FR2764333A1 - Dispositif et procede de reglage d'un actionneur electromagnetique d'une soupape - Google Patents

Abstract

Un actionneur électromagnétique d'une soupape d'admission ou d'échappement comprend des électroaimants d'ouverture et de fermeture, entre lesquels est coaxialement mobile une armature maintenue à une position d'équilibre entre les aimants, lorsque ceux-ci ne sont pas excités, par des ressorts de soupape précontraints supérieur et inférieur, position qui est réglable en fonction de grandeurs mesurées des aimants.Les moyens pour régler la position d'équilibre de l'armature (5) entre les aimants (3, 4) comprennent au moins un élément de dilatation thermique (17), pouvant être chauffé électriquement, notamment par une résistance (18), sur lequel s'appuie au moins un ressort de soupape (7 ou 8). Applicable à la commande des soupapes d'admission et d'échappement de moteurs à combustion interne.

Description

L'invention concerne un dispositif de réglage d'un actionneur

électromagnétique servant à la commande d'une soupape d'alternance de flux gazeux et possédant à la fois un électroaimant d'ouverture et un électroaimant de fermeture, entre lesquels une armature est disposée coaxialement mobile en translation et maintenue à une position d'équilibre entre les aimants, lorsque

ceux-ci ne sont pas excités, par des ressorts de soupape précon-

traints supérieur et inférieur, position d'équilibre qui est réglée par des moyens de réglage en fonction de grandeurs mesurées des aimants. L'invention concerne également un procédé de réglage d'un tel actionneur électromagnétique, ainsi qu'un dispositif pour la mise

en oeuvre de ce procédé.

Les actionneurs électromagnétiques pour la commande de soupapes d'alternance de flux gazeux, possèdent généralement deux électroaimants de commande, un pour l'ouverture et l'autre pour la fermeture, entre les faces polaires desquels une armature

peut se déplacer coaxialement par rapport à l'axe de la soupape.

L'armature agit directement ou par l'intermédiaire d'une tige d'armature sur une tige de la soupape d'alternance de flux gazeux (notamment d'une soupape d'admission ou d'échappement). Dans le cas d'actionneurs fonctionnant selon le principe d'un dispositif à masse oscillante, un mécanisme à ressort précontraint agit sur l'armature. Ce mécanisme est formé le plus souvent de deux ressorts de compression précontraints, constituant respectivement un ressort de soupape supérieur et un ressort de soupape inférieur. Le ressort supérieur charge la soupape dans le sens de l'ouverture et le ressort inférieur la charge dans le sens de la fermeture. Quand les aimants sont désexcités, l'armature est maintenue par les ressorts à

une position d'équilibre entre les aimants, laquelle correspond géné-

ralement, pour des raisons énergétiques, à la position médiane entre

les faces polaires des aimants.

Lorsque l'actionneur est activé au démarrage, soit l'aimant de fermeture ou l'aimant d'ouverture est brièvement surexcité afin qu'il attire l'armature à partir de sa position d'équilibre, soit une séquence de mise en oscillation est déclenchée, pendant laquelle les aimants sont excités alternativement afin d'animer la soupape et l'armature d'oscillations, jusqu'à ce que l'armature puisse être "capturée" par l'un des aimants. A la position fermée de la soupape, l'armature est appliquée contre la face polaire de l'aimant de fermeture excité et maintenue par lui. Cet aimant de fermeture augmente alors la précontrainte du ressort de soupape agissant dans le sens de l'ouverture. Pour ouvrir la soupape,

l'aimant de fermeture est désexcité et l'aimant d'ouverture est excité.

Le ressort de soupape agissant dans le sens de l'ouverture accélère à ce moment l'armature au-delà de la position d'équilibre, de sorte qu'elle est attirée par l'aimant d'ouverture. Le mouvement de l'armature est ralenti par le ressort de soupape agissant dans le sens de la fermeture et l'armature vient s'appliquer contre la face polaire de l'aimant d'ouverture, o elle est maintenue par celui-ci. Pour fermer de nouveau la soupape d'alternance de flux gazeux, l'aimant

d'ouverture est désexcité et l'aimant de fermeture est excité.

L'opération de fermeture se déroule d'une manière analogue à ce qui

vient d'être décrit pour l'opération d'ouverture.

Des grandeurs dont il n'a pas été tenu compte depuis le début ou qui changent avec le temps, par exemple des tolérances de fabrication de certaines pièces, la dilatation thermique de différents

matériaux, des raideurs différentes des ressorts de soupape supé-

rieur et inférieur, des phénomènes de tassement ou de po-

sitionnement définitif en raison d'un vieillissement des ressorts, et ainsi de suite, peuvent avoir pour conséquence que la position d'équilibre, fixée par les ressorts de soupape, ne correspond pas à la position géométrique médiane entre les faces polaires, ou ne se

trouve pas à une distance déterminée de celles-ci.

L'énergie nécessaire à l'aimant de fermeture et l'aimant d'ouverture pour attirer l'armature à partir d'une distance déterminée, appelée également énergie de capture, augmente exponentiellement avec la distance. Le résultat est que, dans le cas d'une armature décalée en position de repos en direction de l'aimant d'ouverture par exemple, le besoin d'énergie de l'aimant d'ouverture est certes devenu plus petit du fait de la diminution de la distance, mais le besoin d'énergie de l'aimant de fermeture a augmenté bien plus fortement - en raison de la relation exponentielle avec la

distance - que le besoin d'énergie de l'aimant d'ouverture a diminué.

Le besoin global d'énergie s'est donc accru. La position d'équilibre de l'armature, fixée par les ressorts de soupape, qui est optimale du point de vue énergétique, se trouve par conséquent au milieu entre les faces polaires. De plus, en raison de la relation exponentielle, on obtient rapidement des distances pour lesquelles le besoin d'énergie devient excessif, de sorte que l'aimant d'ouverture ou l'aimant de fermeture ne peut plus attirer l'armature. L'actionneur n'est alors

plus capable de fonctionner.

Par le document DE 39 20 976 A1, on connaît une soupape de commande, à actionnement électromagnétique, pour pompes ou compresseurs volumétriques. Deux ressorts maintiennent, selon le principe d'un dispositif à. masse oscillante et ressort, une armature entre un électroaimant d'ouverture et un électroaimant de fermeture. L'armature, agissant sur la tige de la soupape de commande, est attirée par l'aimant de fermeture, lors de la fermeture de la soupape, pendant qu'un ressort d'ouverture est précontraint. Pour l'ouverture de la soupape, l'aimant de fermeture est désexcité et le ressort d'ouverture amène la soupape à. la position

ouverte avec la coopération de l'aimant d'ouverture excité.

La position d'équilibre du système oscillant formé des ressorts, de l'armature, de la tige de la soupape de commande à actionner et d'une cuvette de ressort est réglée, au moyen d'une vis de réglage, de manière que l'armature occupe une position de repos, à l'état désexcité, au milieu entre l'aimant de fermeture et l'aimant

d'ouverture. Cette position médiane est seulement réglable à l'arrêt.

Il n'est pas tenu compte de changements susceptibles de se produire pendant le fonctionnement en raison de températures et dilatations thermiques différentes, ainsi que de l'usure. En outre, il est difficile

de déterminer la position médiane exacte lors du réglage.

Par le document DE 196 31 909 Al, on connaît un procédé pour ajuster la position de repos de l'armature d'un actionneur électromagnétique comme celui utilisé par exemple sur des moteurs à combustion interne à pistons pour commander des soupapes d'alternance de flux gazeux. La position de repos correspond à une position d'équilibre qui découle - lorsque les aimants sont désexcités - de la précontrainte des ressorts de soupape. Selon ce procédé, on mesure chaque fois l'inductance des deux électroaimants et, à partir de la comparaison des deux inductances mesurées, on détermine l'emplacement de l'armature, par rapport aux faces polaires des électroaimants, lorsqu'elle occupe sa position d'équilibre. Lors de la mesure, l'armature est à la position d'équilibre; il est cependant possible aussi de mesurer l'inductance de l'électroaimant concerné lorsque l'armature est appliquée contre lui, de comparer la valeur mesurée et/ou la différence entre les deux valeurs mesurées avec une valeur fournie au départ et de tirer de cette comparaison une valeur de correction pour un signal de positionnement. L'armature peut être maintenue appliquée contre l'électroaimant concerné, pendant la mesure, par des moyens mécaniques et/ou un courant de maintien. Ce procédé ne convient donc pas pour corriger la position médiane ou la

position d'équilibre de l'armature pendant le fonctionnement.

L'invention vise à créer un dispositif et un procédé permettant un réglage simple de la position médiane de l'armature

également pendant le fonctionnement.

Pour ce qui concerne le dispositif, on obtient ce résultat, conformément à l'invention, par le fait que les moyens de réglage sont formés par au moins un élément de dilatation thermique pouvant être chauffé électriquement et sur lequel

- s'appuie au moins un ressort de soupape.

Des modes de mise en ceuvre et des perfectionnements avantageux du dispositif selon l'invention ressortent de ce qui va suivre. Le dispositif selon l'invention comporte un élément de dilatation thermique, pouvant être chauffé électriquement, sur lequel s'appuie au moins un ressort de soupape. Pour de tels éléments de dilatation thermique ou éléments à matière dilatable, conviennent des matières solides ayant un coefficient élevé de dilatation thermique ou des substances liquides ou semblables à de la cire dans un boîtier fermé dont la longueur est variable. De tels éléments à matière dilatable sont opportunément réalisés sous une

forme annulaire et disposés coaxialement aux ressorts de soupape.

A la place des éléments à matière dilatable, on peut prévoir aussi des éléments bimétalliques correspondants, notamment de forme

annulaire, dont la longueur change sous l'effet de la chaleur.

Les éléments à matière dilatable ainsi que les éléments bimétalliques peuvent être chauffés par exemple par une résistance électrique ou par induction. Ils sont chauffés jusqu'à ce que la

position d'équilibre désirée de l'armature soit atteinte.

Dans le cas d'un moteur à combustion interne à piston(s) auquel est coordonnée une électronique de moteur, cette électronique peut servir de manière avantageuse comme un dispositif d'exploitation, auquel est relié le moyen de réglage, servant

à exploiter, moyennant une faible dépense au niveau de la construc-

tion, les paramètres nécessaires au réglage de l'actionneur.

D'après le procédé selon l'invention pour le réglage d'un actionneur, du type générique indiqué au début, on mesure le courant absorbé par les aimants pendant l'excitation et, à partir d'une comparaison de la courbe de variation de courant pour la course d'ouverture avec la courbe de variation du courant pour la course de fermeture, on forme une valeur caractéristique pour la position d'équilibre dans un dispositif d'exploitation électronique. La valeur caractéristique est comparée avec une valeur de consigne et, en fonction de la déviation, la position d'équilibre de l'armature est changée en direction de la valeur de consigne par des moyens de - réglage. Il est opportun de former des intégrales de surface à partir des courbes de variation de courant et de comparer ces intégrales entre elles, notamment dans un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé conçu pour cette comparaison. Comme il est avantageux que l'armature en position d'équilibre occupe la position médiane, la précontrainte des ressorts de soupape peut être variée par les moyens de réglage jusqu'à ce que les intégrales de surfaces soient d'égale grandeur. Au cas o la position d'équilibre de l'armature doit s'écarter de la position médiane, il est possible de préfixer des

différences appropriées entre les intégrales de surface.

Les courbes de variation de courant sont enregistrées et exploitées pendant le fonctionnement, de sorte que la position d'équilibre de l'armature peut également être adaptée - par les moyens de réglage - à la valeur de consigne au cours du fonctionnement. Des modifications dues à des fluctuations de

température, l'usure, et ainsi de suite, peuvent ainsi être contrées.

Comme moyens de réglage, on peut utiliser des organes de positionnement électriques, hydrauliques ou mécaniques

susceptibles d'être pilotés électroniquement.

D'autres caractéristiques et détails de l'invention, ainsi que les avantages qui en résultent, peuvent être trouvés dans la

description qui va suivre d'exemples de réalisation non limitatifs. De

nombreuses caractéristiques sont représentées et décrites dans la

description et les revendications dans un certain contexte. L'homme

de métier pourra opportunément considérer les caractéristiques également de façon individuelle et les rassembler en d'autres combinaisons adéquates. Sur les dessins: - la figure 1 est une coupe partielle de la culasse d'un moteur à combustion interne à piston(s) contenant des soupapes d'alternance de flux gazeux (d'admission et d'échappement) à commande électromagnétique; - la figure 2 représente une telle soupape avec son actionneur dans une position ouverte; - la figure 3 montre une courbe de variation du courant I absorbé par l'actionneur selon la figure 2, en fonction du temps t, pour atteindre la position ouverte visible sur la figure 2; - - la figure 4 est une vue analogue à. celle de figure 2, mais avec l'actionneur en position fermée; et - la figure 5 est un graphique analogue à. celui de la figure 3, mais montrant la courbe de variation du courant absorbé par l'actionneur en fonction du temps pendant la phase de

fermeture menant à la position illustrée sur la figure 4.

La figure 1 montre un actionneur électromagnétique pour commander une soupape d'alternance de flux gazeux 1 montée dans une culasse 2; l'actionneur possède un électroaimant d'ouverture 3 et un électroaimant de fermeture 4 qui sont fermement

reliés entre eux.

Une armature 5 est disposée mobile en translation, coaxialement par rapport à une tige de soupape 6, entre les aimants 3 et 4. L'armature 5 est guidée dans l'aimant d'ouverture 3 et agit par l'intermédiaire d'une tige d'armature 24 sur la tige de soupape 6 - guidée dans un guidesoupape 13 - de la soupape 1. La tige de

soupape 6 est réalisable d'un seul tenant avec la tige d'armature 24.

Sur l'armature 5 agissent des ressorts de soupape précontraints, l'un supérieur 8 et l'autre inférieur 7, qui sont placés tous deux du côté dirigé vers la soupape 1 de l'aimant d'ouverture 3. Le ressort inférieur 7 s'appuie en direction de la soupape 1 dans la culasse 2 et en direction de l'actionneur sur une cuvette de ressort 25 reliée rigidement à la tige de soupape 6. Le ressort supérieur 8 s'appuie d'un côté sur une autre cuvette de ressort 10, laquelle est fixée à la tige d'armature 24, et de l'autre côté, par l'intermédiaire de moyens

de réglage 17, sur l'aimant d'ouverture 3.

Lorsque les aimants 3, 4 ne sont pas excités, l'armature est maintenue à une position d'équilibre fixée par les ressorts 7, 8 entre les aimants 3, 4. Quand, au démarrage du moteur, l'actionneur est activé, l'aimant de fermeture 4 est brièvement surexcité ou l'armature 5 est mise en oscillation par une séquence de mise en oscillation afin qu'elle puisse être attirée à

partir de sa position d'équilibre.

Quand la soupape 1 est fermée, sa tête 9 est appliquée contre une bague 11 formant siège de soupape, en fermant une -- liaison entre une chambre de combustion et un conduit 12 d'alternance de flux gazeux. L'armature 5 est en même temps attirée et maintenue par l'aimant de fermeture 4 excité. Ce dernier augmente alors la précontrainte du ressort de soupape supérieur 8,

agissant dans le sens de l'ouverture. Pour ouvrir la soupape 1, l'ai-

mant de fermeture 4 est désexcité et l'aimant d'ouverture 3 est excité. Le ressort de soupape supérieur 8, agissant dans le sens de l'ouverture, accélère alors l'armature 5 au-delà de la position d'équilibre, de sorte que l'armature est attirée par l'aimant d'ouverture 3. En fin de course d'ouverture, l'armature 5 s'applique contre la face polaire de l'aimant d'ouverture 3 et est maintenue par

cet aimant.

En conformité avec le procédé selon l'invention, un dispositif d'exploitation 16, constitué par exemple par une électronique de moteur, détecte la variation du courant absorbé par l'aimant d'ouverture 3 pendant la phase d'ouverture de la soupape 1 et la variation du courant absorbé par l'aimant de fermeture 4

pendant la phase de fermeture de la soupape 1. La courbe de varia-

tion du courant I en fonction du temps t pour l'aimant d'ouverture 3 est désignée sur la figure 3 par 19, tandis que la courbe de variation du courant absorbé par l'aimant de fermeture 4, courbe qui est montrée sur la figure 5, est désignée par 20. Les surfaces hachurées sous les courbes 19, 20 fournissent l'intégrale de surface 21 pour l'aimant d'ouverture 3 et l'intégrale de surface 22 pour l'aimant de fermeture 4. La figure 2 montre la position ouverte de la soupape 1, laquelle est atteinte par une phase d'ouverture correspondant à la courbe 19 montrée sur la figure 3 de variation du courant absorbé par l'actionneur, tandis que la figure 4 représente la position fermée de la soupape 1, laquelle est atteinte par une phase de fermeture au cours de laquelle le courant absorbé par l'actionneur correspond à la

courbe montrée par la figure 5.

Au cas o l'armature 5 en position d'équilibre occupe la position médiane entre les faces polaires de l'aimant d'ouverture 3 et de l'aimant de fermeture 4, les intégrales de surface 21 et 22 sont d'égale grandeur. Par contre, si la position d'équilibre de l'armature s'écarte de la position médiane, on peut obtenir, par exemple, les - courbes de variation de courant indiquées en traits interrompus. Les intégrales de surface des courbes en traits interrompus sont de grandeurs inégales. Par des moyens de réglage 17, par exemple sous la forme d'un ou plusieurs éléments à matière dilatable, pouvant être chauffé(s) électriquement, la position d'équilibre peut être corrigée, de manière que les intégrales de surface 21 et 22 des

courbes de variation 19 et 20 soient de nouveau de même grandeur.

Le chauffage électrique est assuré par une résistance électrique sous

la forme d'une spirale chauffante 18.

Au cas o la position d'équilibre de l'armature 5 doit dévier de la position médiane d'une quantité déterminée, les moyens de réglage 17 peuvent être commandés de manière qu'une différence préfixée entre les intégrales de surface 21 et 22 soit obtenue. Les électroaimants 3, 4 ainsi que les moyens de réglage 17 sont connectés par des lignes de commande 15 au dispositif

d'exploitation 16.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de réglage d'un actionneur élec-

tromagnétique servant à la commande d'une soupape d'alternance de flux gazeux (1) et possédant à la fois un électroaimant d'ouverture (3) et un électroaimant de fermeture (4), entre lesquels une armature (5) est disposée coaxialement mobile en translation et maintenue à une position d'équilibre entre les aimants (3, 4), lorsque ceux-ci ne

sont pas excités, par des ressorts de soupape précontraints supé-

rieur (8) et inférieur (7), position d'équilibre qui est réglée par des moyens de réglage (17) en fonction de grandeurs mesurées des aimants (3, 4), caractérisé en ce que les moyens de réglage (17) sont formés par au moins un élément de dilatation thermique pouvant être chauffé électriquement et sur lequel s'appuie au moins un

ressort de soupape (7 ou 8).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de dilatation thermique est un élément à matière dilatable ayant une forme annulaire et disposé coaxialement aux

ressorts de soupape (7, 8).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un élément bimétallique de forme annulaire, pouvant être chauffé électriquement, est prévu comme moyen de

réglage (17).

4. Dispositif selon une des revendications précédentes,

--caractérisé en ce que le moyen de réglage (17) est relié à un dispositif d'exploitation (16), en particulier à une électronique de moteur.

5. Procédé de réglage d'un actionneur électro-

magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure le courant absorbé par les électroaimants (3, 4) pendant leur excitation et, à partir d'une comparaison de la courbe de variation de courant (19) pour la course d'ouverture avec la courbe de variation de courant (20) pour la course de fermeture, l'on forme une valeur caractéristique pour la position d'équilibre dans un dispositif

d'exploitation électronique (16).

Il

6. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est conçu pour comparer entre elles les intégrales de surface (21, 22) des courbes de variation de courant (19, 20).5

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on varie les précontraintes des ressorts de soupape (7, 8)

jusqu'à ce que les intégrales de surface (21, 22) des courbes de variation de courant (19, 20) soient égales.