WO2016071597A1 - Système d'actionnement électromagnétique de soupapes pour un moteur a combustion interne - Google Patents

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WO2016071597A1
WO2016071597A1 PCT/FR2015/052729 FR2015052729W WO2016071597A1 WO 2016071597 A1 WO2016071597 A1 WO 2016071597A1 FR 2015052729 W FR2015052729 W FR 2015052729W WO 2016071597 A1 WO2016071597 A1 WO 2016071597A1
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WO
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valve
coil
electromagnetic actuator
acceleration
control device
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Application number
PCT/FR2015/052729
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English (en)
Inventor
Luiz Gustavo PORTO MENDES
Zlatina DIMITROVA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
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Publication date
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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
    • F01L9/26—Driving circuits therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L2009/2103—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising one coil
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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

Definitions

  • the invention relates to the control of the valves in an internal combustion engine. It relates, more specifically, a valve actuation system for such an engine.
  • An internal combustion engine is supplied during each cycle with a mixture comprising air and fuel (or fuel mixture).
  • Such an engine comprises at least one cylinder defining a combustion chamber, this combustion chamber being delimited, in an upper part, by a cylinder head, and in a lower part, by a piston movable within the cylinder.
  • the engine comprises, for each cylinder, at least one intake valve and an exhaust valve.
  • a valve 5 comprises a rod at the end of which is formed a head.
  • Each valve is movable in translation relative to the cylinder head of the engine between a closed position in which the head of the valve rests against a seat to close an intake duct (or, respectively, an exhaust duct) and a position open0 in which the head is spaced from the seat for communicating the combustion chamber with the intake duct (or respectively with the exhaust duct).
  • the control of the valves must meet the following constraints. First, the movement of the valves must be fast and accurate, to facilitate admission or evacuation of gases respectively.
  • valve stroke must be sufficient to ensure a high flow of gas, whether admission or evacuation.
  • forces transmitted to the valves must be important (especially evacuation) to overcome the pressure prevailing0 in the combustion chamber.
  • control system must be reliable to avoid any loss of power due to a malfunction thereof.
  • valves in the internal combustion engines
  • an actuating system comprising one or more camshaft (s) which drive the valves, either directly or indirectly through through 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.
  • Each actuator thus comprises one or more magnets that generate a magnetic field in which there is a coil carrying an electric current, the valve thus being able to move vertically in one direction, by the force of Laplace, when the coil is energized. by a positive current, and respectively in the opposite direction when it is supplied by a negative current.
  • Each electromagnetic actuator is controlled electrically by a control device which is itself controlled by a computer (also called engine control).
  • the computer is connected to different sensors that provide real-time data on the engine and in particular on the position of the crankshaft and the position of each valve relative to the cylinder head.
  • the controller and the computer are used to synchronize the valves with other engine components such as pistons.
  • a second phase in which the power supply of the coil is cut, upstream of the open position, to generate a negative current from the inertia stored by the valve, the negative current for braking the valve; a third phase in which the coil of the actuator is supplied with a negative current to allow the acceleration of the valve towards the closed position;
  • a fourth phase in which the power supply of the coil is cut, upstream of the closed position, to generate a positive current from the inertia stored by the valve, the positive current for braking the valve.
  • the electromagnetic actuator comprises a coil fixed with respect to the yoke, this coil being electrically powered during the first and third phases, and surrounding a movable magnet on which the valve is fixed.
  • this document also proposes, during the second and fourth phases, storing the energy of the currents induced in a capacitor. The stored energy is then reinjected during the first phases and fourth phases, thereby reducing the energy supplied by the power supply during these phases.
  • Such an architecture requires for each electromagnetic actuator the use of a capacitor for storing energy.
  • Such capacitors have a non-negligible bulk, typically of the order of 10 cm 3 per capacitor, this space increasing in proportion to the number of electromagnetic actuators.
  • the use of a capacitor by electromagnetic actuator also implies a non-negligible mass additional cost to manufacture.
  • such capacitors must be integrated near the actuators and therefore the engine, the latter being subject to significant thermal variations. From a thermal point of view, such components can therefore also be subject to strong temperature variations, which can damage them.
  • An objective is to provide a valve actuating system to overcome all the aforementioned drawbacks while optimizing the energy consumption of this system.
  • valve actuation system for an internal combustion engine, this system comprising
  • a first valve this first valve being actuated by a first electromagnetic actuator, said first electromagnetic actuator comprising a magnet generating a magnetic field and an electrically energized coil immersed in said magnetic field, the electrical power supply of the coil allowing alternately managing phases of accelerating and deceleration phases of the first valve, this power supply being carried out by a control device connected to the first electromagnetic actuator, said control device comprising
  • control device electrically supplies the coil to provide an acceleration phase to the first valve
  • control device does not electrically power the coil to provide a deceleration phase to the first valve, and collects during this phase an induced electrical energy generated by the coil;
  • this second valve being actuated by a second electromagnetic actuator, said second electromagnetic actuator, comprising at least one magnet generating a magnetic field and an electrically powered coil immersed in said magnetic field, the power supply of the coil for managing alternatively acceleration phases and deceleration phases of the second valve;
  • the induced electrical energy generated by the coil of the first electromagnetic actuator and collected by the control device is transmitted by this device to the coil of the second electromagnetic actuator, so as to use this electrical energy for the acceleration phase of the second valve.
  • this system comprises a computer configured for
  • control device is made from an H bridge comprising electronic switching components, the H bridge being electrically connected to the terminals of the coil of the first electromagnetic actuator so as to control the flow direction of the electric current in the coil.
  • the computer is configured to control the state of the electronic switching components of the H bridge, via pulse width modulated signals, these signals being provided by the computer according to the identification of the acceleration and deceleration phases of each valve.
  • control device is electrically connected to a voltage source for its supply voltage and current.
  • this system comprises between the voltage source and the control device a voltage chopper device, configured to control the power supply and voltage of the control device.
  • the voltage chopper device is produced by electronic switching components, the computer being further configured to control the state of these electronic switching components via pulse width modulated signals, these signals being supplied by the computer according to the identification of the acceleration and deceleration phases of each valve.
  • the coil of an electromagnetic actuator is integral with the valve and the magnet is fixed relative to a cylinder head of the internal combustion engine.
  • a motor vehicle comprising such an internal combustion engine.
  • Figure 1 is a schematic view illustrating a vehicle (dashed) equipped with an internal combustion engine (solid line);
  • Figure 2 is a graph illustrating the evolution of the position of a valve of the internal combustion engine during a lift cycle
  • FIG. 3 is a schematic partial sectional view illustrating the engine, equipped with valves controlled by an actuating system
  • FIGS. 4a, 4b, 4c are electrical representations of an electromagnetic actuator control device, and electrical current flow direction in this device, according to one embodiment
  • FIGS. 5a, 5b and 5c are curves of energies and electric currents present in an electromagnetic actuator control device according to one embodiment;
  • Figures 6a and 6b illustrate the flow direction of electric currents in an electromagnetic actuator control device according to one embodiment.
  • Figure 1 is shown a vehicle 1 automobile - here a particular vehicle but it could be any other type of vehicle: utility, truck, construction equipment or helicopter.
  • 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 linked, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation drives 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 linked, by connecting rods 6, to a crankshaft 7 whose rotation drives the wheels 8 of the vehicle 1 via a transmission (not shown).
  • FIG. 3 is a schematic partial sectional view.
  • the engine 2 comprises, for each cylinder 3, at least one intake valve 9 and an exhaust valve 10.
  • Each valve 9, 10 comprises a rod 11 which extends along a central axis X which defines an axial direction. At one end of the rod 11 is formed a head 12.
  • Each valve 9, 10 is movable in translation relative to a cylinder head 13 of the engine 2 between a closed position in which the head 12 of the valve 9, 10 is supported against a seat 14 for closing an intake duct 15 (or, respectively, an exhaust duct 16) and an open position in which the head 12 is spaced from the seat 14 to put the cylinder 3 in communication with the duct 15 of admission (or, respectively, the exhaust duct 16).
  • the engine 2 is of the diesel direct injection type and comprises, for this purpose, an injector 17 which opens directly into the combustion chamber 4, but it could be any other type of internal combustion engine: gasoline, indirect injection, hybrid.
  • an actuating system 18 controls all of the valves 9, 10 of the internal combustion engine 2.
  • This actuating system 18 comprises, for each valve 9, 10, an electromagnetic actuator 19 actuating the valve 9, 10 and a control device 20 controlling this actuator 19.
  • the various control devices 20 associated with the valves 9, 10 of the motor 2 being themselves under control of a computer 21, also called engine control.
  • a single control device 20 can control the electromagnetic actuators 19 associated, each, with a valve 9, 10.
  • the computer 21 is connected to different sensors (not shown) which provide real-time data on the engine 2 and in particular on the position of the crankshaft 7 (via for example a position sensor) and the position of each valve 9, 10 with respect to the yoke 13 (for example via a dynamic valve lift sensor).
  • the computer 21 independently controls each electromagnetic actuator 19 via the control device 20 with which it is associated in order to synchronize the valves 9, 10 with the other elements of the engine 2 such as the pistons 5 .
  • Pistons 5 of an internal combustion engine 2 are generally out of phase with each other.
  • an internal combustion engine 2 comprising four cylinders 3 may have two external pistons set at 180 ° with the two internal pistons, this setting making it possible to optimize the operation of the engine 2.
  • the computer 21 makes it possible, in this case, thanks to feedback from the various sensors, to drive the electromagnetic actuators 19 via the control devices 20 in a time-shifted manner according to the architecture of the motor 2 chosen.
  • each electromagnetic actuator 19 comprises at least one magnet 22 generating a magnetic field, and a coil 23 immersed in this field and electrically connected to the control device 20.
  • the magnet 22 is integral with the valve 9,
  • the coil 23 is integral with the valve 9, 10 and the magnet 22 is fixed relative to the cylinder head 13.
  • the second embodiment is preferred, because it allows vis-à-vis the previous a better control of the displacement of each valve 9 10.
  • a valve 9, 10 integral with a magnet 22 has a larger mass. The setting in motion of such a valve 9, 10 therefore requires a larger amount of energy and makes its braking more difficult, particularly at high engine speed, the inertial forces then being higher.
  • the second embodiment is therefore considered in the remainder of this description. Nevertheless, the first embodiment is also applicable to the embodiments described below.
  • each electromagnetic actuator 19 is immersed in a magnetic field, the presence of an electric current in this coil 23 then allows it to move it via a Laplace force and therefore to communicate a movement to each valve 9, 10. It is then possible to control the position of each valve 9, 10 in four time phases.
  • FIG. 2 provides a better understanding of how such a control is performed.
  • This figure illustrates the different positions P of a valve 9, 10 during the time T during a lifting cycle. It is assumed here, by convention, that the supply of the coil 23 with a positive current allows the displacement of the valve 9, 10 from a closed position PF to an open position PO, and vice versa, that the supply of the coil 23 with a negative current allows the displacement of the valve 9, 10 from the open position PO to the closed position PF.
  • the positions PU and PI2 are intermediate positions between the closed position PF and the open position PO of the valve 9, 10. In the course of a valve lift cycle 9, the following four phases are distinguished:
  • a first phase PH1 during which the coil 23 of the electromagnetic actuator 19 is supplied with a positive current, to provide an acceleration to the valve 9, 10 from the closed position PF to an intermediate position PU towards the open position PO ;
  • a second phase PH2 during which the power supply of the coil 23 is cut off, starting from the intermediate position PU, to generate a negative current resulting from the inertia stored by the valve 9, 10, this negative current for decelerating the valve 9, 10 to the open position PO;
  • a third phase PH3 during which the coil 23 of the actuator is supplied with a negative current, to provide an acceleration to the valve 9, 10 from the open position PO to an intermediate position PI2 towards the closed position PF;
  • a fourth phase PH4 in which the power supply of the coil 23, from the intermediate position PI2, is cut to generate a positive current from the inertia stored by the valve 23, this positive current for decelerating the valve 9 , 10 to the open position PF.
  • the acceleration of the valve 9, 10 during the first phase PH1 and the third phase PH3 is made possible by the creation of a force according to the Laplace principle.
  • the deceleration of the valve 9, 10 during the second phase PH2 and the fourth phase PH4 results in turn from the Lenz-Faraday principle: after its acceleration, the coil 23 is made mobile in the magnetic field under the effect of the forces of 'inertia. It then appears in accordance with this principle, an electromotive force across the coil 23. This electromotive force then induces in the coil 23 the flow of a current opposite to that of the acceleration. The appearance of such a current then generates a Laplace force opposing the inertial movement of the coil 23, causing its deceleration and thus the deceleration of the valve 9, 10 actuated by the electromagnetic actuator 19.
  • the electric current for accelerating the valve 9, 10 during the first phase PH1 and the third phase PH3, is provided by the control device 20 associated with each electromagnetic actuator 19.
  • this control device 20 can, if necessary, provide a reverse current to the current allowing the acceleration of the valve 9, 10 to facilitate its deceleration.
  • control device 20 associated with each electromagnetic actuator 19 is designed to have at least two configurations: an active configuration in which the control device supplies the coil 23 of the electromagnetic actuator electrically via a current to provide an acceleration (and possibly deceleration) phase for the valve 9, 10;
  • FIG. 4a illustrates an embodiment of a control device 20 electrically connected to the coil 23 of an electromagnetic actuator 19 according to one embodiment.
  • the coil 23 of the electromagnetic actuator 19 is modeled by an inductance Lbob, a function of the number of turns of this coil 23, and an internal resistance Rint.
  • the electromotive force induced by this coil 23 during the acceleration and deceleration phases of the valve 9, 10 is symbolized here by the voltage generator Vbob.
  • the dashed rectangles delimit the coil 23 of the electromagnetic actuator 19 and the control device 20.
  • control device 20 comprises an H-bridge structure, connected to the terminals of the coil 23 of the electromagnetic actuator 19, the H-bridge being configured to control the flow direction of the currents. electric through this coil 23.
  • the H bridge is made from four switching electronic components T1, T2, T3, T4.
  • the electronic switching components are field effect transistors with metal-oxide-semiconductor structure MOSFET.
  • any other type of transistor, and more generally, any other electronic switching component T1, T2, T3, T4 can be used: for example bipolar transistors, JFET type transistors, relays or switches.
  • the manner in which the electronic switching components T1, T2, T3, T4 constituting the H-bridge are connected to the coil 23 is thus given by way of purely illustrative example.
  • the states of the electronic switching components T1, T2, T3, T4 of the H bridge are controlled by pulse width modulated signals PWM (acronym for "Pulse Width Modulation") provided by the computer 21 of the vehicle 1.
  • PWM pulse width modulated signals
  • the transistors T1 and T4 are connected by their gate to be controlled by the same PWM2 signal (respectively PWM1).
  • the signals PWM1 and PWM2 are pulse width modulated signals controlled by the computer 21 of the vehicle 1.
  • each transistor T1, T2, T3, T4 is controlled individually via its gate, by a modulated pulse width signal from the computer 21.
  • each transistor T1, T2, T3, T4 further comprises, respectively at its terminals a diode D1, D2, D3, D4 connected in parallel and in reverse.
  • each of these diodes D1, D2, D3, D4 acts as a non-return diode, making it possible to protect the transistor T1, T2, T3, T4 from the inverse currents in the forward direction of these transistors, these inverse currents being from the coil 23 of the electromagnetic actuator 19 during the deceleration phases of the valve 9, 10.
  • the control device 20 is electrically connected to a source for its supply of current and voltage.
  • the H-bridge is electrically powered in voltage with respect to a ground GND, and in current, by the battery of the vehicle 1, symbolized here by the voltage generator Vbat.
  • a filter can be made between the battery and the H-bridge, so as to filter the resonant frequencies in the control device, these frequencies being likely to appear for high engine speeds.
  • An example of an LC type filter is illustrated in FIG. 4a, this filter being made by an inductance L arranged in series after the voltage source Vbat and a capacitor C arranged in parallel between the input of the H bridge and the GND mass. .
  • a voltage chopper device is formed at the output of the battery, so as to control the voltage resulting from the latter as required.
  • Such a device is produced using electronic switching components T5, T6.
  • This device therefore makes it possible to connect or disconnect the power supply supplied by the battery to the H-bridge, and thus to control the possible power supply of the coil of the electromagnetic actuator 19, allowing the acceleration of the valve 9,
  • these electronic switching components T5, T6 are also controlled simultaneously or individually by a pulse width modulated signal from the computer 21.
  • transistor T6 MOSFET connected between the inductance L and the capacitance C
  • transistor T7 MOSFET connected between the inductor L and the ground GND
  • the transistors T6, T7 being respectively controlled by a signal PWM3, PWM4 applied on their grid via the computer 21 of the vehicle 1.
  • control device 20 allows via a suitable control states of the switching electronic components T1, T2, T3, T4, T5, T6 by the computer 21, the management of the acceleration phases. (phase PH1 or PH3) or deceleration (phase PH2 or PH4) of a first valve 9, 10.
  • Figures 4b and 4c illustrate flow directions of electric currents in a control device 20 similar to that of Figure 4a.
  • an acceleration phase relating to
  • the phase PH1 is obtained via the control of the signals PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 by the computer, so as to render the transistors T2, T3, T5, T6 in an on state (ie conductors) and the transistors T1 , T4 in an open state (i.e., locked).
  • Such a configuration then allows the circulation of a positive current il in the coil thus allowing the acceleration of the valve 9, 10 in a first direction.
  • the circulation of the current is here symbolized in Figure 4b, in the form of dotted arrows;
  • phase PH2 is obtained by controlling the signals PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 by the computer, so as to render transistors T1, T4, T5, T6 in an on state and transistors T2, T3 in an open state.
  • Such a configuration then allows the circulation of a negative current i2 in the coil thus allowing the acceleration of the valve 9, 10 in a second direction.
  • the circulation of the current i2 is here symbolized in FIG. 4c,
  • the control device 20 described above further comprises an interconnection with at least one second electromagnetic actuator control device 19 for a second valve 9, 10.
  • a second control device can be similarly realized. or differently from the control device described above.
  • FIGS. 4a, 4b, 4c such an interconnection to a second control device is symbolized via the conductive wires 24, 25 shown in dotted lines.
  • control device is configured to
  • control devices similar to that described above are interconnected. According to one embodiment, these devices can then transmit during a deceleration phase of their valves 9, 10, the electrical energy induced by the coils 23 of their respective electromagnetic actuators 19, towards the same coil of another electromagnetic actuator 19. associated with a valve 9, 10 in the deceleration phase. According to another embodiment, a control device 20 sends the electrical energy induced by the coil 23 of its respective electromagnetic actuator 19 via the interconnection to a plurality of coils 23 electromagnetic actuators 19 including their respective valve 9, 10 in the deceleration phase.
  • control of the acceleration and deceleration phases of a valve 9, 10 as well as the use of the interconnection of the control device 20 are controlled by the computer 21 of the vehicle 1, via the control of the states of the switching electronic components T1, T2, T3, T4, T5, T6.
  • the control of the state of the switching electronic components T1, T2, T3, T4, T5, T6 is determined by the computer 21 as a function of the phase in which each valve 9, 10 is located.
  • the acceleration and deceleration phases of each valve 9, 10 are determined from information returned to the computer 21 by sensors determining the position of each valve 9, 10 relative to the cylinder head.
  • these phases are determined by the computer 21 as a function of the angular position of the crankshaft 7.
  • one or more voltage sensors and / or current sensors are further arranged in the 20 control device and their measurements to the computer 21, so that it determines the acceleration or deceleration phases of each valve 9, 10. These phases are, by way of examples, determined in comparison with modelizations theoretical or sets of measurements prerecorded in the calculator 21.
  • curve 5a illustrates the Joule variation (J) of the kinetic energy (ordinate) present in the control device, resulting from the movement of the valve 9, 10, as a function of the angular position in degree of the crankshaft. 7 (as abscissa);
  • curve 5b illustrates the variation in Joule (J) of the inductive energy (ordinate), that is to say the energy stored by the coil of the electromagnetic actuator 19, as a function of the angular position in degrees crankshaft 7 (as abscissa);
  • curve 5c illustrates the electric current (A) in amperes (ordinate) flowing in the coil of the electromagnetic actuator 19, as a function of the angular position in degree of the crankshaft 7 (in the abscissa).
  • phase i and ii correspond to deceleration phases of the valve 9, 10. More specifically, the phase i corresponds to a deceleration phase of the valve 9, 10 before its maximum lifting in an open position PO, while the phase ii corresponds to a deceleration phase of the valve 9, 10 before its docking against the seat 14 in the closed position PF. As stated previously, during these phases an electromotive force appears at the terminals of the coil 23 of the actuator
  • phase iii corresponds to an acceleration phase of the valve 9, 10 during the first phase
  • the iv and v phases correspond to a deceleration phase of the valve 9, 10 before its docking against the seat 14 in a closed position PF.
  • the inductive energy peaks observed, are explained by the large variations in the electric current flowing through the coil 23 of the electromagnetic actuator 19, here between -50 and 80 amperes. These currents variations then allow storage in electromagnetic form of an inductive energy in the coil 23 of the electromagnetic actuator 19.
  • the battery (voltage source Vbat) does not electrically supply the control device 20 during the deceleration phases. coil 23 to which is connected this device thus becomes for it a source of electrical power in voltage and current.
  • a suitable control by the computer 21 of the electronic switching components T1, T2, T3, T4, T5, T6 during the phases iii, iv, v then makes it possible to recover this energy and to transmit it via the interconnection to another valve 9 , 10 in the acceleration phase.
  • the computer 1 is then able to identify each of the phases i, ii, iii, iv, v depending on the angular position of the crankshaft 7, 1 information concerning this position being raised by a sensor to the computer 1.
  • the computer 1 is therefore capable as a function of information raised by sensors (eg crankshaft angle 7, position of the valves 9, 10).
  • the switching electronic components T1, T2, T3, T4, T5, T6 can be controlled in order to recover the kinetic or inductive energy associated with these phases and to send these energies to at least one other valve 9, 10 identified as being in an acceleration phase.
  • Figures 6a and 6b show the notations introduced for Figures 4a, 4b, 4c.
  • the computer 21 identifies a phase i, ii, iii, iv, v for a valve 9, 10 with respect to the angular position of the crankshaft 7 and switches the electronic switching components T1, T2, T3 , T4, T5, T6 as follows:
  • the computer controls the signals PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 so as to render the transistors T2, T3 in an on state and the transistors T1, T4, T5, T6 in one open state.
  • the dashed arrows illustrate the flow direction of the electric currents relating to the phases i or iii.
  • the currents circulating during the phases i, iii are respectively symbolized by the dotted arrows iph1, iph3, above the voltage source Vbob modeling the induced electromotive force and inductance Lbob modeling the coil 23 of the electromagnetic actuator 19.
  • such a command therefore makes it possible to recover the kinetic / inductive energy of the phases i / iii via the currents iph1 / iph3, and their transmission to another valve 9, identified by the computer 21 as being in the acceleration phase. ;
  • the computer 21 controls the signals PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 so as to render the transistors T1, T4 in an on state and the transistors T1, T4, T5 , T6 in an open state.
  • the dashed arrows illustrate the flow direction of the electric currents relating to the phases ii, iv or v.
  • the currents flowing during the phases ii, iv, v are respectively symbolized by the dotted arrows iph2, iph4, iph5 above the voltage source Vbob and the inductance Lbob.
  • such a command therefore makes it possible to recover the kinetic / inductive energy of the phases ii / iv, v via the currents iph2 / iph3, iph4, iph5 and their transmission to another valve 9, identified by the computer 1 as being in the acceleration phase.
  • control device 20 is designed to adapt to the different speeds of rotation of the motor 2.
  • Various curves making it possible to identify the variations of the kinetic energy and of the inductive energy in this device can therefore be determined according to different engine speeds.
  • These energy variation curves are, by way of example, simulated or measured according to data such as the crankshaft angle 7 and / or voltages / currents present in the control device, for a fixed engine speed. .
  • the values associated with these curves can then be recorded in the computer 21 so that it can determine the deceleration periods allowing the recovery and the sending of kinetic energy and / or inductive, to the coil 23 of the electromagnetic actuator 19 of another valve 9, 10 in the acceleration phase.
  • the electrical currents through the coil 23 are high: of the order of ten amperes.
  • the inductive energy induced in the control device 20 then makes it possible to provide voltages much higher than the voltage of the battery.
  • Such a control device 20 therefore makes it possible to increase the power. It is thus possible to transmit the electrical energy present in the control device 20 to one or more valves 9, 10 in acceleration phases, thus facilitating their actuation. This also makes it possible to increase the electric current more quickly in the valve actuating system 18, 9 and thus to improve the reactivity time of this system. It is thus possible to reduce the power consumption for the actuation of these valves 9, 10 and thus reduce the power consumption in the actuating system 18, this reduction being of the order of 40% compared to existing systems .
  • valve 9, 10 in the deceleration phase, the fact of transferring its kinetic energy, allows better control of its braking. This also makes it possible to ensure that the docking of the valve 9, against the seat 14 when it is closed, takes place with a kinetic energy that is almost zero.
  • the valve 9, 10 thus impacts the seat 9, 10, with a very low speed compared to the usual distribution systems: for a revolutions of 6000 revolutions per minute we obtain a speed of 0.1m / s to 0.1mm of the docking, while a mechanical system has a speed of 1 m / s at the same distance. This allows an acoustic point of view a control of its noise unlike existing systems.
  • the system 18 for actuating valves 9, 10, via its control device 20, allows a better control of the overall control of the valves 9, 10 vis-à-vis the existing models.
  • the proposed control device 20 directly transfers the energy recovered during the deceleration phases of each valve 9, 10. Compared to control devices storing the recovered energy, the control device 20 has the advantages of reduce losses by Joule effect, and thus reduce the average temperature of the actuator 19 electromagnetic. This therefore allows an increase in the life of this type of device.
  • such a valve actuating system 18, 10 has the advantage of adaptability to the different speeds of rotation of the engine 2, unlike systems using mechanical control devices.

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Abstract

Système (18) d'actionnement de soupapes (9,10) pour un moteur (2) à combustion interne comprenant une première et une deuxième soupape (9,10) respectivement actionnées par un premier et un deuxième actionneur (19) électromagnétique, chaque actionneur (19) électromagnétique comprenant un aimant (22) générant un champ magnétique et une bobine (23) alimentée électriquement plongée dans ce champ, l'alimentation électrique de chaque bobine (23) permettant de gérer alternativement des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape (9,10), ce système (18) comprenant un dispositif (20) de commande configuré pour transmettre durant une phase de décélération de la première soupape (9,10) et une phase d'accélération de la deuxième soupape (9,10), une énergie électrique induite générée par la bobine du premier (19) actionneur électromagnétique vers la bobine (23) du deuxième actionneur (19) électromagnétique, de sorte à utiliser cette énergie électrique pour la phase d'accélération de la deuxième soupape (9,10).

Description

SYSTÈME D'ACTIONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE DE SOUPAPES POUR
UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
[0001] L'invention a trait à la commande des soupapes dans un 5 moteur à combustion interne. Elle concerne, plus précisément, un système d'actionnement de soupapes pour un tel moteur.
[0002] Un moteur à combustion interne est alimenté lors de chaque cycle par un mélange comprenant de l'air et du carburant (ou mélange carburé). Un tel moteur comprend au moins un cylindre définissant une0 chambre de combustion, cette chambre de combustion étant délimitée, dans une partie supérieure, par une culasse, et dans une partie inférieure, par un piston mobile au sein du cylindre.
[0003] Le moteur comprend, pour chaque cylindre, au moins une soupape d'admission et une soupape d'échappement. Une soupape5 comprend une tige au bout de laquelle est formée une tête. Chaque soupape est mobile en translation par rapport la culasse du moteur entre une position fermée dans laquelle la tête de la soupape s'appuie contre un siège pour obturer un conduit d'admission (ou, respectivement, un conduit d'échappement) et une position ouverte0 dans laquelle la tête est écartée du siège pour mettre en communication la chambre de combustion avec le conduit d'admission (ou, respectivement avec le conduit d'échappement).
[0004] La commande des soupapes doit satisfaire les contraintes suivantes. D'abord, le mouvement des soupapes doit être rapide et5 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. De plus, les efforts transmis aux soupapes doivent être importants (notamment à l'évacuation) pour vaincre la pression régnant0 dans la chambre de combustion. Enfin, le système de commande doit être fiable pour éviter notamment toutes pertes de puissance dues à un dysfonctionnement de celui-ci.
[0005] Traditionnellement, la commande des soupapes dans les moteurs à combustion interne est réalisée mécaniquement par un5 système d'actionnement 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.
[0006] Cette technique a fait ses preuves mais elle présente un inconvénient majeur : elle ne permet aucune régulation de la commande des soupapes.
[0007] Une technique alternative de commande des soupapes est l'actionnement électromagnétique. Dans cette technique, chaque soupape est entraînée au moyen d'un actionneur électromagnétique. Chaque actionneur comprend ainsi un ou plusieurs aimants qui génèrent un champ magnétique au sein duquel se trouve une bobine parcourue par un courant électrique, la soupape étant ainsi apte à se mouvoir verticalement dans un sens, par la force de Laplace, lorsque la bobine est alimentée par un courant positif, et respectivement dans le sens inverse lorsqu'elle est alimentée par un courant négatif.
[0008] Chaque actionneur électromagnétique est piloté électriquement par un dispositif de commande qui est lui-même piloté par un calculateur (également appelé contrôle moteur). Le calculateur est relié à différents capteurs qui lui fournissent en temps réel des données sur le moteur et notamment sur la position du vilebrequin et la position de chaque soupape par rapport à la culasse. Le dispositif de commande et le calculateur permettent de synchroniser les soupapes avec les autres éléments du moteur tels que les pistons.
[0009] Lorsque l'actionnement est électromagnétique, les motoristes distinguent quatre phases lors de la commande d'une soupape au cours d'un cycle de levée, ce cycle correspondant à l'ouverture de la soupape c'est à dire au passage de la soupape d'une position fermée à une position ouverte, et à la fermeture de la soupape c'est-à-dire au passage de la soupape de la position ouverte à la position fermée.
[0010] Afin d'expliciter ces quatre phases, on suppose par exemple que l'alimentation de la bobine avec un courant positif permet le déplacement de la soupape de la position fermée vers la position ouverte, et inversement, l'alimentation de la bobine avec un courant négatif permet le déplacement de la soupape de la position ouverte vers la position fermée, ces quatre phases étant ainsi définies de la manière suivante : une première phase dans laquelle on alimente la bobine de l'actionneur avec un courant positif pour permettre l'accélération de la soupape en direction de la position ouverte ;
une deuxième phase dans laquelle on coupe l'alimentation électrique de la bobine, en amont de la position ouverte, pour générer un courant négatif issu de l'inertie emmagasinée par la soupape, ce courant négatif permettant de freiner la soupape ; une troisième phase dans laquelle on alimente la bobine de l'actionneur avec un courant négatif pour permettre l'accélération de la soupape en direction de la position fermée ;
une quatrième phase dans laquelle on coupe l'alimentation électrique de la bobine, en amont de la position fermée, pour générer un courant positif issu de l'inertie emmagasinée par la soupape, ce courant positif permettant de freiner la soupape.
[0011] L'ensemble de ces phases sont, par exemple, décrites dans le brevet japonais JPH10131726. Dans ce document, l'actionneur électromagnétique comprend une bobine fixe par rapport à la culasse, cette bobine étant alimentée électriquement durant les premières et troisièmes phases, et entourant un aimant mobile sur lequel est fixée la soupape. Afin d'améliorer la consommation énergétique du dispositif de commande de soupapes, ce document propose, en outre, lors des deuxièmes et quatrièmes phases, de stocker l'énergie des courants induits dans un condensateur. L'énergie stockée est alors réinjectée durant les premières phases et quatrièmes phases, permettant ainsi de diminuer durant ces phases l'énergie fournie par l'alimentation électrique.
[0012] Une telle architecture présente cependant plusieurs inconvénients.
[0013] En effet, d'un point de vue électrique, une telle architecture nécessite pour chaque actionneur électromagnétique l'utilisation d'un condensateur pour le stockage de l'énergie. De tels condensateurs présentent un encombrement non-négligeable, typiquement de l'ordre de 10 cm3 par condensateur, cet encombrement augmentant proportionnellement au nombre d'actionneurs électromagnétiques. L'utilisation d'un condensateur par actionneur électromagnétique implique, en outre, un ajout de masse non-négligeable ainsi qu'un surcoût à la fabrication. Par ailleurs, afin de minimiser les risques de pertes énergétiques, de tels condensateurs doivent être intégrés à proximité des actionneurs et donc du moteur, ce dernier étant sujet à d'importantes variations thermiques. D'un point de vue thermique, de tels composants peuvent donc être aussi sujets à de fortes variations de températures, risquant d'endommager ces derniers.
[0014] Un objectif est de proposer un système d'actionnement de soupape permettant de palier l'ensemble des inconvénients précités, tout en optimisant la consommation énergétique de ce système.
[0015] A cet effet, il est proposé, selon un premier aspect, un système d'actionnement de soupapes pour un moteur à combustion interne, ce système comprenant
une première soupape, cette première soupape étant actionnée par un premier actionneur électromagnétique, ledit premier actionneur électromagnétique comprenant un aimant générant un champ magnétique et une bobine alimentée électriquement plongée dans ledit champ magnétique, l'alimentation électrique de la bobine permettant de gérer alternativement des phases d'accélération et des phases de décélération de la première soupape, cette alimentation électrique étant réalisée par un dispositif de commande raccordé au premier actionneur électromagnétique, ledit dispositif de commande comprenant
o une configuration active dans laquelle le dispositif de commande alimente électriquement la bobine pour procurer une phase d'accélération à la première soupape ;
o une configuration passive dans laquelle le dispositif de commande n'alimente pas électriquement la bobine pour procurer une phase de décélération à la première soupape, et recueille durant cette phase une énergie électrique induite générée par la bobine ;
une deuxième soupape, cette deuxième soupape étant actionnée par un deuxième actionneur électromagnétique, ledit deuxième actionneur électromagnétique, comprenant au moins un aimant générant un champ magnétique et une bobine alimentée électriquement plongée dans ledit champ magnétique, l'alimentation électrique de la bobine permettant de gérer alternativement des phases d'accélération et des phases de décélération de la deuxième soupape ;
durant une phase de décélération de la première soupape et une phase d'accélération de la deuxième soupape, l'énergie électrique induite générée par la bobine du premier actionneur électromagnétique et recueillie par le dispositif de commande, est transmise par ce dispositif à destination de la bobine du deuxième actionneur électromagnétique, de sorte à utiliser cette énergie électrique pour la phase d'accélération de la deuxième soupape.
[0016] Avantageusement, ce système comprend un calculateur configuré pour
identifier les phases d'accélération et de décélération de chaque soupape du moteur à combustion interne à partir d'informations issues de capteurs ;
- contrôler l'alimentation électrique du dispositif de commande en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape.
[0017] Avantageusement, dans ce système, le dispositif de commande est réalisé à partir d'un pont en H comprenant des composants électroniques de commutation, le pont en H étant connecté électriquement aux bornes de la bobine du premier actionneur électromagnétique de sorte à contrôler le sens de circulation du courant électrique dans la bobine.
[0018] Avantageusement, dans ce système, le calculateur est configuré pour commander l'état des composants électroniques de commutation du pont en H, via des signaux modulés en largeur d'impulsions, ces signaux étant fournis par le calculateur en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape.
[0019] Avantageusement, dans ce système, le dispositif de commande est connecté électriquement à une source de tension permettant son alimentation en tension et en courant.
[0020] Avantageusement, ce système comprend entre la source de tension et le dispositif de commande un dispositif hacheur de tension, configuré pour contrôler l'alimentation en courant et tension du dispositif de commande. [0021] Avantageusement, dans ce système, le dispositif hacheur de tension est réalisé par des composants électroniques de commutation, le calculateur étant en outre configuré pour commander l'état de ces composants électroniques de commutation via des signaux modulés en largeur d'impulsions, ces signaux étant fournis par le calculateur en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape.
[0022] Avantageusement, dans ce système, la bobine d'un actionneur électromagnétique est solidaire de la soupape et l'aimant est fixe par rapport à une culasse du moteur à combustion interne.
[0023] Il est proposé, selon un deuxième aspect, un moteur à combustion interne comprenant un système d'actionnement de soupapes tel que résumé ci-dessus.
[0024] Il est proposé, selon un troisième aspect, un véhicule automobile comprenant un tel moteur à combustion interne.
[0025] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de modes de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue schématique illustrant un véhicule (en pointillés) équipé d'un moteur à combustion interne (en trait plein) ;
la figure 2 est un graphique illustrant l'évolution de la position d'une soupape du moteur à combustion interne lors d'un cycle de levée ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe partielle illustrant le moteur, équipé de soupapes commandées par un système d'actionnement ;
les figures 4a, 4b, 4c sont des représentations électriques d'un dispositif de commande d'actionneur électromagnétique, et de sens de circulation de courants électriques dans ce dispositif, selon un mode de réalisation ;
les figures 5a, 5b et 5c sont des courbes d'énergies et de courants électriques présents dans un dispositif de commande d'actionneur électromagnétique selon un mode de réalisation ; les figures 6a et 6b illustrent le sens de circulation de courants électriques dans un dispositif de commande d'actionneur électromagnétique selon un mode de réalisation.
[0026] 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 ou hélicoptère.
[0027] En référence à cette figure, 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).
[0028] La figure 3 est une vue schématique en coupe partielle. Tel qu'illustré cette figure, le moteur 2 comprend, pour chaque cylindre 3, au moins une soupape 9 d'admission et une soupape 10 d'échappement. Chaque soupape 9, 10 comprend une tige 11 qui s'étend suivant un axe X central qui définit une direction axiale. A une extrémité de la tige 11 est formée une tête 12. Chaque soupape 9, 10 est mobile en translation par rapport à une culasse 13 du moteur 2 entre une position fermée dans laquelle la tête 12 de la soupape 9, 10 s'appuie contre un siège 14 pour obturer un conduit 15 d'admission (ou, respectivement, un conduit 16 d'échappement) et une position ouverte dans laquelle la tête 12 est écartée du siège 14 pour mettre en communication le cylindre 3 avec le conduit 15 d'admission (ou, respectivement, le conduit 16 d'échappement).
[0029] Dans l'exemple illustré, le moteur 2 est du type diesel à injection directe et comprend, à cet effet, un injecteur 17 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.
[0030] Tel qu'illustré sur la figure 3, un système 18 d'actionnement commande l'ensemble des soupapes 9, 10 du moteur 2 à combustion interne. Ce système 18 d'actionnement comprend, pour chaque soupape 9, 10, un actionneur 19 électromagnétique actionnant la soupape 9, 10 et un dispositif 20 de commande pilotant cet actionneur 19. Les différents dispositifs 20 de commande associés aux soupapes 9, 10 du moteur 2 étant eux-mêmes sous contrôle d'un calculateur 21, également appelé contrôle moteur.
[0031] Dans le cas où le cylindre 3 est associé à plusieurs soupapes
9 d'admission (ou respectivement plusieurs soupapes 10 d'échappement), et notamment deux, un unique dispositif 20 de commande peut commander les actionneurs 19 électromagnétiques associés, chacun, à une soupape 9, 10.
[0032] Le calculateur 21 est relié à différents capteurs (non- représentés) qui lui fournissent en temps réel des données sur le moteur 2 et notamment sur la position du vilebrequin 7 (via par exemple un capteur de position) et la position de chaque soupape 9, 10 par rapport à la culasse 13 (via par exemple un capteur de levée dynamique de soupape).
[0033] Grâce à ce retour d'informations, le calculateur 21 pilote indépendamment chaque actionneur 19 électromagnétique via le dispositif 20 de commande auquel il est associé afin de synchroniser les soupapes 9, 10 avec les autres éléments du moteur 2 tels que les pistons 5.
[0034] Les pistons 5 d'un moteur 2 à combustion interne sont généralement déphasés entre eux. Par exemple, un moteur 2 à combustion interne comprenant quatre cylindres 3 peut présenter deux pistons externes calés à 180° avec les deux pistons internes, ce calage permettant d'optimiser le fonctionnement du moteur 2. Le calage des pistons 5 par paire mentionné ci-dessus, souligne le fait que les soupapes 9 d'admission (ou respectivement les soupapes 10 d'échappement) sont actionnées de manière décalée dans le temps. Le calculateur 21 permet en l'occurrence, grâce aux retours d'informations des différents capteurs, de piloter les actionneurs 19 électromagnétiques, via les dispositifs 20 de commande, de manière décalée dans le temps selon l'architecture du moteur 2 choisie.
[0035] Selon divers modes de réalisations, chaque actionneur 19 électromagnétique comprend au moins un aimant 22 générant un champ magnétique, ainsi qu'une bobine 23 plongée dans ce champ et raccordée électriquement au dispositif 20 de commande. Selon un premier mode de réalisation, l'aimant 22 est solidaire de la soupape 9,
10 et la bobine 23 est fixe par rapport à la culasse 13 et entoure cet aimant 22. Dans un deuxième mode de réalisation, la bobine 23 est solidaire de la soupape 9, 10 et l'aimant 22 est fixe par rapport à la culasse 13. Avantageusement, on privilégie le deuxième mode de réalisation, car il permet vis-à-vis du précédent une meilleure maîtrise du déplacement de chaque soupape 9, 10. En effet, une soupape 9, 10 solidaire d'un aimant 22 possède une masse plus importante. La mise en mouvement d'une telle soupape 9, 10 nécessite donc une plus forte quantité d'énergie et rend de même son freinage plus difficile, particulièrement à haut régime moteur, les forces d'inertie étant alors plus élevées. Le deuxième mode de réalisation est donc considéré dans la suite de cette description. Néanmoins, le premier mode de réalisation est aussi applicable aux modes de réalisations décrits par la suite.
[0036] Avantageusement, la bobine 23 de chaque actionneur 19 électromagnétique étant plongée dans un champ magnétique, la présence d'un courant électrique dans cette bobine 23 permet alors de mouvoir celle-ci via une force de Laplace et donc de communiquer un mouvement à chaque soupape 9, 10. Il est alors possible de contrôler la position de chaque soupape 9, 10 selon quatre phases temporelles.
[0037] La figure 2 permet de mieux comprendre comment un tel contrôle est effectué. Cette figure illustre les différentes positions P d'une soupape 9, 10 au cours du temps T lors d'un cycle de levée. On suppose ici, par convention, que l'alimentation de la bobine 23 avec un courant positif permet le déplacement de la soupape 9, 10 depuis une position fermée PF vers une position ouverte PO, et inversement, que l'alimentation de la bobine 23 avec un courant négatif permet le déplacement de la soupape 9, 10 de la position ouverte PO vers la position fermée PF. Les positions PU et PI2 sont des positions intermédiaires entre la position fermée PF et la position ouverte PO de la soupape 9, 10. On distingue alors lors d'un cycle de levée de soupape 9, 10 les quatre phases suivantes :
- une première phase PH1 durant laquelle on alimente la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique avec un courant positif, pour procurer une accélération à la soupape 9, 10 depuis la position fermée PF vers une position intermédiaire PU en direction de la position ouverte PO ;
- une deuxième phase PH2 durant laquelle on coupe l'alimentation électrique de la bobine 23, à partir de la position intermédiaire PU, pour générer un courant négatif issu de l'inertie emmagasinée par la soupape 9, 10, ce courant négatif permettant de décélérer la soupape 9, 10 jusqu'à la position ouverte PO ;
une troisième phase PH3 durant laquelle on alimente la bobine 23 de l'actionneur avec un courant négatif, pour procurer une accélération à la soupape 9, 10 depuis la position ouverte PO vers une position intermédiaire PI2 en direction de la position fermée PF ;
une quatrième phase PH4 dans laquelle on coupe l'alimentation électrique de la bobine 23, à partir de la position intermédiaire PI2, pour générer un courant positif issu de l'inertie emmagasinée par la soupape 23, ce courant positif permettant de décélérer la soupape 9, 10 jusqu'à la position ouverte PF.
[0038] Plus précisément, l'accélération de la soupape 9, 10 durant la première phase PH1 et la troisième phase PH3 est rendue possible par la création d'une force selon le principe de Laplace. La décélération de la soupape 9, 10 durant la deuxième phase PH2 et la quatrième phase PH4 résulte quant à elle du principe de Lenz-Faraday : après son accélération, la bobine 23 est rendue mobile dans le champ magnétique sous l'effet des forces d'inertie. Il apparaît alors en accord avec ce principe, une force électromotrice aux bornes de la bobine 23. Cette force électromotrice induit alors dans la bobine 23 la circulation d'un courant inverse par rapport à celui de l'accélération. L'apparition d'un tel courant génère alors une force de Laplace s'opposant au mouvement d'inertie de la bobine 23, entraînant sa décélération et donc la décélération de la soupape 9, 10 actionnée par l'actionneur 19 électromagnétique.
[0039] Selon divers modes de réalisation, le courant électrique permettant d'accélérer la soupape 9, 10 durant la première phase PH1 et la troisième phase PH3, est fourni par le dispositif 20 de commande associé à chaque actionneur 19 électromagnétique. Selon un mode de réalisation, durant la deuxième phase PH2 et la quatrième phase PH4, ce dispositif 20 de commande peut, si besoin, fournir un courant inverse au courant permettant l'accélération de la soupape 9, 10 en vue de faciliter sa décélération.
[0040] Avantageusement, le dispositif 20 de commande associé à chaque actionneur 19 électromagnétique est réalisé de manière à présenter au moins deux configurations : o une configuration active dans laquelle le dispositif de commande alimente électriquement via un courant la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique pour procurer une phase d'accélération (et éventuellement de décélération) à la soupape 9, 10 ;
o une configuration passive dans laquelle le dispositif de commande n'alimente plus la bobine 23 pour procurer une phase de décélération à la soupape 9, 10, et réceptionne durant cette phase une énergie électrique induite générée par la bobine.
[0041] La figure 4a illustre un mode de réalisation d'un dispositif 20 de commande connecté électriquement à la bobine 23 d'un actionneur 19 électromagnétique selon un mode de réalisation. Sur cette figure, la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique est modélisée par une inductance Lbob, fonction du nombre de spires de cette bobine 23, et une résistance interne Rint. La force électromotrice induite par cette bobine 23 durant les phases d'accélérations et de décélérations de la soupape 9, 10 est symbolisée ici par le générateur de tension Vbob. Les rectangles pointillés délimitent la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique et le dispositif 20 de commande.
[0042] Dans ce mode de réalisation, le dispositif 20 de commande comprend une structure de pont en H, connectée aux bornes de la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique, le pont en H étant configuré pour contrôler le sens de circulation des courants électriques à travers cette bobine 23.
[0043] Avantageusement, le pont en H est réalisé à partir de quatre composants électroniques de commutation T1, T2, T3, T4.
[0044] Dans le mode de réalisation représenté, les composants électroniques de commutation sont des transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur MOSFET. Cependant tout autre type de transistor, et plus généralement, tout autre composant électronique de commutation T1 , T2, T3, T4 peuvent être utilisés: par exemples des transistors bipolaires, des transistors de type JFET, des relais ou encore des interrupteurs. La manière dont sont connectés à la bobine 23 les composants électroniques de commutation T1 , T2, T3, T4 constitutifs du pont en H, est donc ici donnée à titre d'exemple purement illustratif. [0045] Selon divers modes de réalisations, les états des composants électroniques de commutation T1, T2, T3, T4 du pont en H sont commandés par des signaux modulés en largeur d'impulsions PWM (acronyme anglais de « Puise Width Modulation ») fournis par le calculateur 21 du véhicule 1.
[0046] Par exemple, dans le mode de réalisation illustré, les transistors T1 et T4 (respectivement T2 et T3) sont reliés par leur grille afin d'être commandés par un même signal PWM2 (respectivement PWM1). Avantageusement, les signaux PWM1 et PWM2 sont des signaux modulés en largeur d'impulsions commandés par le calculateur 21 du véhicule 1. Dans un autre mode de réalisation, chaque transistor T1, T2, T3, T4 est commandé individuellement via sa grille, par un signal modulé en largeur d'impulsions issu du calculateur 21.
[0047] Sur cette figure 4a, chaque transistor T1, T2, T3, T4 comprend, en outre, respectivement à ses bornes une diode D1, D2, D3, D4 montée en parallèle et en inverse. Avantageusement, chacune de ces diodes D1, D2, D3, D4 joue le rôle d'une diode anti-retour, permettant de protéger le transistor T1, T2, T3, T4 des courants inverses au sens passant de ces transistors, ces courants inverses étant issus de la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique lors des phases de décélération de la soupape 9, 10.
[0048] Avantageusement, le dispositif 20 de commande est raccordé électriquement à une source permettant son alimentation en courant et tension. Par exemple, sur la figure 4a, le pont en H est alimenté électriquement en tension par rapport à une masse GND, et en courant, par la batterie du véhicule 1, symbolisée ici par le générateur de tension Vbat. Dans un mode de réalisation, un filtre peut être réalisé entre la batterie et le pont en H, de sorte à filtrer les fréquences de résonnances dans le dispositif de commande, ces fréquences étant susceptibles d'apparaître pour de hauts régimes moteurs. Un exemple de filtre de type LC est illustré sur la figure 4a, ce filtre étant réalisé par une inductance L disposée en série après la source de tension Vbat et une capacité C disposée en parallèle entre l'entrée du pont en H et la masse GND. Cependant, la réalisation d'un tel filtre est optionnelle, et un tout autre type de filtre peut être réalisé, par exemple un filtre de type RC ou RLC. [0049] Par ailleurs, selon divers modes de réalisations, un dispositif hacheur de tension est réalisé en sortie de la batterie, de sorte à commander selon les besoins la tension issue de celle-ci. Un tel dispositif est réalisé à l'aide de composants électroniques de commutation T5, T6. Ce dispositif permet donc, de connecter ou déconnecter l'alimentation électrique fournie par la batterie au pont en H, et donc de commander l'alimentation électrique éventuelle de la bobine de l'actionneur 19 électromagnétique, permettant l'accélération de la soupape 9, 10. Avantageusement, ces composants électroniques de commutation T5, T6 sont eux aussi commandés de manière simultanée ou individuellement par un signal modulé en largeur d'impulsions issu du calculateur 21. A titre d'exemple, sur la figure 4a, le dispositif hacheur de tension est réalisé par le transistor T6 MOSFET connecté entre l'inductance L et la capacité C et le transistor T7 MOSFET connecté entre l'inductance L et la masse GND, les transistors T6, T7 étant respectivement commandé par un signal PWM3, PWM4 appliqué sur leur grille via le calculateur 21 du véhicule 1.
[0050] Avantageusement, le dispositif 20 de commande décrit ci- dessus, permet via une commande appropriée des états des composants électroniques de commutation T1, T2, T3, T4, T5, T6 par le calculateur 21, la gestion des phases d'accélération (phase PH1 ou PH3) ou de décélération (phase PH2 ou PH4) d'une première soupape 9, 10.
[0051] Les figures 4b et 4c illustrent des sens de circulation de courants électriques dans un dispositif de commande 20 similaire à celui de la figure 4a. A titre d'exemples, sur ces figures, une phase d'accélération se rapportant à
la phase PH1 est obtenue via la commande des signaux PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 par le calculateur, de sorte à rendre les transistors T2, T3, T5, T6 en un état passant (c'est à dire conducteurs) et les transistors T1, T4 en un état ouvert (c'est-à- dire bloqués). Une telle configuration permet alors la circulation d'un courant positif il dans la bobine permettant ainsi l'accélération de la soupape 9, 10 selon une première direction. La circulation du courant il est ici symbolisée sur la figure 4b, sous la forme de flèches pointillées ; la phase PH2 est obtenue via la commande des signaux PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 par le calculateur, de sorte à rendre les transistors T1 , T4, T5, T6 en un état passant et les transistors T2, T3 en un état ouvert. Une telle configuration permet alors la circulation d'un courant négatif i2 dans la bobine permettant ainsi l'accélération de la soupape 9, 10 selon une deuxième direction. La circulation du courant i2 est ici symbolisée sur la figure 4c, sous la forme de flèches pointillées.
[0052] Le dispositif 20 de commande décrit ci-dessus comprend, en outre, une interconnexion avec au moins un deuxième dispositif de commande d'actionneur 19 électromagnétique pour une deuxième soupape 9, 10. Un tel deuxième dispositif de commande peut être réalisé similairement ou différemment du dispositif 20 de commande décrit ci-dessus. Sur les figures 4a, 4b, 4c, une telle interconnexion vers un deuxième dispositif de commande est symbolisée via les fils conducteurs 24, 25 représentés en pointillés.
[0053] Avantageusement, lors d'une phase de décélération de la première soupape 9, 10 et une phase d'accélération de la deuxième 9, 10 soupape, le dispositif de commande est configuré pour
- recueillir l'énergie électrique induite générée par la bobine 9, 10 de l'actionneur 19 électromagnétique de la première bobine 23 ; transmettre l'énergie recueillie au travers l'interconnexion à la bobine 23 du deuxième actionneur 19 électromagnétique, de sorte à utiliser cette énergie pour la phase d'accélération de la deuxième soupape.
[0054] Selon divers modes de réalisations, plusieurs dispositifs 20 de commande similaires à celui décrit précédemment sont interconnectés. Selon un mode de réalisation, ces dispositifs peuvent alors transmettre durant une phase de décélération de leurs soupapes 9, 10, l'énergie électrique induite par les bobines 23 de leurs actionneurs 19 électromagnétique respectifs, vers une même bobine d'un autre actionneur 19 électromagnétique associé à une soupape 9, 10 en phase de décélération. Selon un autre mode de réalisation, un dispositif 20 de commande envoie l'énergie électrique induite par la bobine 23 de son actionneur 19 électromagnétique respectif via l'interconnexion à destination d'une pluralité de bobines 23 d'actionneurs 19 électromagnétiques comprenant leur soupape 9, 10 respective en phase de décélération.
[0055] Avantageusement, le contrôle des phases d'accélération et de décélération d'une soupape 9, 10 ainsi que l'utilisation de l'interconnexion du dispositif 20 de commande sont pilotés par le calculateur 21 du véhicule 1, via le contrôle des états des composants électroniques de commutation T1 , T2, T3, T4, T5, T6.
[0056] La commande de l'état des composants électroniques de commutation T1 , T2, T3, T4, T5, T6 est donc déterminée par le calculateur 21 en fonction de la phase dans laquelle se trouve chaque soupape 9, 10. Dans un mode de réalisation, les phases d'accélérations et de décélération de chaque soupape 9, 10 sont déterminées à partir d'informations remontées au calculateur 21 par des capteurs déterminant la position de chaque soupape 9, 10 par rapport à la culasse. Dans un autre mode de réalisation, ces phases sont déterminées par le calculateur 21 en fonction de la position angulaire du vilebrequin 7. Dans un autre mode de réalisation, un ou plusieurs capteurs de tensions et/ou capteurs de courants sont en outre disposés dans le dispositif 20 de commande et remontent leurs mesures au calculateur 21, afin que celui-ci détermine les phases d'accélération ou de décélération de chaque soupape 9, 10. Ces phases sont, à titre d'exemples, déterminées en par comparaison avec des modélisations théoriques ou des ensembles de mesures préenregistrées dans le calculateur 21.
[0057] A titre d'exemple, sur la figure 5, plusieurs courbes peuvent être calculées (ou déterminées expérimentalement) pour un régime moteur particulier, puis enregistrées dans le calculateur 21. Sur cette figure, un régime moteur de 6000 révolutions par minutes à été choisi à titre d'exemple. On peut distinguer trois courbes :
- la courbe 5a illustre la variation en Joule (J) de l'énergie cinétique (en ordonnée), présente dans le dispositif 20 de commande, résultant du mouvement de la soupape 9, 10, en fonction de la position angulaire en degré du vilebrequin 7 (en abscisse) ;
la courbe 5b illustre la variation en Joule (J) de l'énergie inductive (en ordonnée), c'est-à-dire l'énergie stockée par la bobine de l'actionneur 19 électromagnétique, en fonction de la position angulaire en degré du vilebrequin 7 (en abscisse) ; la courbe 5c illustre le courant électrique (A) en ampère (en ordonnée) circulant dans par la bobine de l'actionneur 19 électromagnétique, en fonction de la position angulaire en degré du vilebrequin 7 (en abscisse).
[0058] L'observation de ces courbes permet alors de distinguer cinq phases i, ii, iii, iv, v pour la récupération et la transmission de ces énergies par le dispositif 20 de commande :
les phases i et ii correspondent à des phases de décélération de la soupape 9, 10. Plus précisément, la phase i correspond à une phase de décélération de la soupape 9, 10 avant sa levée maximale en une position ouverte PO, tandis que la phase ii correspond à une phase de décélération de la soupape 9, 10 avant son accostage contre le siège 14 en position fermée PF. Comme exposé, précédemment, durant ces phases une force électromotrice apparaît aux bornes de la bobine 23 de l'actionneur
19 électromagnétique, sous l'effet des forces d'inertie. Une commande appropriée par le calculateur 21 des composants électroniques de commutation T1, T2, T3, T4, T5, T6 durant les phases i, ii , permet alors de récupérer durant ces phases le courant associé à l'énergie cinétique et le transmettre via l'interconnexion à une autre soupape en phase d'accélération ; les phases iii, iv, v correspondent à des phases de changement de sens du courant électrique circulant à travers la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique. La phase iii correspond à une phase d'accélération de la soupape 9, 10 durant la première phase
PH1, tandis que les phases iv et v correspondent à une phase de décélération de la soupape 9, 10 avant son accostage contre le siège 14 en une position fermée PF. Les pics d'énergie inductive observés, s'expliquent par les fortes variations du courant électrique circulant à travers la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique, ici entre -50 et 80 ampères. Ces variations de courants permettant alors un stockage sous forme électromagnétique d'une énergie inductive dans la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique. Avantageusement, la batterie (source de tension Vbat) n'alimentant pas électriquement le dispositif 20 de commande durant les phases de décélération, la bobine 23 à laquelle est connecté ce dispositif devient donc pour celui-ci une source d'alimentation électrique en tension et en courant. Une commande appropriée par le calculateur 21 des composants électroniques de commutation T1 , T2, T3, T4, T5, T6 durant les phases iii, iv, v permet alors de récupérer cette énergie et de la transmettre via l'interconnexion à une autre soupape 9, 10 en phase d'accélération.
[0059] Dans cet exemple, en supposant que ces courbes sont préenregistrées dans le calculateur 1, le calculateur 1 est alors apte à identifier chacune des phases i, ii, iii, iv, v en fonction de la position angulaire du vilebrequin 7, l'information concernant cette position étant remontée par un capteur au calculateur 1.
[0060] Le calculateur 1 est donc capable en fonction d'informations remontées par des capteurs (ex : angle du vilebrequin 7, position des soupapes 9, 10)
d'identifier en temps réel à la fois les phases i, ii, iii, iv, v pour au moins une soupape 9, 10 ainsi que les phases d'accélération et de décélération pour chacune des autres soupapes 9, 10 du moteur ; de commander en fonction des phases i, ii, iii, iv, v identifiées, les composants électroniques de commutation T1 , T2, T3, T4, T5, T6 en vue de récupérer l'énergie cinétique ou inductive associée à ces phases et envoyer ces énergies vers au moins une autre soupape 9, 10 identifiée comme étant dans une phase d'accélération.
[0061] Les figures 6a et 6b reprennent les notations introduites pour les figures 4a, 4b, 4c. Dans les exemples illustrés sur ces figures, le calculateur 21 identifie une phase i, ii, iii, iv, v pour une soupape 9, 10 par rapport à la position angulaire du vilebrequin 7 et commute les composants électroniques de commutation T1, T2, T3, T4, T5, T6 de la manière suivante :
lors de l'identification d'une phase i ou iii, le calculateur commande les signaux PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 de sorte à rendre les transistors T2, T3 en un état passant et les transistors T1, T4, T5, T6 en un état ouvert. Sur la figure 6a, les flèches en traits pointillés illustrent le sens de circulation des courants électriques se rapportant aux phases i ou iii. Les courants circulant durant les phases i, iii (distinctes) sont quant à eux respectivement symbolisés par les flèches pointillées iph1, iph3, au dessus de la source de tension Vbob modélisant la force électromotrice induite et de l'inductance Lbob modélisant la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique. Avantageusement, une telle commande permet donc la récupération de l'énergie cinétique/inductive des phases i/iii via les courants iph1/iph3, et leur transmission vers une autre soupape 9, 10 identifiée par le calculateur 21 comme étant en phase d'accélération ;
- lors de l'identification d'une phase ii, iv ou v, le calculateur 21 commande les signaux PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 de sorte à rendre les transistors T1, T4 en un état passant et les transistors T1, T4, T5, T6 en un état ouvert. Sur la figure 6b, les flèches en traits pointillés illustrent le sens de circulation des courants électriques se rapportant aux phases ii, iv ou v. Les courants circulant durant les phases ii, iv, v (distinctes) sont quant à eux respectivement symbolisés par les flèches pointillées iph2, iph4, iph5 au dessus de la source de tension Vbob et de l'inductance Lbob. Avantageusement, une telle commande permet donc la récupération de l'énergie cinétique/inductive des phases ii/ iv, v via les courants iph2/iph3, iph4, iph5 et leur transmission vers une autre soupape 9, 10 identifiée par le calculateur 1 comme étant en phase d'accélération.
[0062] Avantageusement, le dispositif 20 de commande est réalisé de manière à s'adapter aux différentes vitesses de rotation du moteur 2. Différentes courbes permettant d'identifier les variations de l'énergie cinétique et de l'énergie inductive dans ce dispositif peuvent donc être déterminées en fonction de différents régimes moteurs. Ces courbes de variations d'énergie sont, à titre d'exemples, simulées ou mesurées en fonction de données telles que l'angle du vilebrequin 7 et/ou de tensions/courants présents dans le dispositif 20 de commande, pour un régime moteur fixé. Les valeurs associées à ces courbes peuvent alors être enregistrées dans le calculateur 21 afin que celui-ci puisse déterminer les périodes de décélération permettant la récupération et l'envoi d'énergie cinétique et/ou inductive, à destination de la bobine 23 de l'actionneur 19 électromagnétique d'une autre soupape 9, 10 en phase d'accélération. [0063] Avantageusement, comme il peut être constaté sur les figures 5b et 5c, les courants électriques traversant la bobine 23 sont élevés : de l'ordre de la dizaine d'ampères. L'énergie inductive induite dans le dispositif 20 de commande, permet alors de fournir des tensions beaucoup plus élevées que la tension de la batterie. Un tel dispositif 20 de commande permet donc d'accroître la puissance. Il est ainsi possible de transmettre l'énergie électrique présente dans le dispositif 20 de commande vers une ou plusieurs soupapes 9, 10 en phases d'accélération, facilitant donc leur actionnement. Ceci permet, en outre, d'augmenter plus rapidement le courant électrique dans le système 18 d'actionnement de soupapes 9,10, et donc d'améliorer le temps de réactivité de ce système. Il est ainsi possible de réduire la consommation en courant pour l'actionnement de ces soupapes 9, 10 et donc de réduire la consommation électrique dans le système 18 d'actionnement, cette réduction étant de l'ordre de 40% par rapport aux systèmes existants.
[0064] Avantageusement, pour une soupape 9, 10 en phase de décélération, le fait de transférer son énergie cinétique, permet un meilleur contrôle de son freinage. Ceci permet, par ailleurs, de garantir que l'accostage de la soupape 9, 10 contre le siège 14 lors de sa fermeture, s'effectue avec une énergie cinétique quasi-nulle. La soupape 9, 10 impacte donc le siège 9, 10, avec une vitesse très réduite par rapport aux systèmes habituels de distribution : pour un régime moteur de 6000 révolutions par minutes on obtient une vitesse de 0.1m/s à 0.1mm de l'accostage, tandis qu'un système mécanique présente une vitesse de 1 m/s à cette même distance. Ceci permet d'un point de vue acoustique une maîtrise de son bruit contrairement aux systèmes existants. Plus généralement, le système 18 d'actionnement de soupapes 9, 10, via son dispositif 20 de commande, permet une meilleure maîtrise de la commande globale des soupapes 9, 10 vis-à-vis des modèles existants.
[0065] Avantageusement, le dispositif 20 de commande proposé transfère directement l'énergie récupérée durant les phases de décélérations de chaque soupape 9, 10. Comparé à des dispositifs de commande stockant l'énergie récupérée, le dispositif 20 de commande présente pour avantages de réduire les pertes par effet Joule, et ainsi de réduire la température moyenne de l'actionneur 19 électromagnétique. Ceci permet donc une augmentation de la durée de vie de ce type de dispositif. En outre, un tel système 18 d'actionnement de soupape 9, 10 présente pour avantage une adaptabilité aux différentes vitesses de rotation du moteur 2, contrairement aux systèmes faisant appel à des dispositifs de commandes mécaniques.
[0066] L'ensemble des modes de réalisations précédemment décrits, permettent donc de maîtriser à la fois la consommation électrique et la contrôlabilité d'actionneurs 19 électromagnétiques dans un moteur 2. Avantageusement, l'utilisation de ce type d'actionneurs rend alors possible une réduction de la hauteur du moteur 2, typiquement de l'ordre de 100mm, ouvrant ainsi la voie à de futures améliorations pour le bloc avant des véhicules 1 : diminution du choc piéton, amélioration de l'aérodynamique, ou encore de la visibilité pour le conducteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (18) d'actionnement de soupapes (9,10) pour un moteur (2) à combustion interne, ce système comprenant
- une première soupape (9,10), cette première soupape étant actionnée par un premier actionneur (19) électromagnétique, ledit premier actionneur (19) électromagnétique comprenant un aimant (22) générant un champ magnétique et une bobine (23) alimentée électriquement plongée dans ledit champ magnétique, l'alimentation électrique de la bobine (23) permettant de gérer alternativement des phases d'accélération et des phases de décélération de la première soupape (9,10), cette alimentation électrique étant réalisée par un dispositif (20) de commande raccordé au premier actionneur (19) électromagnétique, ledit dispositif (20) de commande comprenant
o une configuration active dans laquelle le dispositif (20) de commande alimente électriquement la bobine (23) pour procurer une phase d'accélération à la première soupape (9,10) ;
o une configuration passive dans laquelle le dispositif (20) de commande n'alimente pas électriquement la bobine (23) pour procurer une phase de décélération à la première soupape (9,10), et recueille durant cette phase une énergie électrique induite générée par la bobine (23) ;
une deuxième soupape (9,10), cette deuxième soupape (9,10) étant actionnée par un deuxième actionneur (19) électromagnétique, ledit deuxième actionneur (19) électromagnétique, comprenant au moins un aimant (22) générant un champ magnétique et une bobine (23) alimentée électriquement plongée dans ledit champ magnétique, l'alimentation électrique de la bobine (23) permettant de gérer alternativement des phases d'accélération et des phases de décélération de la deuxième soupape (9,10) ;
ce système étant caractérisé en ce que durant une phase de décélération de la première soupape (9,10) et une phase d'accélération de la deuxième soupape (9,10), l'énergie électrique induite générée par la bobine (23) du premier actionneur (19) électromagnétique et recueillie par le dispositif (20) de commande, est transmise par ce dispositif à destination de la bobine (23) du deuxième actionneur (19) électromagnétique, de sorte à utiliser cette énergie électrique pour la phase d'accélération de la deuxième soupape (9,10).
2. Système (18) selon la revendication 1, comprenant un calculateur (21) configuré pour
identifier les phases d'accélération et de décélération de chaque soupape (9,10) du moteur (2) à combustion interne à partir d'informations issues de capteurs ;
contrôler l'alimentation électrique du dispositif (20) de commande en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape (9,10).
3. Système (18) selon les revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif (20) de commande est réalisé à partir d'un pont en H comprenant des composants électroniques de commutation (T1, T2, T3, T4), le pont en H étant connecté électriquement aux bornes de la bobine (23) du premier actionneur (19) électromagnétique de sorte à contrôler le sens de circulation du courant électrique dans la bobine (23).
4. Système (18) selon la revendication 3, dans lequel le calculateur (21) est configuré pour commander l'état des composants électroniques de commutation (T1 ,T2,T3,T4) du pont en H, via des signaux (PWM1 ,PWM2) modulés en largeur d'impulsions, ces signaux étant fournis par le calculateur (21) en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape (9,10).
5. Système (18) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif (20) de commande est connecté électriquement à une source de tension (Vbat), permettant son alimentation en tension et en courant.
6. Système (18) selon la revendication 5, comprenant entre la source de tension (Vbat) et le dispositif (20) de commande un dispositif hacheur de tension, configuré pour contrôler l'alimentation en courant et tension du dispositif (20) de commande.
7. Système (18) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif hacheur de tension est réalisé par des composants électroniques de commutation (T5,T6), le calculateur (21) étant en outre configuré pour commander l'état de ces composants électroniques de commutation (T5,T6) via des signaux (PWM3,PWM4) modulés en largeur d'impulsions, ces signaux étant fournis par le calculateur (21) en fonction de l'identification des phases d'accélération et de décélération de chaque soupape (9,10).
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la bobine (23) d'un actionneur (19) électromagnétique est solidaire de la soupape (9,10) et l'aimant (22) est fixe par rapport à une culasse (13) du moteur (2) à combustion interne.
9. Moteur (2) à combustion interne comprenant un système (18) d'actionnement de soupapes (9,10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Véhicule (1) automobile comprenant un moteur (2) à combustion interne selon la revendication 9.
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