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit ferro-magnétique fixe commun aux deux actionneurs présente une section droite, dans un plan passant par l'axe des deux palettes, en forme de E avec une branche médiane (60) et deux branches externes (62) .
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque palette (22) présente des bords biseautés parallèlement aux pôles du circuit magnétique associé.
8. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque palette (22) présente un bossage central en forme de barrette qui créée ou augmente une dissymétrie du circuit magnétique pour imposer un sens initial de déplacement de la palette à partir de sa position de repos.
9. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les plans de symétrie verticaux des deux bobines sont plus éloignés entre eux que les plans de symétrie verticaux des deux palettes.
10. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les courants parcourant les deux bobines portées par un même circuit ferro-magnétique sont de sens opposés.
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