DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne le domaine des vannes électromécaniques de dosage de fluide, et notamment des vannes de dosages de gaz, en particulier de gaz chaud, c'est-à-dire dont la température peut atteindre plus de 500°C, voire 700°C, de manière fluctuante entre une basse température telle que la température ambiante et une température élevée.

[0002] Elle concerne plus particulièrement le sous-ensemble de vannes présentant une soupape-champignon, ou piston, (en anglais « poppet ») déplacée par un actionneur linéaire, en remplacement des traditionnelles vannes à clapet utilisées généralement pour les applications de dosage de gaz chauds.

[0003] Dans une vanne à clapet, le fluide est dévié à l'entrée de la vanne vers le clapet qui module le débit en fonction de son éloignement, ou de son ouverture, par rapport au siège de la vanne.

[0004] La régulation de ce type de vanne à clapet est difficile et ne peut se faire qu'à travers la forme profilée du clapet, souvent parabolique, ce qui ne donne pas de performance satisfaisante.

[0005] Un domaine particulier de l'invention est celui des soupapes de dérivation disposées dans le circuit de suralimentation d'un moteur à explosion, pour la commande du débit de gaz chaud passant dans une voie de dérivation ou de décharge, nommée « bypass » en anglais, pour décharger momentanément la turbine de suralimentation et/ou pour augmenter la température dans le circuit d'échappement.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0006]On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO 2013019468 décrivant un turbocompresseur à gaz d'échappement doté d'un corps de turbine comprenant une entrée de turbine et une sortie de turbine et reliant une conduite de soupape de décharge entre l'entrée du corps de turbine et la sortie du corps de turbine, la soupape de décharge pouvant être ouverte et fermée au moyen d'un élément obturateur, l'élément obturateur prenant la forme d'un piston guidé de façon à être déplaçable longitudinalement dans l'espace intérieur d'un guide, et la soupape de décharge s'ouvrant dans l'espace intérieur transversalement par rapport à la ligne centrale longitudinale du guide. [0007]Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante pour plusieurs raisons :

- en premier lieu, elle prévoit un actionnement pneumatique du piston, ce qui nécessite une alimentation par un fluide et une installation complexe,

- en second lieu, un tel mode d'actionnement ne permet qu'une commande en « tout ou rien », incompatible avec un dosage progressif, - en troisième lieu, le système d'actionnement pneumatique doit être éloigné du conduit dans lequel circulent les gaz chauds, ce qui implique une liaison par une tige de commande longue, présentant des risques de déformations et de disfonctionnement.

[0008] On connaît aussi dans l'état de la technique le brevet américain US8499557 décrivant une soupape de décharge pour un turbocompresseur. Cette vanne de l'état de la technique est munie d'un cornet pour fournir une courbe progressive, de façon optimale presque linéaire, de l'ouverture de la vanne de suralimentation du turbocompresseur, ce qui, selon ce document de l'art antérieur, n'est pas possible avec une vanne de soupape de décharge plate classique. L'ajout d'un cornet tridimensionnel dans le trajet d'écoulement est une solution bien plus rentable pour obtenir un écoulement linéaire qu'une approche faisant intervenir une commande finie et précise de la position de la vanne. L'une des variantes illustrées par la figure 12 de ce document propose un déplacement linéaire du cornet tridimensionnel.

[0009] La solution décrite dans le document de l'art antérieur présente plusieurs inconvénients. [0010] En premier lieu, la vanne proposée présente, comme toutes les vannes « poppet » de l'art antérieur, une courbe « débit/position du piston » très raide dans la séquence d'ouverture. La vanne proposée dans l'art antérieur prétend permettre une courbe plus progressive, proche d'une droite, mais ne permet pas de définir une courbe très progressive, permettant un dosage fin lors de l'ouverture. [0011]Ceci constitue un réel inconvénient pour certaines applications nécessitant une ouverture très progressive, avec une courbe en « S » par exemple (sur un diagramme imaginaire de pression en fonction de l'ouverture), comme les applications de dérivation des gaz pour un turbocompresseur. [0012] Un autre inconvénient des solutions de l'art antérieur est que la vanne forme une protubérance venant perturber le flux de fluide et, dans certaines applications telles que les applications de décharge de turbocompresseur, perturbe le mélange de fluide commandé par la vanne avec un fluide circulant dans un conduit principal.

[0013] D'autres inconvénients secondaires existent, notamment la difficulté de réaliser une bonne étanchéité autour de l'arbre de l'actionneur. En ce sens, les solutions de l'art antérieur permettent d'assurer l'une ou l'autre des fonctions (réglage fin de l'ouverture et bonne étanchéité) mais ne permettent pas de réaliser les deux fonctions avec une architecture fiable, simple et industrialisable.

[0014] Plus particulièrement, dans les documents de l'art antérieur, il est difficile de garantir un réglage fin tout en maintenant une étanchéité qu'on nomme « intérieure », correspondant à l'absence de fuite de fluide de l'entrée vers l'échappement lorsque la vanne est fermée, ainsi qu'une étanchéité qu'on nomme « extérieure », correspondant à l'absence de fuite de fluide des canaux d'entrée/échappement vers l'extérieur de la vanne. EXPOSE DE L'INVENTION

[0015] L'invention a pour objet de résoudre les inconvénients cités précédemment en permettant notamment de proposer une vanne de dosage assurant un dosage précis tout en garantissant une bonne étanchéité en position de fermeture.

[0016] Il est aussi un des objets de l'invention de proposer une vanne de dosage ne perturbant pas le flux de gaz en sortie en minimisant l'intrusion de la vanne dans le conduit d'échappement dans laquelle elle débouche.

[0017] Il est encore un des objets de l'invention de proposer une vanne de dosage motorisée compacte et refroidit par un fluide caloporteur permettant de gérer le dosage de fluide chaud tout en assurant un positionnement libre de l'actionneur dans l'application.

[0018] Il est enfin un des objets de l'invention de proposer une vanne de dosage simple, avec un nombre de pièces réduit et un design facilement industrialisable. [0019] Plus particulièrement l'invention concerne une vanne de dosage de fluide motorisée comportant un conduit d'entrée, un conduit d'échappement et un moteur déplaçant un piston mobile linéairement entre une position de fermeture dans laquelle l'extrémité distale dudit piston vient en contact étanche avec un siège de forme complémentaire, et une position d'ouverture, ladite vanne étant configurée pour présenter un débit variable continûment entre ladite position de fermeture et ladite position d'ouverture en fonction de la position axiale dudit piston, ledit conduit d'entrée débouchant dans la périphérie du conduit d'échappement, avec une protubérance constante quelle que soit la position dudit piston, ladite protubérance ne dépassant pas radialement le barycentre dudit conduit d'échappement caractérisée en ce que ledit moteur est un moteur électrique rotatif entraînant ledit piston en translation.

[0020]Cette configuration permet en effet de ne pas perturber le flux de fluide et ce quelle que soit la position de réglage de la vanne.

[0021] Avantageusement, ledit moteur est un moteur électrique rotatif entraînant ledit piston par l'intermédiaire d'un axe dont l'extrémité opposée audit piston est filetée et coopère avec un écrou fixe en translation entraîné directement par le rotor dudit moteur électrique.

[0022]Avantageusement, ledit conduit d'entrée débouche dans la périphérie du conduit d'échappement, avec une protubérance constante quelle que soit la position dudit piston, ladite protubérance ne dépassant pas radialement le barycentre dudit conduit d'échappement.

[0023] Selon des variantes de réalisation :

- ledit axe présente un élément d 'anti-rotation qui coopère avec un élément fixe du moteur, ledit conduit d'entrée débouche radialement dans ledit conduit d'échappement, ledit conduit d'entrée débouche tangentiellement dans ledit conduit d'échappement, ledit piston est actionné solidairement d'un axe d'entraînement d'un moteur,

Selon un mode dit « fermeture tirée », ladite extrémité distale dudit piston vient en contact étanche avec un siège de forme complémentaire lorsque ledit piston est en position rapprochée dudit moteur, selon un mode dit « fermeture poussée », ladite extrémité distale dudit piston vient en contact étanche avec un siège de forme complémentaire lorsque ledit piston est en position écartée dudit moteur, ledit piston présente au moins un segment d'étanchéité, ledit piston est creux et débouchant dans la direction d'un clapet d'étanchéité formant l'extrémité distale venant en contact avec ledit siège en position de fermeture, ledit piston est mobile dans une chemise enchâssée dans ledit conduit d'entrée, ledit piston présentant à sa partie distale des moyens pour étanchéifier par rapport à ladite chemise, afin de refroidir le moteur d'actionnement de la vanne, la vanne comprend un flasque sur lequel est fixé le moteur et qui comprend des canaux de circulation d'un fluide caloporteur, le flasque est creux, ledit conduit d'entrée présente une structure d'accueil creuse pour accueillir ledit flasque creux et en ce qu'un joint d'étanchéité est positionné à l'interface dudit flasque et de ladite structure d'accueil, le flasque présente une géométrie multi-périodique, par exemple une périodicité de 90°, sans que celle-ci soit limitative, afin de permettre le positionnement du moteur suivant plusieurs orientations possibles, en fonction de l'encombrement dans l'application. [0024] L'invention concerne également une soupape de décharge pour turbocompresseur comprenant une vanne de dosage de fluide telle que décrite précédemment.

[0025]Selon une variante, l'axe dudit conduit d'entrée est disposé dans un plan transversal dudit conduit d'échappement, ledit conduit d'entrée présentant un orifice débouchant tangentiellement à la périphérie du conduit d'échappement.

[0026]Selon une autre variante, l'axe dudit conduit d'entrée est disposé radialement, dans un plan transversal dudit conduit d'échappement, ledit conduit d'entrée présentant un orifice débouchant dans une zone périphérique dudit conduit d'échappement sans former de protubérance au niveau de l'axe dudit conduit d'échappement.

[0027] L'invention concerne encore une vanne de recirculation de gaz brûlé utilisant une vanne de dosage de fluide telle que décrite précédemment.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0028] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement :

- les figures 1 a et 1 b, des vues suivant deux perspectives différentes d'une vanne dans une application et selon un premier mode, dit tangent, de réalisation de l'invention ;

- la figure 2, une vue éclatée en perspective d'une vanne dans une application selon le premier mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 3a, 3b et 3c, des vues de côté d'une vanne dans une application selon plusieurs modes de réalisation de l'invention avec des orientations différentes du connecteur électrique et des canaux de refroidissement ;

- la figure 4 une vue éclatée isolée d'une vanne selon l'invention ;

- les figures 5a et 5b, des vues en coupe d'une vanne selon un deuxième mode, dit radial, de réalisation ;

- les figures 6a à 6f, des vues de dessous d'une vanne selon le premier mode de réalisation, permettant d'apprécier l'ouverture progressive de l'orifice d'obturation ; - les figures 7a et 7b, des vues en coupe d'une vanne selon un mode de réalisation dit « fermeture poussée », montrant des ouvertures différentes de l'orifice d'obturation ;

- les figures 8a et 8b, des vues en coupe d'une vanne selon un mode de réalisation dit « fermeture tirée », montrant des ouvertures différentes de l'orifice d'obturation ;

- la figure 9, une vue en coupe d'une vanne selon un mode de réalisation dit « fermeture tirée », dans un mode de réalisation alternative sans chemise. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

[0029] En figures 1 a et 1 b, une vanne de dosage (8) selon l'invention est positionnée dans une application de décharge de turbocompresseur, selon un mode de réalisation dit « tangent », faisant référence à la position de l'axe d'actionnement relativement au conduit d'échappement (2). Le turbocompresseur comprend une turbine (9), à laquelle est liée la vanne de dosage (8), et un compresseur (10), dont les détails de fonctionnement ne sont pas repris ici car correspondant à une architecture classique dans une automobile moderne (voiture ou camion).

[0030] La vanne de dosage (8) agit en périphérie d'un conduit d'échappement (2) de la turbine, et réalise une décharge plus ou moins importante et réglable, d'un gaz en provenance d'un conduit d'entrée (1 ). Dans cette application de décharge de turbocompresseur, le conduit d'entrée (1 ) est chargé de gaz chaud en provenance de l'échappement (12) du moteur à combustion interne. Il rejoint la turbine (9) afin d'entraîner le compresseur (10) d'air frais destiné à rejoindre l'admission du moteur à combustion interne. [0031] Afin de décharger la turbine, c'est-à-dire d'éviter une trop grande vitesse de rotation de cette dernière qui pourrait endommager le système, ou tout simplement parce qu'on veut diminuer la compression d'air, il est nécessaire de décharger une partie du gaz chaud amené par le conduit d'échappement moteur (12) vers le conduit d'échappement (2) grâce au conduit d'entrée (1 ). Il peut aussi être nécessaire d'envoyer une partie des gaz chauds vers les cylindres du moteur afin de participer à la dépollution des gaz brûlés ou encore ces gaz brûlés peuvent être envoyés vers le post-traitement des gaz brûlés afin d'augmenter la température de traitement (gestion thermique). [0032] Pour cela, il s'agit en fait de court-circuiter le gaz chaud d'entraînement en l'empêchant de rejoindre l'aube (non visible) de la turbine (9). La vanne de dosage (8) permet cette fonction avantageusement grâce au concept proposé par la présente invention, en minimisant l'intrusion dans le conduit d'échappement (2), loin du barycentre de ce dernier, et en permettant un réglage fin et en assurant une bonne étanchéité de la vanne.

[0033]Cette vanne de dosage (8) comprend notamment un moteur (1 1 ) déplaçant un piston (3) venant obstruer un orifice (13) situé à la périphérie du conduit d'échappement (2). Le moteur est positionné le long de son axe d'actionnement, qui est orienté perpendiculaire au conduit d'échappement. Cette position en périphérie, éloignée du barycentre (7) du conduit d'échappement (2), c'est à dire éloignée du centre dudit conduit (2), permet de minimiser l'intrusion de la vanne de dosage (8) dans le flux mécanique des gaz expulsés par ledit conduit d'échappement (2), et ce, quelle que soit la position de dosage effective, telle que représentée à travers diverses positions du piston (3) obstruant plus ou moins l'orifice (13) en figures 6a à 6f.

[0034] Dans ce mode de réalisation « tangent », la vanne de dosage (8) se fixe aisément au conduit d'entrée (1 ) grâce, par exemple, à plusieurs vis (14), comme visible en figure 2 dans une vue éclatée.

[0035] Du fait de la température importante des gaz chauds dirigés - de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, typiquement 700 °C - il est possible de réaliser un refroidissement par circulation de fluide caloporteur, typiquement de l'eau, entre le moteur (1 1 ) et le conduit d'entrée (1 ) dans le flasque (16), grâce à des canaux de circulation (17). Le concept de vanne permet aussi de positionner ces canaux (17) selon des orientations différentes relativement au conduit d'entrée (1 ), comme visible en figures 3b et 3c. Le flasque (16) présente en effet une périodicité (par exemple 90°, sans que cette valeur ne soit limitative) qui permet de l'orienter, avec le moteur (1 1 ), selon plusieurs sens possibles selon la place disponible. Le principe de refroidissement est explicité plus loin relativement à la figure 8a. De même, le concept de vanne est flexible et permet de positionner le connecteur électrique (18) sur plusieurs côtés, comme présentés en figures 3a et 3b. [0036] Dans une réalisation préférée, la vanne de dosage (8) présente, comme on peut l'apprécier en figure 4 dans une vue éclatée, un moteur (1 1 ), agissant sur un piston (3), via une vis (19) solidaire d'un axe (28), ledit piston (3) étant déplacé à l'intérieur d'une chemise (15) qui réalise l'interface entre le conduit d'entrée (1 ) et le piston (3). Pour tous les modes de réalisation, dans le cas où le déplacement de la vis (19) doit être fait sans rotation du piston (3), ce qui n'est pas obligatoire, la vis présente un élément d'anti- rotation (20) qui coopère avec un élément fixe du moteur (1 1 ). Le mouvement du piston peut aussi être hélicoïdal, en fonction du type de transformation de mouvement utilisé.

[0037] Un deuxième mode de réalisation, dit « radial », est présenté en figures 5a et 5b, faisant référence à la direction d'actionnement relativement au conduit d'échappement (2). Le moteur est positionné le long de son axe d'actionnement, qui est orienté perpendiculaire au conduit d'échappement. Ces vues de coupe, qui montrent le conduit d'échappement (2), le conduit d'entrée (1 ) - en partie - et le moteur (1 1 ), permettent aussi d'apprécier l'intérieur dudit moteur (1 1 ) qui comprend une partie statorique (21 ) bobinée et un rotor (22) lié à un écrou (23), fixe en translation. Lors du pilotage du moteur (1 1 ), par réaction, le rotor (22) provoque le déplacement linéaire de la vis (19) et donc du piston (3) via l'écrou (23). Le piston peut donc aller d'une position ouverte, comme en figure 5a, où la décharge du turbocompresseur est maximale, à une position fermée, comme en figure 5b, où la décharge n'est pas permise par l'obstruction totale du conduit d'entrée (2) par le piston (3) qui vient en appui sur le siège (27).

[0038] Afin d'assurer l'immunité du moteur (1 1 ) au gaz chaud circulant, sont placés des joints d'étanchéité (24), type joint torique ou plus généralement des joints à anneau semblable à des segments, sur le piston (3). Le nombre de ces segments n'est pas limitatif et peut varier. Avantageusement, et comme représentés en figures 5a et 5b, deux segments peuvent être utilisés.

[0039] La configuration des figures 5a et 5b correspond à un mode dit « fermeture poussée », dans le sens où le moteur (1 1 ) pousse le piston (3) pour obstruer l'orifice (13). C'est aussi le cas des réalisations en figures 7a et 7b, alors que les figures 8a, 8b et 9 représentent un mode dit « fermeture tirée », dans le sens où le moteur (1 1 ) tire sur le piston (3) pour obstruer l'orifice (13). Le choix de l'un ou l'autre des modes de fermeture, tout comme le choix de l'orientation tangente ou radiale de la vanne de dosage (8) peut être dicté par des raisons d'encombrement ou de réalisations qui ne sont pas décrites ici. Ces différents modes de réalisation sont des alternatives possibles qui sont toutes protégées par la présente invention, non limitativement. En effet, chacune d'entre elles permette d'agir sur la périphérie du conduit d'échappement (2) sans entraver la dynamique du fluide circulant dans ledit conduit (2) et ce, quelle que soit la position d'obturation dudit conduit d'entrée (1 ). A ce titre, les réalisations des figures 1 a, 1 b et 2 forment une protubérance (25) minimale dans le conduit d'échappement (2), tandis que les réalisations des figures 5a et 5b, par exemple, présentent une protubérance (25) légèrement plus importante, sans toutefois entraver le volume principal du conduit d'échappement (2), loin du barycentre (7) dudit conduit (2).

[0040] La configuration présentée en figures 8a et 8b, dite « fermeture tirée », présente un piston (3) creux prolongé par un clapet (26) qui vient, en position fermée (figure 8b), s'assoir contre un siège (27), solidaire de la chemise (15). Cette chemise (15) présente donc plusieurs avantages : absorber les tolérances de positionnement entre le conduit d'entrée (1 ) et la vanne de dosage (8), assurer l'étanchéité du moteur (1 1 ) à l'aide des joints (24), assurer le siège (27) de clapet (26), assurer un ajustement de la géométrie de la fenêtre indépendamment de la surface résultant de l'intersection des deux conduits d'entrée (1 ) et d'échappement (2).

[0041]Sur cette figure 8a est notamment visible le principe de refroidissement par fluide caloporteur. Il est à noter que la description qui est faite relative à cette figure n'est pas exclusive au mode de réalisation présenté et peut s'appliquer indifféremment à toutes les autres réalisations proposées dans ce document ou résultant, plus généralement, de l'invention.

[0042] Ledit principe de refroidissement est donc mis en œuvre avec le flasque (16) d'une part qui correspond à une première partie creuse, qui vient se loger sur la structure d'accueil (29) du conduit d'entrée (1 ). Cette structure d'accueil (29) est aussi creuse et un joint d'étanchéité (30) est à l'interface entre cette structure d'accueil (29) et le flasque (16). Le fluide caloporteur, venant et s'évacuant par les canaux (17), circule donc dans le flasque (16) creux et la structure d'accueil (29) creuse aussi. [0043] Dans le cas où les canaux (17) sont relativement proche l'un de l'autre, il est proposé de positionner, entre lesdits canaux (17) une paroi (31 ) séparatrice qui obligera le flux de fluide caloporteur à circuler dans l'ensemble de l'espace généré par le flasque (16) creux et la structure d'accueil (29) en limitant le court-circuit.

[0044] La figure 9 présente une alternative de réalisation en mode dit « tangent à fermeture tirée » dans laquelle la chemise (15) est supprimée afin de minimiser le nombre de pièces. L'étanchéité est réalisée directement entre le conduit d'entrée (1 ) et le piston (3).

[0045] Les avantages principaux permis par une vanne de dosage (8) suivant l'invention sont de réaliser un dosage précis continu, c'est-à-dire une obstruction partielle commandée finement par le moteur (1 1 ) via le piston (3), tout en assurant une très bonne étanchéité par le fait que le piston (3) vient totalement et hermétiquement fermer l'orifice (13).

[0046] Il est précisé que les caractéristiques techniques décrites de manière détaillées en référence à un mode de réalisation ne sont pas limitatives à ce mode de réalisation exclusivement, mais peuvent aussi être appliquées à un autre mode de réalisation où elles ne sont pas décrites de manière aussi détaillée pour éviter des redondances.