Brevet FR2053303A1 — publié le 19710416

La présente invention se rapporte à un mécanisme de distribution à sajppes destiné à équiper un moteur à combustion interne de véhicule automobile et, plus particulièrement, à un tel méoanisme de distribution dont le fonctionnement est asservi au régime du mo-5 teur. Les mouvements d•ouverture et de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement d'un cylindre de moteur à combustion interne pour véhicule automobile sont habituellement décalés dans le temps de telle manière que le moteur fontionne à son rendement 10 maximal lorsqu'il tourne à son régime de croisière. C'est dire en conséquence que lorsque le véhicule circule à une vitesse noiis élevée, comme c'est le cas en conduite urbaine, le bon fonctionnement du moteur s'en trouve plus ou moins affecté, et les gaz d'échappement contiennent une proportion accrue de produits imbrûlés ouircomplète-15 ment brûlés contenant des composés nocifs tels que des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone, ce qui cause un sérieux problème de pollution atmosphérique en zone urbaine. Parmi les diverses solutions proposées pour résoudre ce problème de la pollution de l'air, il est classique de retarder l'ouverture de la soupape 20 d'échappement de manière que le mélange en combustion reste plus longtemps confiné dans le cylindre à haute température et sous pression élevée, ce qui provoque la combustion complète des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone. Bien qu'il assure effectivement une réduction de la teneur des gaz d'échappement en produits 25 imbrûlés toxiques, notamment lorsque le moteur tourne à faible vitesse et/ou sous faible charge, le retard à l'ouverture de la soupape d'échappement se traduit par contre par une baisse de rendement du moteur lorsqu'il fonctionne à vitesse élevée et/ou sous forte charge. Cet inconvénient ne peut que persister tant que 30 l'ouverture de la soupape est commandée, ou retardée, sans qu'il soit tenu compte des conditions de fonctionnement du moteur. En conséquence, l'invention a pour objet la réalisation d'un mécanisme de distribution à soupapes dans lequel l'ouverture de la soupape d'échappement est retardée tandis que sa fermeture 35 est légèrement avancée lorsque le moteur fonctionne à faible vitesse et/ou sous faible charge, comme c'est le cas en conduite urbaine . Un autre objet de l'invention est de réaliser un mécanisme de distribution à soupapes permettant non seulement le contrôle 70 28246 2 2053303 des momeniB d'ouverture et de fermeture de la soupape d'échappement comme indiqué ci-dessus, mais encore la commande de la soupape d'admission de manière que son ouverture soit retardée et sa fermeture légèrement avancée lorsque le moteur fonctionne à basse 5 vitesse et/ou sous faible charge. D'une manière plus générale, l'objet de l'invention eë; de réaliser un mécanisme de distribution à soupapes dont le fonctionnement est commandé en fonction des divers paramètres de fonctionnement du moteur, tels que sa vitesse et la dépression régnant dans 10 sa tubulure d'admission, les mouvements d'ouverture et de fermeture des soupapes étant sélectivement retardés ou avancés sans que le rendement du moteur s'en trouve affecté. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre non 15 limitatifs illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un premier exemple de réalisation du mécanisme de distribution conforme à l'invention ; - la figure 2 est une coupe partielle selon la ligne II-II 20 de la figure 1 montrant un élément essentiel du mécanisme de distribution ; - la figure 3 est un diagramme illustrant une combinaison avantageuse de moyens de commande pour le mécanisme de distribution objet de l'invention ; 25 - la figure 4 est utfgraphique montrant une plage possible de fonctionnement du mécanisme objet de l'invention ; - la figure 5 est un diagramme illustrant la commande d'une soupape d'échappement conformément à l'invention ; - la figure 6 est un graphique montrant la loi de levée 30 de la soupape d'échappement durant un tour de vilbrequin ; ■ - la figure 7 est une vue partielle en élévation montrant des éléments essentiels d'un autre exemple de réalisation du mécanisme de distribution conforme à l'invention ; - la figure 8 est un diagramme illustrant la commande de la 35 valve d'admission assurée par le mécanisme de la figure 7 ; - la figure 9 est semblable à la figure 6 mais se rapporte au mécanisme de la figure 7 ; et - la figure 10 est un relevé des variations du régime du moteur, de la dépression dans sa tubulure d'admission et de la vites- 40 se du véhicule dans la plage de fonctionnement du mécanisme de 70 28246 3 2053303 distribution conforme à l'invention. La figure 1 représente la fraction d'un mécanisme de distribution conforme à l'invention associée à un cylindre d'un moteur à combustion interne. La queue de la soupape d'échappement 12 engage 5 le culbuteur 14 par l'intermédiaire de la coupelle d'appui 16 de son ressort de rappel 18. La soupape 12 est axialement mobile pour ouvrir et fermer un orifice d'échappement (non représenté) permettant l'évacuation des gaz brûlés, son ressort de rappel 18 la maintenant normalement appliquée sur son siège. Le culbuteur 14 est 10 monté pivotant sur une rotule 20, comme montré clairement sur la figure 2. Une extrémité de l'arbre à cames22 tourillonnant librement dans le cache-culbuteurs 10 se termine par une portée cannelée traversant vin pignon 24 entraîné par le vilbrequin (non représenté), de sorte 15 En regard du culbuteur 14 de la soupape d'échappement 12, 25 l'arbre à cames 22 porte une came double comportant un premier lobe 30 et un second lobe 32. Une pièce 34 formant cylindre, solidaire du cache-culbuteuiB 10, est montée entre l'extrémité droite de l'arbre à cames 22 et la paroi d'extrémité correspondante du cache-culbuteurs .Le cylindre 34 est axialement aligné avec l'extrémité de 30 l'arbre à camee22 et présente sur sa surface interne une butée centrale 36 destinée à limiter le déplacement axial d'un piston 38 fixé à l'extrémité de l'arbre à cames22 au moyen d'un boulon 40. Le piston 38 s'ajuste dans le cylindre 34 de meulière à définir dans ce dernier une chambre étanche 42. Un ressort de compression 44 35 prenant appui sur le support de palier 28 tend à repousser le piston 38 par l'intermédiaire d'une butée tournante 45 montée sur ledit piston comme représenté. La chambre 42 communique d'une part avec un passage d'arrivée de liquide 46 et d'autre part avec un passage de sortie de liquide 40 48. Le passage d'arrivée 46 communique lui-même à travers un 70 28246 4 2053303 orifice 50 avec un canal 52 agencé dans la culasse, tandis que le passage de sortie 48 communique avec un canal collecteur 54. Le canal 52 reçoit du liquide sous pression d'une source non représentée. 5 Le premier lobe 30 de la came, qui intervient lors du fonction nement du moteur à vitesse élevée et/ou sous forte charge, est de plus petite taille que le second lobe 32, qui intervient à basse vitesse et/ou sous faible charge. La position du premier lobe 30 sur l'arbre à cames32 est telle qu'il engage normalement le culbu-10 teur 14 lorsque le piston 38, et par suite l'arbre à cames 22, sont repoussés contre la butée 36 du cylindre 34 par l'action de rappel du ressort 44 en l'absence de pression hydraulique dans la chambre 42. Le second lobe de came 32 est pour sa part positionné de telle manière qu'il se trouve normalement hors d'engagement avec le cul-15 buteur 14 lorsque l'arbre à cames22 se trouve dans la position susmentionnée, et vienne en engagement avec ledit culbuteur lorsque la pression hydraulique régnant dans la chambre 42 est suffisante pour repousser le piston 38, et par suite l'arbre à cames 22 hors d'engagement avec la butée 36 contre l'action du ressort de rappel 20 44. La mise sous pression de la chambre 42 est contrôlée par une valve à plongeur 56 associée au passage 48 de sortie de liquide. Le plongeur 56 est lui-même commandé par un électro-aimant désigné dans son ensemble par 58. La référence 60 désigne un passage de 25 décharge permettant la pénétration du liquide sous pression dans le plongeur 56 lors de sa fermeture. L'électro-aimant 58 comprend essentiellement un noyau mobile 62 dont le plongeur 56 forme partie intégrante, un ressort 64 qui tend à repousser le noyau 62 de manière que le plongeur 56 30 ferme le passage de sortie 48, et un bobinage 66 qui, lorsqu'alimenté, provoque le rappel du noyau 62 en position rétractée, de sorte que le plongeur 56 ouvre le passage 48. Le bobinage 66 est alimenté en réponse à des conditions de fonctionnement prédéterminées du moteur du véhicule, de telle sorte 35 que le plongeur 56 n'ouvre le passage 48 que lorsque le véhicule circule dans des conditions déterminées, telles que celles rencontrées sur route. Divers paramètres de fonctionnement du moteur peuvent être utilisés pour représenter ces conditions et commander 1'électro-aimant 58, dans la mesure où l'esprit de la présente 70 28246 5 2053303 invention est respecté. La figure 3 illustre à titre d'exemple un dispositif électrique pouvant être avantageusement utilisé pour la commande de l'électro-valve 58. Comme jnontré sur cette figure, le bobinage 66 est relié par 5 un conducteur 66a à un premier interrupteur 68 commandé par les variations de la dépression dans la tubulure d'admission (non représentée) du moteur. Cet interrupteur 68 est actionné par un organe manométrique 70 comportant un diaphragme 72 auquel est relié le contact mobile de l'interrupteur 68. Un ressort de rappel 10 74 appuie sur la face opposée du diaphragme 72, qui est en conséquence normalement repoussé dans une position pour laquelle l'interrupteur 68 est maintenu ouvert. Le diaphragme 72 est exposé à la dépression régnant dans la tubulure d'admission du moteur, la force du ressort de rappel 70 étant choisie de valeur telle qu'elle 15 surpasse les forces de pression exercées sur le diaphragme 72 tant que la dépression dans la tubulure d'admission n'atteint pas un niveau prédéterminé, par exemple de l'ordre de 100 mm de mercure. Lorsque la dépression augmente au-delà de ce niveau prédéterminé, le diaphragme 72 repousse le ressort 74 et par suite ferme l'inter-20 rupteur 68. A la place du dispositif montré sur la figure 3, on pourrait aussi bien utiliser pour actionner l'interrupteur 68 la commande automatique d'avance à l'allumage du moteur. L'interrupteur 68 est relié par un conducteur 78 à un second 25 interrupteur 76. Ce dernier peut être un contact de relais normalement ouvert se fermant lorsque la tension d'excitation du relais tombe au-dessous d'un niveau prédéterminé. Plus particulièrement, l'interrupteur 76 peut être fonctionnellement commandé par le distributeur d'allumage 78 par l'intermédiaire d'un conducteur 80 30 branché sur le circuit primaire du distributeur, des moyens étant prévus pour engendrer une tension proportionnelle à la cadence des impulsions primaires, cette tension étant ensuite comparée à une tension de référence correspondant à une vitesse prédéterminée du moteur, par exemple 3200 t/mn, pour assurer la commutation de 35 l'interrupteur 76. D'autres moyens de commande pourraient aussi bien être utilisés, dans la mesure où l'interrupteur 76 ne serait fermé que lorsque la vitesse de rotation du moteur serait inférieure à une valeur déterminée. Par exemple, l'interrupteur 76 pourrait être commandé à partir d'un dispositif tachymétrique ou de détec-40 teurs de pression associés à une transmission hydraulique. L'inter 70 28246 6 2053303 rupteur 76 pourrait encore être commandé à partir d'un détecteur magnétique de vitesse associé à un pignon solidaire du vilbrequin. Les deux interrupteurs 68 et 76 sont montés en série avec une source d'énergie électrique 82, par exemple la batterie d'accumu-5 lateursdu véhicule. En fonctionnement, lorsque le véhicule circule sur route ou sur autoroute, et qu'en conséquence son moteur tourne à une vitesse supérieure à une valeur prédéterminée (par exemple 3200 t/mn) et que la dépression dans sa tubulure d'admission dépasse un niveau 10 prédéterminé (par exemple 100 mm de mercure), les deux interrupteurs 68 et 76 sont maintenus ouverts, de sorte que le bobinage 66 de 1'électro-valve 58 n'est pas excité. Le plongeur 56 repoussé par le ressort de rappel 64 obture en conséquence le passage de sortie de liquide 48, ce qui provoque dans la chambre 42 un accrois-15 sement de pression tel que le piston 38, et donc l'arbre à cames 22, sont repoussés hors d'engagement avec la butée 36 contre l'action du ressort de rappel 44, jusqu'à ce que le second lobe de came 32 soit amené en engagement avec le culbuteur 14. L'ouverture et la fermeture de la soupape d'échappement 12 se trouvent en consé-20 quence commandées par la rotation du lobe de came 32 de grandes dimensions, lorsque le véhicule circule à vitesse élevée. Lorsque le véhicule ralentit ou circule à faible vitesse, comme c'est le cas en ville, le régime de rotation du moteur diminue tandis que la dépression dans sa tubulure d'admission s'accroît, 25 de sorte que les interrupteurs 68 et 76 se ferment simultanément ou successivement. Dès que les deux interrupteurs sont fermés, le bobinage 66 de l'électro-valve 58 est alimenté et provoque le retrait du plongeur 56 contre l'action du ressort de rappel 64, ce qui a pour conséquence d'ouvrir le passage de sortie de liquide 30 48. Le liquide sous pression confiné dans la chambre 42 peut dès lors passer dans le canal collecteur 54 par l'intermédiaire du passage de sortie 48. Le piston 38 et par suite l'arbre à came 22, sont donc ramenés contre la butée 36 par l'action du ressort de rappel 44, de sorte que le premier lobe de came 30 est amené en 35 engagement avec le culbuteur 14. L'ouverture et la fermeture de la soupape d'échappement 12 sont donc dès lors commandées par la rotation du premier lobe de came 30. La figure 4 représente à titre d'exemple une plage de fonctionnement du moteur pour laquelle les deux interrupteurs 69fet 76 se 40 trouvent simultanément fermés, le premier interrupteur 68 étant 70 28246 7 2053303 supposé se fermer dès que la dépression dans la tubulure d'admission dépasse 100 mm de mercure, et le second interrupteur 76 étant supposé se fermer dès que la vitesse de rotation du moteur est inférieure à 3200 t/mn. 5 Le premier lobe de came 30, destiné à commander la soupape d'échappement lorsque le moteur fonctionne à vitesse élevée et/ou sous forte charge, est conformé de telle manière que l'ouverture (0) de la soupape d'échappement 12 se produise environ 50 degrés avant le passage au point mort bas (PMB) du piston du cylindre 10 concerné, et que sa fermeture (F) se produise peu de temps après le passage du piston par le point mort haut (PMH) et de préférence environ 10 degrés plus tard, comme il apparaît sur les figure 5 et 6. Le second lobe de came 32, destiné à commander les mouvements de la soupape d'admission 12 lorsque le moteur travaille à faible 15 vitesse et/ou sous faible charge, est conformé de manière que, comme montré soir les figures 5 et 6, l'ouverture 0 de la soupape j se produise quelques 50 degrés après le passage au point mort bas PMB et que sa fermeture F coïncide sensiblement avec le point mort haut PME. Comme le montre la figure 6, le second lobe de came 32 20 assure une levée de soupape inférieure à celle qu'assure le premier lobe de came 30. Dans le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, sevile la commande des soupapes d'échappement du moteur est modifiée en fonction des conditions de circulation du véhicule ; toutefois, 25 le mécanisme conforme à l'invention pourrait aussi bien modifier simultanément, et selon le même principe, la commande des soupapes d'admission, comme c'est le cas dans l'exemple de réalisation montré sur la figure 7. Sur cette figure, la soupape d'admission désignée par la réfé-30 rence 86, est actionnée par un culbuteur 88, un ressort 92 et son siège 90, de la même manière que la soupape d'échappement 12. Dans le mécanisme modifié de la figure 7, l'arbre à cames 22 porte, en sus des deux lobes de came 30 et 32, un autre jeu de lobes de came 94 et 96. Ces lobes de came 94 et 96 sont sélectivement amenés 35 en engagement avec le culbuteur 88 de la soupape d'admission 86 de la même manière que les lobes de came 30 et 32, respectivement, sont amenés en engagement avec le culbuteur 14 de la soupape d'échappement 12 ; pour cette raison, la description des déplacements des lobes de came 94 et 96 sera omise. 40 Le premier lobe de came 94, qui se trouve en service lorsque 70 28246 8 2053303 le moteur tourne à une vitesse supérieure à une valeur déterminée et/ou sous forte charge, est conformé de telle manière que l'ouverture 0' de la soupape d'admission 86 se produise légèrement avant le point mort haut PMH, de préférence environ 10 degrés avant, 5 et que sa fermeture F' ait lieu quelques 50 degrés après le point mort bas PMB. Le second lobe de came 96, en service lorsque le moteur tourne à faible vitesse et/ou sous faible charge, est conformé de telle manière que l'ouverture 0' de la soupape d'admission 86 coïncide sensiblement avec le point mort haut PMH, et que 10 sa fermeture F' se produise légèrement avant l'instant de fermeture de cette même soupape lorsque le premier lobe de came 94 est en service. Ceci apparaît clairement sur la figure 8. La figure 9 montre que la levée de la soupape est sensiblement supérieure lorsque le lobe de came 94 est en service, par comparaison avec la 15 levée de cette même soupape, lorsque le lobe de came 96 est en service. La figure 10 est conçue pour montrer comment la vitesse du moteur et la dépression dans sa tubulure d'admission, toutes deux utilisées de préférence pour représenter les conditions de circula-20 tion du véhicule, varient de manière marquée avec la vitesse du véhicule, et par suite permettent de déterminer correctement la plage de fonctionnement du mécanisme conforme à l'invention en vue d'assurer le résultat désiré, à savoir la modification de la commande des soupapes en fonction des conditions de circulation du véhi-25 cule. Comme il a été déjà indiqué, il est bien évident que la commando des soupapes d'échappement et/ou d'admission peut être contrôlée pour assurer une combustion satisfaisante du mélange d'air et de carburant dans les cylindres du moteur, sans qu'il en résulte 30 de diminution significative de sa puissance dans les diverses conditions de conduite du véhicule. On remarquera par ailleurs qu'il est important, en vue de faciliter la combustion complète des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone, que le mélange combustible fourni au cylindre du mo-35 teur comporte une proportion suffisante d'oxygène . Dans ce but, on alimente avantageusement le moteur avec un mélange relativement pauvre, auquel cas il est nécessaire d'utiliser un moteur spécialement adapté à cet effet; dans vui tel moteur, il est indispensable que le mélange soit uniformément distribué aux différents cylindres 40 du moteur et se propage régulièrement dans chaque chambre de com- 70 28246 9 2053303 bustion par l'effet de turbulences induites dans ladite chambre. Ceci peut être obtenu par étranglement de l'orifice d'admission du cylindre par la soupape associée, afin de "laminer" le mélange admis. Le second exemple de réalisation du mécanisme de distribu-5 tion objet de l'invention, illustré par la figure 7, est avantageux à cet égard, puisque la levée de la soupape est sensiblement réduite lorsque le moteur travaille à basse vitesse et/ou sotis faible charge, conditions pour lesquelles les gaz d'échappement contiennent habituellement la plus forte proportion d'imbrûlés toxiques. 10 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit 15 de l'invention. 70 28246 10 2053303 R_E_V_E_N_D_I_C_A_T__I_0_N_S_ 1. Mécanisme de distribution pour moteur à combustion interne de véhicule automobile dont chaque cylindre est pourvu de soupapes d'admission et d'échappement actionnées par un arbre à cames entraîné en rotation par le vilbrequin du moteur, caractérisé en 5 ce que ledit arbre à cames est monté coulissant dans ses paliers de support, solidaires du bloc cylindre du moteur, et porte d'une part une paire de lobes de came axialement espacés pour l'actionne-ment du culbuteur de chaque soupape d'échappement, le second lobe étant de plus grande taille que le premier, et d'autre part un 10 piston fixé à l'une de ses extrémités et qu'un ressort de rappel prenant appui sur un palier de l'arbre à cames tend à maintenir contre une butée prévue au fond d'un cylindre solidaire du bloc moteur, la chambre définie entre ledit piston et ledit cylindre communiquant d'une part avec une source de liquide sous pression 15 par un passage d'arrivée et d'autre part avec un passage de sortie de liquide normalement fermé par une valve pourvue de moyens de commande en assurant l'ouverture lorsque le moteur tourne à une vitesse inférieure à une limite déterminée tandis que la dépression dans la tubulure d'admission dudit moteur dépasse une valeur déter-20 minée, de sorte qu'en labsence de pression dans la chambre délimitée entre le cylindre et le piston, ce dernier est maintenu contre sa butée par l'action du ressort, le premier lobe de came actionnant alors le culbuteur de la soupape, tandis que lorsque ladite valve se referme, la pression établie dans ladite chambre repousse 25 le piston et par suite l'arbre à cames, contre l'action de son ressort de rappel pour amener le second lobe de came en engagement avec le culbuteur de ladite soupape. 2. Mécanisme de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valve précitée est constituée par le noyau plon-30 geur d'un électro-aimant qu'un ressort de rappel tend à maintenir en position de fermeture du passage de sortie précité, le bobinage dudit électro-aimant étant relié à une source d'énergie électrique par l'intermédiaire de deux interrupteurs montés en série, normalement ouverts et se fermant le premier lorsque la vitesse de rotatixi 35 du moteur est inférieure à la limite précitée, et le second lorsque la dépression dans la tubulure d'admission dudit moteur dépasse la valeur précitée. 70 28246 n 2053303 3. Mécanisme de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre à cames précité porte en outre une paire de lobes de came pour 1'actionnement du culbuteur de chaque soupape d'admission, le second lobe étant de plus grande taille que 5 le premier et actionnant ledit culbuteur lorsque la valve précitée ferme le passage de sortie précité et qu'en conséquence, la pression hydraulique régnant dans la chambre précitée repousse le piston précité hors d'engagement avec sa butée, tandis que ledit premier lobe de came actionne ledit culbuteur lorsque ladite valve en 10 position d'ouverture libère le passage de sortie et permet au ressort précité de ramener ledit piston, et par suite l'arbre à cames, dans leur position de butée. 5- Mécanisme de distribution selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier lobe de came cité pour l.'actionnement de la soupape d'admission précitée est conformé de manière à ou-25 vrir ladite soupape immédiatement avant le passage du piston du cylindre concerné par son point mort haut et à fermer ladite soupape après le passage dudit piston par son point mort bas, tandis que le second lobe de came associé est conformé de manière à ouvrir ladite soupape d'admission sensiblement lors du passage du-30 dit piston par son point mort haut et à la fermer après le passage dudit piston par son point mort bas, à un instant sensiblement plus tardif que celui pour lequel ladite soupape est fermée par l'action dudit premier lobe de came . 6. Mécanisme de distribution selon la revendication 4, carac-35 térisé en ce que le premier lobe de came cité est conformé de manière à ouvrir la soupape d'échappement précitée quelques 50 degrés avant le point mort bas et à la fermer quelques 10 degrés après le point mort haut, le second lobe de came cité étant conformé pour ouvrir ladite soupape quelques 50 degrés après lè point mort bas. 70 28246 12 2053303 7. Mécanisme de distribution selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier lobe de came cité est conformé de manière à ouvrir la soupape d'admission précitée quelques 10 degrés avant le point mort haut et à la fermer quelques 50 degrés après 5 le point mort bas, le second lobe de came cité étant conformé pour fermer ladit soupape à un angle plus petit que 50 degrés après le point mort bas.