WO2016051041A1 - Actionneur electromagnetique pour soupape de moteur a combustion interne - Google Patents

Actionneur electromagnetique pour soupape de moteur a combustion interne Download PDF

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WO2016051041A1
WO2016051041A1 PCT/FR2015/052441 FR2015052441W WO2016051041A1 WO 2016051041 A1 WO2016051041 A1 WO 2016051041A1 FR 2015052441 W FR2015052441 W FR 2015052441W WO 2016051041 A1 WO2016051041 A1 WO 2016051041A1
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WO
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primary
electromagnetic actuator
coil
bore
valve
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/052441
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English (en)
Inventor
Zlatina DIMITROVA
Luiz Gustavo PORTO MENDES
Zbigniew KOSSOWSKI
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
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Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles Sa filed Critical Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2115—Moving coil actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2157—Actuator cooling means

Definitions

  • the invention relates to the control of the valves in an internal combustion engine. It relates, more specifically, an electromagnetic valve actuator in such an engine.
  • valves The control of the valves must satisfy the following constraints. First, the movement of the valves must be fast and precise, to facilitate the admission, respectively the evacuation, of the gases. Then, the valve stroke must be sufficient to ensure a high flow of gas, whether admission or evacuation. Finally, the forces transmitted to the valves must be important (especially evacuation), to overcome the pressure in the combustion chamber.
  • valves in the internal combustion engines are performed mechanically by a distribution system comprising one or more camshaft (s) which drive the valves, either directly or indirectly via rockers.
  • a camshaft is rotatably coupled to the crankshaft by a timing belt or chain.
  • An alternative valve control technique is electromagnetic actuation.
  • each valve is driven by means of an electromagnetic actuator.
  • One or more magnets generate an electromagnetic field suitable for to move, by the force of Laplace, a support on which is wound a coil traversed by an electric current and of which the valve is secured.
  • an armature defining at least two superimposed magnetic circuits, namely an upper magnetic circuit and a lower magnetic circuit, each magnetic circuit including a magnet, a ferromagnetic annular outer pole piece, in contact with the magnet, and a ferromagnetic central core, the polar piece and the core defining between them a gap;
  • a mobile equipment including:
  • An objective is to propose an electromagnetic actuator that responds to all the constraints associated with the control of the valves: good speed, good control, sufficient stroke of the valves, importance of the transmitted forces, and which is adaptable to engines of high power.
  • an electromagnetic actuator for an internal combustion engine valve which comprises:
  • an armature defining a magnetic circuit including:
  • a ferromagnetic primary core housed in the primary bore and defining with the pole piece a primary air gap
  • a primary mobile equipment including:
  • the pole piece defines a secondary bore adjacent to the primary bore
  • the magnetic circuit includes a ferromagnetic secondary core housed in the secondary bore and defining with the pole piece a secondary air gap;
  • the actuator comprises a secondary mobile unit including: a secondary carcass provided with a tubular body immersed in the secondary air gap;
  • This actuator is thus adapted to a motor having four valves per cylinder while ensuring essential functions such as:
  • the primary coil and the secondary coil comprise a common supply circuit
  • the primary coil and the secondary coil each comprise a separate power supply circuit
  • the frame comprises a cover for securing the primary core and the secondary core with the pole piece;
  • the cover comprises two fingers each engaged with the primary core or the secondary core, the two fingers being separated from one another by a distance;
  • the spacing of the fingers of the cover is slightly less than a center distance measured between the primary bore and the secondary bore;
  • the primary coil and the secondary coil respectively consist of an upper primary coil and a lower primary coil and an upper secondary coil and a lower secondary coil;
  • the electromagnetic actuator comprises an upper pole piece and a lower pole piece.
  • an internal combustion engine comprising an electromagnetic actuator as presented above and, thirdly, a motor vehicle comprising a motor as presented above.
  • FIG. 1 is a perspective view from above of a motor vehicle with an internal combustion engine having at least one electromagnetic valve actuator;
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a cylinder of the engine of Figure 1;
  • FIG. 3 is a sectional view of the electromagnetic actuator according to a first embodiment
  • Figure 4 is an exploded perspective view from above of the electromagnetic actuator
  • Figure 5 is a sectional view of the electromagnetic actuator according to a second embodiment
  • Figure 6 is a sectional view along the axis CC of Figure 5.
  • a vehicle 1 automobile here a particular vehicle, but it could be any other type of vehicle: utility, truck, construction equipment.
  • the vehicle 1 is equipped with an internal combustion engine 2 provided with cylinders 3 defining combustion chambers 4 and in which are slidably mounted pistons 5 connected, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation causes the wheels 8 of the vehicle 1 via a transmission (not shown).
  • an internal combustion engine 2 provided with cylinders 3 defining combustion chambers 4 and in which are slidably mounted pistons 5 connected, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation causes the wheels 8 of the vehicle 1 via a transmission (not shown).
  • the engine 2 comprises, for each cylinder 3 four valves 9 distributed in pairs, namely two intake valves 9a and two valves 9b exhaust.
  • valves 9 without particular reference to their use for admission or exhaust.
  • Each valve 9 comprises a rod 10 which extends along a central axis X which defines an axial direction. At one end of the rod 10 is formed a head 11. Each valve 9 is movable in translation relative to a cylinder head 12 of the engine 2 between a closed position in which the head 11 of the valve 9 bears against a seat 13 for closing an intake duct 14 (or, respectively, an exhaust duct 15) and an open position in which the head 11 is spaced from the seat 13 to put the cylinder 3 in communication with the intake duct 14 (or, respectively, the exhaust duct).
  • the engine 2 is of the diesel direct injection type and comprises, for this purpose, an injector 16 which opens directly into the combustion chamber 4, but it could be any other type of internal combustion engine: gasoline, indirect injection, hybrid.
  • Each valve 9 is controlled in position by an electromagnetic actuator 17.
  • This actuator 17 is itself controlled by a computerized control unit 18 equipped with a programmable processor.
  • the actuator 17 is shown in section in Figures 3 and 5 respectively according to a first and a second embodiment and an exploded view in Figure 4, according to the first embodiment.
  • the actuator 17 comprises a frame 19 and two crews 20, 21 mobiles namely a primary mobile and a secondary mobile 21 crew.
  • the frame 19 comprises:
  • a substantially cylindrical ferromagnetic primary core 24 defining, with the pole pieces 23a, 23b, a primary air gap;
  • a substantially cylindrical ferromagnetic secondary core 26 defining, with the pole pieces 23a, 23b, a secondary gap 27, and
  • the armature 19 comprises a primary bore 29 and a secondary bore 30, adjacent to the primary bore 29, in which the primary core 24 and the secondary core 26, the primary and secondary bores 29, respectively, are received. Secondary being made jointly in the pieces 23a, 23b polar and the magnet 22.
  • the lid 28 is provided with a plate 31 and two fingers 32 adapted to be housed each in one of the cores 24, 26 primary and secondary. According to the embodiment shown in the figures, and as can be seen in FIG. 6, the two fingers 32 are spaced from each other by a distance C1 which is slightly smaller than a center distance P1 between the primary bore 29 and the secondary bore which causes reduction of the primary and secondary air gaps 25, 27 in a central region of the electromagnetic actuator.
  • the primary mobile unit 20 comprises a primary housing 33, an upper primary coil 34, a lower primary coil 35 and a valve 9.
  • the primary carcass 33 comprises a tubular body 36 open at an upper end 37 and provided with an upper annular groove 38 and a lower annular groove 39 in which are respectively housed the upper primary coil 34 and the lower primary coil.
  • the primary carcass 33 comprises at a lower end, a bottom 40 on which the valve 9 is screwed by means of screws 41.
  • the valve 9 is welded to the bottom 40 of the carcass 33.
  • the secondary mobile unit 21 comprises a secondary carcass 42, an upper secondary coil 43, a lower secondary coil 44 and a valve 9.
  • the secondary casing 42 comprises a tubular body 45 open at an upper end 46 and provided with an upper annular groove 47 and a lower annular groove 48 in which are respectively housed the upper primary coil 43 and the primary coil 44 lower.
  • the secondary carcass 42 comprises at a lower end, a bottom 49 on which the valve 9 is screwed by means of screws 41.
  • the coils 34, primary 35 upper and lower and the coils 43, 44 upper and lower secondary consist of a wire of circular section.
  • the coils may consist of a wire of rectangular section.
  • the electromagnetic actuator 17 is assembled in the manner described below.
  • the armature 19 is first assembled by bonding the magnet 22 on the upper part 23a and the lower part 23b.
  • the cover 28 is also bonded to the primary core 24 and the secondary core 26 by its fingers 32 each engaging with one of the cores 24, 26.
  • the primary core 24 and the secondary core 26 are inserted respectively in the primary bore 29 and in the secondary bore 30 and held in position by means of a flange (not shown) holding the cover 28 with one of the parts 23a, 23b polar.
  • the fixing means chosen for the assembly of the frame 19 is the bonding which then allows to to overcome the problems of disturbances of the magnetic field especially generated when the assembly is achieved by means of screws.
  • the upper primary coil 34 is inserted into the upper annular groove 38 of the primary carcass 33, the lower primary coil 35 is inserted into the lower annular groove 39 of the carcass. 33 and the valve 9 is assembled on the bottom 40 of the primary carcass 33 by means of the screws 41.
  • the upper secondary coil 43 is inserted into the upper annular groove 47 of the second secondary carcass 42
  • the lower secondary coil 44 is inserted into the lower annular groove 48 lower of the secondary carcass 42
  • the valve 9 is assembled on the bottom 49 of the secondary carcass 42 by means of the screws 41.
  • the valve 9 is welded to the bottom 49 of the carcass 42.
  • the electromagnetic actuator 17 is finally assembled by the insertion of the primary mobile unit 20 and the secondary mobile unit 21 respectively into the primary bore 29 and the secondary bore 30.
  • an electric current is transmitted to the coils 34, 35, 43, 44 in order to interact with a magnetic field generated by the magnet 22 (shown in phantom in the figures) for translating the crews 20 , 21 movable in the bores 29, 30 of the frame 19.
  • the coils 34, 35 and 43, 44 are constructed so that the same current flows in an opposite direction depending on whether it borrows the coil 34, 43 upper or the coil 35, 44 lower than one same crew 20, 21 mobile.
  • the mobile crews 20, 21 are controlled independently of one another.
  • the secondary mobile crew 21 may remain closed while the primary mobile crew is open.
  • Adjusting the intensity of the current transmitted to the coils 34, 35, 43, 44 makes it possible to vary the speed of opening and closing of the valves 9 but also to vary the spacing of the valves 9 relative to the armature 19 and thus to adjust the flow rate of fluid flowing from the intake pipe 14 to the combustion chamber 4 or the combustion chamber 4 to the exhaust pipe 15.
  • FIGS. 5 and 6 A variant of the electromagnetic actuator 17 is shown in FIGS. 5 and 6.
  • This variant implements a cooling means of the electromagnetic actuator 17. Indeed, the use of high electric currents to generate the forces required for the movement of the valves 9, generates, under certain conditions of use of the electromagnetic actuator 17, an excess of heat and, thus, a heating of the actuator Which, combined with the heat generated by the operation of the engine 2 itself, can prematurely degrade the electromagnetic actuator 17.
  • the magnet 22 is provided with two cooling ducts 50 each opening into the primary bore 29 or into the secondary bore 30.
  • the carcasses 33, 42 primary and secondary are then provided with a substantially central annular belt 51, which, when the electromagnetic actuator 17 is assembled, is at the right of a cooling duct 50 so that a cooling fluid, injected into the frame 19, does not encounter any obstacle as soon as it enters the primary and secondary bores 29, 30.
  • the belt 51 has a height such that in the high position, in the low position or in an intermediate position between the high position and the low position of the moving crews 20, 21, the cooling ducts 50 are facing this position. belt 51.
  • the difference between the centers C1 and P1 also increases the distance between the primary and secondary cores 24, 26 and the cooling ducts 50 opening into the primary and secondary bores 29, 30 and so on. facilitate the introduction of the cooling fluid into the air gaps 25, 27 primary and secondary.
  • the cooling fluid is injected from a compressor by pipes 52 which are housed in the cooling ducts 50.
  • This cooling fluid is represented in FIGS. 5 and 6 by dashed lines.
  • the electromagnetic actuator 17 is then cooled by direct contact of the fluid with the upper and lower primary coils 34, 35 and the upper and lower secondary coils 43, 44.
  • the hot fluid having stored a portion of the heat of the coils 34, 35, 43, 44, is removed from the electromagnetic actuator 17 at its upper and lower ends and then recovered in a motor circuit (not shown).
  • the fluid is air
  • the hot air could be recovered to be injected into the engine 2, after a possible cooling and a possible compression.
  • another fluid that the air could be used as for example, water or oil which have a thermal capacity and a higher heat transfer coefficient than air.
  • the cooling ducts 50 are made in the parts 23a, 23b polar or jointly in the parts 23a, 23b polar and in the magnet 22.
  • the cooling ducts 50 are each made on a different face of the electromagnetic actuator 17.
  • cooling ducts 50 are adjacent and are formed on the same face of the electromagnetic actuator 17.
  • the electromagnetic actuator 17 that has just been presented has many advantages.
  • the electromagnetic actuator 17 has the advantage of reducing the size of the engine 2. Indeed, a motor 2 provided with these electromagnetic actuators 17 does not use a camshaft, which reduces the space requirement. of the engine 2, especially in height. The gain in space reduces the height of the engine compartment of a vehicle 1 and thus allows a more aerodynamic form of the vehicle 1, which becomes less fuel-consuming and has a more attractive silhouette.
  • the actuators 17 are adaptable to the engines 2 having four valves 9 per cylinder 3. In fact, the compactness of the actuators 17 allows the control of two adjacent valves 9 for the admission or exhaust of a cylinder 3 of the engine 2.
  • the electromagnetic actuator 17 allows precise control of the valves 9.
  • Each valve 9 of the same electromagnetic actuator 17 can be controlled independently of the other.
  • each primary coil 34, 35 and secondary 43, 44 is powered by a dedicated electrical circuit.
  • a single electrical circuit can be used. The accuracy of the control is provided by the regulation of the intensity of the current transmitted to the coils 34, 35, 43, 44 primary and secondary and then ensures a rapid opening and closing of the valves 9.
  • the electromagnetic actuator 17 makes it possible to generate a magnetic field large enough to counter the pressure prevailing in the combustion chamber 4 and to allow the valves 9 to open.
  • an electromagnetic actuator 17 as described can be used. both intake and exhaust cylinders 3 instead of camshafts.
  • the cooling of the electromagnetic actuator 17 ensures a better service life of the actuator 17, by regulating its operating temperature, and allows the use of the electromagnetic actuator 17 on motors 2 which can achieve high operating speeds, torque and peak power.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

Actionneur (17) électromagnétique pour soupape (9) de moteur à combustion interne, qui comprend : - une armature (19) définissant un circuit magnétique incluant : o un aimant (22) et o une pièce (23a, 23b) polaire externe délimitant un alésage (29) primaire; - un équipage (20) mobile primaire incluant une soupape (9), l'actionneur (17) électromagnétique comprenant, en outre : - un alésage (30) secondaire voisin de l'alésage (29) primaire; - un équipage (21) mobile secondaire incluant une soupape (9).

Description

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE POUR SOUPAPE DE MOTEUR
A COMBUSTION INTERNE
[0001] L'invention a trait à la commande des soupapes dans un moteur à combustion interne. Elle concerne, plus précisément, un actionneur électromagnétique pour soupape dans un tel moteur.
[0002] La commande des soupapes doit satisfaire les contraintes suivantes. D'abord, le mouvement des soupapes doit être rapide et précis, pour faciliter l'admission, respectivement l'évacuation, des gaz. Ensuite, la course des soupapes doit être suffisante pour garantir un débit important des gaz, qu'il s'agisse de l'admission ou de l'évacuation. Enfin, les efforts transmis aux soupapes doivent être importants (notamment à l'évacuation), pour vaincre la pression régnant dans la chambre de combustion.
[0003] Traditionnellement, la commande des soupapes dans les moteurs à combustion interne est réalisée mécaniquement par un système de distribution comprenant un ou plusieurs arbre(s) à cames qui entraînent les soupapes, soit directement, soit indirectement par l'intermédiaire de culbuteurs. Un arbre à cames est couplé en rotation au vilebrequin par une courroie ou une chaîne de distribution.
[0004] Cette technique a fait ses preuves mais elle présente un inconvénient majeur : elle ne permet aucune régulation de la commande des soupapes, sauf ponctuellement lors du réglage (essentiellement manuel) de la distribution, lors duquel on procède au calage des arbres à cames. Des systèmes de calage variable ont, certes, été imaginés mais leur mise au point est complexe, ce qui a sans aucun doute empêché leur généralisation à l'ensemble du parc automobile. En outre, il peut apparaître aux régimes élevés un phénomène d'affolement des soupapes, qui ne suivent plus le mouvement commandé par l'arbre à cames, généralement en raison d'un dysfonctionnement des ressorts de rappel des soupapes. Si l'affolement des soupapes produit en général une baisse de puissance, il peut aller jusqu'à provoquer une casse du moteur en raison de chocs des soupapes sur les pistons.
[0005] Une technique alternative de commande des soupapes est l'actionnement électromagnétique. Dans cette technique, chaque soupape est entraînée au moyen d'un actionneur électromagnétique. Un ou plusieurs aimants génèrent un champ électromagnétique apte à mouvoir, par la force de Laplace, un support sur lequel est enroulée une bobine parcourue par un courant électrique et dont est solidaire la soupape.
[0006] Cette technique est notamment connue du brevet français FR 2797297, qui décrit un actionneur électromagnétique pour soupape de moteur à combustion interne, comprenant :
une armature définissant au moins deux circuits magnétiques superposés, à savoir un circuit magnétique supérieur et un circuit magnétique inférieur, chaque circuit magnétique incluant un aimant, une pièce polaire externe annulaire ferromagnétique, en contact avec l'aimant, et un noyau central ferromagnétique, la pièce polaire et le noyau définissant entre eux un entrefer ;
un équipage mobile incluant :
o une carcasse munie d'un corps tubulaire plongé dans l'entrefer,
o une bobine enroulée dans l'entrefer sur le corps de la carcasse ; et
o une soupape solidaire de la carcasse.
[0007] Si cet actionneur donne satisfaction en théorie, sa mise en œuvre concrète est délicate car les efforts générés sur la soupape peuvent s'avérer insuffisants.
[0008] De plus, certains moteurs, généralement des moteurs développant une puissance importante, peuvent nécessiter l'utilisation, pour un même cylindre, de deux soupapes d'admission et de deux soupapes d'échappement.
[0009] Un objectif est de proposer un actionneur électromagnétique qui réponde à l'ensemble des contraintes associées à la commande des soupapes : bonne rapidité, bon contrôle, course suffisante des soupapes, importance des efforts transmis, et qui soit adaptable à des moteurs de puissance élevée.
[0010] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un actionneur électromagnétique pour soupape de moteur à combustion interne, qui comprend :
une armature définissant un circuit magnétique incluant :
o un aimant ; o une pièce polaire externe ferromagnétique en contact avec l'aimant, la pièce polaire délimitant un alésage primaire ;
o un noyau primaire ferromagnétique logé dans l'alésage primaire et définissant avec la pièce polaire un entrefer primaire ;
un équipage mobile primaire incluant :
o une carcasse primaire munie d'un corps tubulaire plongé dans l'entrefer primaire,
o une bobine primaire enroulée dans l'entrefer primaire sur le corps de la carcasse primaire ;
o une soupape solidaire de la carcasse primaire ;
dans lequel :
la pièce polaire délimite un alésage secondaire voisin de l'alésage primaire ;
- le circuit magnétique inclut un noyau secondaire ferromagnétique logé dans l'alésage secondaire et définissant avec la pièce polaire un entrefer secondaire ;
l'actionneur comprend un équipage mobile secondaire incluant : o une carcasse secondaire munie d'un corps tubulaire plongé dans l'entrefer secondaire ;
o une bobine secondaire enroulée dans l'entrefer secondaire sur le corps de la carcasse secondaire ;
o une soupape solidaire de la carcasse secondaire.
[0011] Cet actionneur est ainsi adapté à un moteur ayant quatre soupapes par cylindre tout en assurant des fonctions primordiales telles que :
- la rapidité du mouvement des soupapes, facilitant l'admission et l'évacuation des fluides dans ou hors du cylindre,
- une bonne course des soupapes et une force de déplacement des soupapes suffisante pour permettre de vaincre les efforts exercés par les gaz dans le cylindre, notamment lors de l'évacuation des gaz.
[0012] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : la bobine primaire et la bobine secondaire comprennent un circuit d'alimentation commun ;
la bobine primaire et la bobine secondaire comprennent chacune un circuit d'alimentation distinct ;
- l'armature comprend un couvercle permettant de solidariser le noyau primaire et le noyau secondaire avec la pièce polaire ;
le couvercle comprend deux doigts venant en prise chacun avec le noyau primaire ou le noyau secondaire, les deux doigts étant séparés l'un de l'autre d'un entraxe ;
- l'entraxe des doigts du couvercle est légèrement inférieur à un entraxe mesuré entre l'alésage primaire et l'alésage secondaire ; la bobine primaire et la bobine secondaire sont respectivement constituées d'une bobine primaire supérieure et d'une bobine primaire inférieure et, d'une bobine secondaire supérieure et d'une bobine secondaire inférieure ;
l'actionneur électromagnétique comprend une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure.
[0013] Il est proposé, en second lieu, un moteur à combustion interne comprenant un actionneur électromagnétique tel que présenté précédemment et, en troisième lieu, un véhicule automobile comprenant un moteur tel que présenté précédemment.
[0014] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un véhicule automobile muni d'un moteur à combustion interne ayant au moins un actionneur électromagnétique pour soupape ;
la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un cylindre du moteur de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe de l'actionneur électromagnétique selon un premier mode de réalisation ;
la figure 4 est une vue éclatée en perspective de dessus de l'actionneur électromagnétique ;
la figure 5 est une vue en coupe de l'actionneur électromagnétique selon un deuxième mode de réalisation ;
la figure 6 est une vue en coupe selon l'axe C-C de la figure 5. [0015] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile, ici un véhicule particulier, mais il pourrait s'agir de tout autre type de véhicule : utilitaire, camion, engin de chantier.
[0016] Le véhicule 1 est équipé d'un moteur 2 à combustion interne muni de cylindres 3 définissant des chambres 4 de combustion et dans lesquels sont montés coulissants des pistons 5 liés, par des bielles 6, à un vilebrequin 7 dont la rotation entraîne les roues 8 du véhicule 1 via une transmission (non représentée).
[0017] Le moteur 2 comprend, pour chaque cylindre 3 quatre soupapes 9 réparties par paire, à savoir deux soupapes 9a d'admission et deux soupapes 9b d'échappement.
[0018] Dans la suite de cette description, nous parlerons de soupapes 9, sans faire de référence particulière à leur utilisation pour l'admission ou l'échappement.
[0019] Chaque soupape 9 comprend une tige 10 qui s'étend suivant un axe X central qui définit une direction axiale. A une extrémité de la tige 10 est formée une tête 11. Chaque soupape 9 est mobile en translation par rapport à une culasse 12 du moteur 2 entre une position fermée dans laquelle la tête 11 de la soupape 9 s'appuie contre un siège 13 pour obturer un conduit 14 d'admission (ou, respectivement, un conduit 15 d'échappement) et une position ouverte dans laquelle la tête 11 est écartée du siège 13 pour mettre en communication le cylindre 3 avec le conduit 14 d'admission (ou, respectivement, le conduit 15 d'échappement).
[0020] Dans l'exemple illustré, le moteur 2 est du type diesel à injection directe et comprend, à cet effet, un injecteur 16 qui débouche directement dans la chambre 4 de combustion, mais il pourrait s'agir de tout autre type de moteur à combustion interne : essence, à injection indirecte, hybride.
[0021] Chaque soupape 9 est commandée en position par un actionneur 17 électromagnétique. Cet actionneur 17 est lui-même piloté par une unité 18 de contrôle informatisée équipée d'un processeur programmable.
[0022] L'actionneur 17 est représenté en coupe sur les figures 3 et 5 respectivement selon un premier et un deuxième mode de réalisation et en vue éclatée sur la figure 4, selon le premier mode de réalisation. L'actionneur 17 comprend une armature 19 ainsi que deux équipages 20, 21 mobiles à savoir un équipage 20 mobile primaire et un équipage 21 mobile secondaire.
[0023] L'armature 19 comprend :
un aimant 22 ;
- au moins une pièce polaire 23a, 23b ferromagnétique, et dans l'exemple illustré, une pièce supérieure 23a et une pièce inférieure 23b, entre lesquelles l'aimant 22 est pris en sandwich ;
un noyau 24 primaire ferromagnétique de forme sensiblement cylindrique définissant, avec les pièces 23a, 23b polaires, un entrefer 25 primaire ;
un noyau 26 secondaire ferromagnétique de forme sensiblement cylindrique définissant, avec les pièces 23a, 23b polaires, un entrefer 27 secondaire, et
un couvercle 28 venant en prise avec les deux noyaux 24, 26 comme il sera décrit ci-après.
[0024] Avantageusement, l'armature 19 comprend un alésage 29 primaire et un alésage 30 secondaire, voisin de l'alésage 29 primaire, dans lesquels sont respectivement reçus le noyau 24 primaire et le noyau 26 secondaire, les alésages 29, 30 primaire et secondaire étant pratiqués conjointement dans les pièces 23a, 23b polaires et l'aimant 22.
[0025] Le couvercle 28 est muni d'une plaque 31 et de deux doigts 32 aptes à venir se loger chacun dans l'un des noyaux 24, 26 primaire et secondaire. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures, et comme cela est visible sur la figure 6, les deux doigts 32 sont écartés l'un de l'autre d'un entraxe C1 légèrement inférieur à un entraxe P1 entre l'alésage 29 primaire et l'alésage 30 secondaire ce qui provoque une réduction des entrefers 25, 27 primaire et secondaire dans une région centrale de l'actionneur 17 électromagnétique.
[0026] L'équipage 20 mobile primaire comprend une carcasse 33 primaire, une bobine 34 primaire supérieure, une bobine 35 primaire inférieure et une soupape 9.
[0027] La carcasse 33 primaire comprend un corps 36 tubulaire ouvert à une extrémité 37 supérieure et pourvu d'une rainure 38 annulaire supérieure et d'une rainure 39 annulaire inférieure dans lesquelles sont respectivement logées la bobine 34 primaire supérieure et la bobine 35 primaire inférieure.
[0028] En outre, la carcasse 33 primaire comprend à une extrémité inférieure, un fond 40 sur lequel la soupape 9 est vissée au moyen de vis 41. Dans une variante non représentée sur les figures, la soupape 9 est soudée au fond 40 de la carcasse 33.
[0029] De même, l'équipage 21 mobile secondaire comprend une carcasse 42 secondaire, une bobine 43 secondaire supérieure, une bobine 44 secondaire inférieure et une soupape 9.
[0030] La carcasse 42 secondaire comprend un corps 45 tubulaire ouvert à une extrémité 46 supérieure et pourvu d'une rainure 47 annulaire supérieure et d'une rainure 48 annulaire inférieure dans lesquelles sont respectivement logées la bobine 43 primaire supérieure et la bobine 44 primaire inférieure.
[0031] En outre, la carcasse 42 secondaire comprend à une extrémité inférieure, un fond 49 sur lequel la soupape 9 est vissée au moyen de vis 41.
[0032] Selon le mode de réalisation représenté sur les figures, les bobines 34, 35 primaires supérieure et inférieure ainsi que les bobines 43, 44 secondaires supérieure et inférieure sont constituées d'un fil de section circulaire. Toutefois, pour diminuer les entrefers 25, 27 primaire et secondaire, les bobines peuvent être constituées d'un fil de section rectangulaire.
[0033] L'actionneur 17 électromagnétique est assemblé de la manière ci-après décrite.
[0034] L'armature 19 est d'abord assemblée par collage de l'aimant 22 sur la pièce 23a supérieure et la pièce 23b inférieure.
[0035] Le couvercle 28 est également collé au noyau 24 primaire et au noyau 26 secondaire par ses doigts 32 venant chacun en prise avec l'un des noyaux 24, 26.
[0036] Enfin, le noyau 24 primaire et le noyau 26 secondaire sont insérés respectivement dans l'alésage 29 primaire et dans l'alésage 30 secondaire et maintenus en position au moyen d'une bride (non représentée) venant maintenir le couvercle 28 avec l'une des pièces 23a, 23b polaires.
[0037] Avantageusement, le moyen de fixation choisi pour l'assemblage de l'armature 19 est le collage qui permet alors de s'affranchir des problèmes de perturbations du champ magnétique notamment engendrées lorsque l'assemblage est réalisé au moyen de vis.
[0038] Pour l'assemblage de l'équipage 20 mobile primaire, la bobine 34 primaire supérieure est insérée dans la rainure 38 annulaire supérieure de la carcasse 33 primaire, la bobine 35 primaire inférieure est insérée dans la rainure 39 annulaire inférieure de la carcasse 33 primaire et la soupape 9 est assemblée sur le fond 40 de la carcasse 33 primaire au moyen des vis 41.
[0039] Il en est de même pour l'équipage 21 mobile secondaire : la bobine 43 secondaire supérieure est insérée dans la rainure 47 secondaire annulaire supérieure de la carcasse 42 secondaire, la bobine 44 secondaire inférieure est insérée dans la rainure 48 secondaire annulaire inférieure de la carcasse 42 secondaire et la soupape 9 est assemblée sur le fond 49 de la carcasse 42 secondaire au moyen des vis 41. Dans une variante non représentée sur les figures, la soupape 9 est soudée au fond 49 de la carcasse 42.
[0040] L'actionneur 17 électromagnétique est enfin assemblé par l'insertion de l'équipage 20 mobile primaire et de l'équipage 21 mobile secondaire respectivement dans l'alésage 29 primaire et l'alésage 30 secondaire.
[0041] En fonctionnement, un courant électrique est transmis aux bobines 34, 35, 43, 44 afin d'interagir avec un champ magnétique généré par l'aimant 22 (représenté en traits mixtes sur les figures) visant à faire translater les équipages 20, 21 mobiles dans les alésages 29, 30 de l'armature 19.
[0042] Avantageusement, les bobines 34, 35 et 43, 44 sont construites de telle sorte qu'un même courant circule dans un sens opposé selon qu'il emprunte la bobine 34, 43 supérieure ou la bobine 35, 44 inférieure d'un même équipage 20, 21 mobile.
[0043] Afin d'écarter les soupapes 9 de l'armature 19 et ainsi mettre en connexion fluidique le conduit 14 d'admission ou le conduit 15 d'échappement avec la chambre 4 de combustion du cylindre 3, un courant positif est transmis aux bobines 34, 43 supérieures et35, 44 inférieures. La circulation en sens opposé du courant entre la bobine 34, 43 supérieure et la bobine 35, 44 inférieure, génère, par la loi de Laplace, une force permettant le déplacement des équipages 20, 21 mobiles.
[0044] Il suffit alors d'inverser la polarité du courant circulant dans les bobines 34, 43 supérieures et dans les bobines 35,44 inférieures pour rapprocher les soupapes 9 de l'armature 19 et ainsi supprimer la connexion fluidique entre le conduit 14 d'admission ou le conduit 15 d'échappement et la chambre 4 de combustion du cylindre 3.
[0045] Avantageusement, les équipages 20, 21 mobiles sont contrôlés indépendamment l'un de l'autre. Par exemple, l'équipage 21 mobile secondaire peut rester fermé alors que l'équipage 20 mobile primaire est ouvert.
[0046] Le réglage de l'intensité du courant transmis aux bobines 34, 35, 43, 44 permet de faire varier la vitesse d'ouverture et de fermeture des soupapes 9 mais également de faire varier l'écartement des soupapes 9 par rapport à l'armature 19 et ainsi de régler le débit de fluide circulant de la conduite 14 d'admission vers la chambre 4 de combustion ou de la chambre 4 de combustion vers la conduite 15 d'échappement.
[0047] Un avantage de la réduction des entrefers 25, 27 primaire et secondaire, par la différence entre les entraxes C1 et P1 réside dans l'augmentation de l'intensité du champ magnétique, à intensité de courant égale, dans une région centrale de l'actionneur 17 électromagnétique par rapport à l'intensité du champ magnétique dans une région périphérique opposée à la région centrale.
[0048] La présence d'une bobine 34, 43 supérieure et d'une bobine 35, 44 pour chacun des équipages 20, 21 mobile permet d'accroître les efforts transmis aux soupapes 9, au bénéfice de l'efficacité de l'actionneur 17 électromagnétique.
[0049] Une variante de l'actionneur 17 électromagnétique est représentée sur les figures 5 et 6.
[0050] Cette variante met en œuvre un moyen de refroidissement de l'actionneur 17 électromagnétique. En effet, l'utilisation de courants électriques élevés pour générer les efforts nécessaires au mouvement des soupapes 9, génère, dans certaines conditions d'utilisation de l'actionneur 17 électromagnétique, un excès de chaleur et, ainsi, un échauffement de l'actionneur 17 électromagnétique qui, combiné à la chaleur générée par le fonctionnement du moteur 2 lui-même, peut dégrader prématurément l'actionneur 17 électromagnétique.
[0051] Afin de refroidir l'actionneur 17 électromagnétique, l'aimant 22 est pourvu de deux conduits 50 de refroidissement débouchant chacun dans l'alésage 29 primaire ou dans l'alésage 30 secondaire.
[0052] Les carcasses 33, 42 primaire et secondaire sont alors pourvues d'une ceinture 51 annulaire, sensiblement centrale, qui, lorsque l'actionneur 17 électromagnétique est assemblé, est au droit d'un conduit 50 de refroidissement de sorte qu'un fluide de refroidissement, injecté dans l'armature 19, ne rencontre pas d'obstacle dès son entrée dans les alésages 29, 30 primaire et secondaire.
[0053] Avantageusement, la ceinture 51 présente une hauteur telle qu'en position haute, en position basse ou dans une position intermédiaire entre la position haute et la position basse des équipages 20, 21 mobiles, les conduits 50 de refroidissement soient face à cette ceinture 51.
[0054] En outre, la différence entre les entraxes C1 et P1 permet également d'augmenter la distance entre les noyaux 24, 26 primaire et secondaire et les conduits 50 de refroidissement débouchant dans les alésages 29, 30 primaire et secondaire, de sorte à faciliter l'introduction du fluide de refroidissement dans les entrefers 25, 27 primaire et secondaire.
[0055] Avantageusement, le fluide de refroidissement est injecté, depuis un compresseur, par des canalisations 52 venant se loger dans les conduits 50 de refroidissement. Ce fluide de refroidissement est représenté, sur les figures 5 et 6 par des lignes en traits pointillés.
[0056] Le refroidissement de l'actionneur 17 électromagnétique se fait alors par contact direct du fluide avec les bobines 34, 35 primaire supérieure et inférieure et les bobines 43, 44 secondaire supérieure et inférieure. Le fluide chaud ayant emmagasiné une partie de la chaleur des bobines 34, 35, 43, 44, est évacué de l'actionneur 17 électromagnétique à ses extrémités supérieure et inférieure puis récupéré dans un circuit moteur (non représenté).
[0057] Toutefois, si le fluide est de l'air, et, dans un but d'économie d'énergie et de recyclage, l'air chaud pourrait être récupéré pour être injecté dans le moteur 2, après un éventuel refroidissement et une éventuelle compression. [0058] En variante, un autre fluide que l'air pourrait être utilisé comme par exemple, de l'eau ou de l'huile qui présentent une capacité thermique et un coefficient de transfert thermique supérieurs que l'air.
[0059] Selon un mode de réalisation non représenté sur les figures, les conduits 50 de refroidissement sont réalisés dans les pièces 23a, 23b polaires ou conjointement dans les pièces 23a, 23b polaires et dans l'aimant 22.
[0060] Selon le mode de réalisation représenté sur les figures, les conduits 50 de refroidissement sont réalisés chacun sur une face différente de l'actionneur 17 électromagnétique.
[0061] Dans une variante non représentée sur les figures, les conduits 50 de refroidissement sont adjacents et sont réalisés sur une même face de l'actionneur 17 électromagnétique.
[0062] L'actionneur 17 électromagnétique qui vient d'être présenté comprend de nombreux avantages.
[0063] Premièrement, l'actionneur 17 électromagnétique offre l'avantage de réduire la dimension du moteur 2. En effet, un moteur 2 muni de ces actionneurs 17 électromagnétiques n'utilise pas d'arbre à cames, ce qui réduit l'encombrement du moteur 2, notamment en hauteur. Le gain d'encombrement permet de réduire la hauteur du compartiment moteur d'un véhicule 1 et ainsi autorise une forme plus aérodynamique du véhicule 1, qui devient alors moins consommateur de carburant et présente une silhouette plus attractive.
[0064] Deuxièmement, les actionneurs 17 sont adaptables aux moteurs 2 ayant quatre soupapes 9 par cylindre 3. En effet, la compacité des actionneurs 17 permet la commande de deux soupapes 9 adjacentes pour l'admission ou l'échappement d'un cylindre 3 du moteur 2.
[0065] Troisièmement, l'actionneur 17 électromagnétique autorise un contrôle précis des soupapes 9. Chaque soupape 9 d'un même actionneur 17 électromagnétique peut être commandée indépendamment de l'autre. Pour cela, chaque bobine 34, 35 primaire et 43, 44 secondaire est alimentée par un circuit électrique dédié. Au contraire, si les deux soupapes sont commandées simultanément, un unique circuit électrique pourra être utilisé. La précision du contrôle est apportée par la régulation de l'intensité du courant transmis aux bobines 34, 35, 43, 44 primaires et secondaires et assure alors une ouverture et une fermeture rapide des soupapes 9.
[0066] Quatrièmement, l'actionneur 17 électromagnétique permet de générer un champ magnétique assez important pour contrer la pression régnant dans la chambre 4 de combustion et autoriser l'ouverture des soupapes 9. Ainsi, un actionneur 17 électromagnétique tel que décrit peut être utilisé tant à l'admission qu'à l'échappement des cylindres 3 en lieu et place des arbres à cames.
[0067] Enfin, le refroidissement de l'actionneur 17 électromagnétique assure une meilleure durée de vie de l'actionneur 17, par la régulation de sa température de fonctionnement, et permet l'utilisation de l'actionneur 17 électromagnétique sur des moteurs 2 pouvant atteindre des régimes de fonctionnement, un couple et une puissance maximale élevés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur (17) électromagnétique pour soupape (9) de moteur (2) à combustion interne, qui comprend :
- une armature (19) définissant un circuit magnétique incluant :
o un aimant (22) ;
o une pièce (23a, 23b) polaire externe ferromagnétique en contact avec l'aimant (22), la pièce (23a, 23b) polaire délimitant un alésage (29) primaire ;
o un noyau (24) primaire ferromagnétique logé dans l'alésage
(29) primaire et définissant avec la pièce (23a, 23b) polaire un entrefer (25) primaire ;
un équipage (20) mobile primaire incluant :
o une carcasse (33) primaire munie d'un corps (36) tubulaire plongé dans l'entrefer (25) primaire,
o une bobine (34, 35) primaire enroulée dans l'entrefer (25) primaire sur le corps (36) de la carcasse (33) primaire ;
o une soupape (9) solidaire de la carcasse (33) primaire ;
caractérisé en ce que :
- la pièce (23a, 23b) polaire délimite un alésage (30) secondaire voisin de l'alésage (29) primaire ;
le circuit magnétique inclut un noyau (26) secondaire ferromagnétique logé dans l'alésage (30) secondaire et définissant avec la pièce (23a, 23b) polaire un entrefer (27) secondaire ;
- l'actionneur (17) comprend un équipage (21) mobile secondaire incluant :
o une carcasse (42) secondaire munie d'un corps (45) tubulaire plongé dans l'entrefer (27) secondaire ;
o une bobine (43, 44) secondaire enroulée dans l'entrefer (27) secondaire sur le corps (45) de la carcasse (42) secondaire ; o une soupape (9) solidaire de la carcasse (42) secondaire.
2. Actionneur (17) électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (34, 35) primaire et la bobine (43, 44) secondaire comprennent un circuit d'alimentation commun.
3. Actionneur (17) électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (34, 35) primaire et la bobine (43, 44) secondaire comprennent chacune un circuit d'alimentation distinct.
4. Actionneur (17) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature (19) comprend un couvercle (28) permettant de solidariser le noyau (24) primaire et le noyau (26) secondaire avec la pièce (23a, 23b) polaire.
5. Actionneur (17) électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couvercle (28) comprend deux doigts (32) venant en prise chacun avec le noyau (24) primaire ou le noyau (26) secondaire, les deux doigts (32) étant séparés l'un de l'autre d'un entraxe (C1).
6. Actionneur (17) électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'entraxe (C1) des doigts (32) du couvercle (28) est légèrement inférieur à un entraxe (P1) mesuré entre l'alésage (29) primaire et l'alésage (30) secondaire.
7. Actionneur (17) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine (34, 35) primaire et la bobine (43, 44) secondaire sont respectivement constituées d'une bobine (34) primaire supérieure et d'une bobine (35) primaire inférieure et, d'une bobine (43) secondaire supérieure et d'une bobine (44) secondaire inférieure.
8. Actionneur (17) électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce (23a) polaire supérieure et une pièce (23b) polaire inférieure.
9. Moteur (2) à combustion interne comprenant un actionneur (17) électromagnétique selon l'une des revendications précédentes.
10. Véhicule (1) automobile comprenant un moteur (2) à combustion interne selon la revendication précédente.
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