Brevet FR2456837A1 — publié le 19801212

La présente invention, due à la collaboration de Monsieur CHAFFIOTTE, concerne la distribution dans les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement l'admission. On sait que les distributions classiques par soupapes d'admission et d'échappement commandées par cames ont des caractéristiques d'ouverture et de fermeture immuables, liées au taillage et au calage des cames, eux-mêmes définis par une loi de levée des soupapes. Toutes les études faites en tenant compte des divers paramètres de fonctionnement du moteur, notamment de l'inertie des gaz en écoulement alternatif dans la distribution, ont conduit à définir des caractéristiques, notamment une avance à l'ouverture de l'admission par rapport au point mort haut (AOA) et un retard à la fermeture de l'admission par rapport au point mort bas (RFA) ainsi qu'un diamètre et qu'une levée importante des soupapes, notamment d'admission, en vue d'améliorer les performances, notamment le couple maximum et la puissance maximum compatibles avec une tenue correcte du ralenti.Toutefois, il est bien évident que le compromis ne peut pas être considéré comme idéal dans toutes ces circonstances, en particulier au point de vue rendement et pollution. On connaît également des distributeurs rotatifs à boisseau ou chemise tournante qui permettent souvent de faire varier les caractéristiques d'ouverture et de fermeture des lumières, donc en principe d'adapter ces caractéristiques au mieux dans chaque cas, mais avec l'inconvénient que ces distributeurs rotatifs sont soumis aux pointes de pression importantes régnant dans chaque cylindre au moment de l'explosion, et en outre à des températures importantes, surtout du côté échappement, ce qui conduit à des dispositifs à la fois onéreux, peu fiables et soumis à une usure rapide, d'ou résulte une perte d'étanchéité interdisant le fonctionnement du moteur. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents, c'est-à-dire de réaliser une distribution à caractéristiques variables mais qui soit simple et fiable. L'invention consiste à utiliser une distribution classique à soupapes d'admission et d'échappement commandées par cames et à disposer en série avec chaque soupape, au moins du côté admission, un boisseau rotatif ou une section d'un boisseau multiple rotatif entrainé à la vitesse de l'arbre à cames mais par l'intermédiaire d'un mécanisme différentiel permettant d'introduire un décalage variable, les dimensions des lumières fixes et mobiles de chaque section de boisseau étant déterminées de telle manière que, pour un certain décalage, l'alimentation de la soupape correspondante soit assurée pour toute sa durée d'ouverture, depuis l'avance à l'ouverture jusqu'au retard à la fermeture, tandis que pour un autre décalage cette durée d'alimentation puisse être réduite. Il est donc clair que la pointe de pression au moment de l'explosion, ainsi que la pression lors de la majeure partie de la compression et de la détente, sont supportées uniquement par les soupapes et que par conséquent le boisseau n a à supporter que des pressions extrêmement réduites ce qui le différencie des dispositifs distributeurs rotatifs indiqués plus haut. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel la fig. 1 est une coupe partielle d'une soupape d'admission et du boisseau correspondant au moment du début d'ouverture de la soupape avec le boisseau non décalé; la fig. 2 est une coupe correspondante au moment de la levée maximum de la soupape et avec un certain décalage du boisseau; la fig. 3 est une coupe horizontale axiale du boisseau multiple d'admission pour quatre cylindres avec son entraînement à décalage variable; les fig. 4, 5, 6 et 7 représentent respectivement des sections verticales du boisseau selon IV-IV, V-V, VI-VI, VII-VII de la fig. 3; la fig. 8 est le diagramme représentant la section de passage offerte par la soupape et le boisseau correspondant en fonction de l'angle de rotation;; la fig. 9 représente le diagramme pression volume d'une distribution classique sans le dispositif selon l'invention; la fig. 10 est le diagramme correspondant à la fig. 9 en cas de remplacement du papillon d'admission par le boisseau selon l'invention; la fig. il est le diagramme pression volume dans le cas de la technique turbo-compound appliquée avec l'invention. Comme exposé plus haut, l'invention s'applique à un moteur à combustion interne, qu'il soit du type à explosion à soupapes classiques d'admission et d'échappement ou du Diesel. Dans ces moteurs, les soupapes d'admission et d'échappement sont commandées, soit par un arbre à cames en tête actionnant directement les soupapes, soit par un arbre à cames en tête actionnant chaque soupape par l'intermédiaire d'un culbuteur, soit enfin par un arbre à cames latéral actionnant chaque soupape par l'intermédiaire d'un poussoir, d'une tige de culbuteur et d'un culbuteur. Cette commande classique n'est pas figurée sur les fig. l et 2 où l'on a représenté simplement une soupape d'admission l faisant communiquer le conduit d'admission 2 avec la chambre de combustion 3 ménagée dans la culasse 4. Habituellement une tubulure d'admission conduit l'air carburé provenant d'un carburateur avec papillon des gaz jusqu'aux divers conduits 2 pour un moteur à plusieurs cylindres. Conformément à l'invention, chaque conduit 2 est commandé par un boisseau rotatif 5 tournant dans l'alésage intérieur 6 d'une partie extérieure 7 rapportée sur la culasse ou d'une seule pièce avec celle-ci. Dans le cas d'un moteur à plusieurs cylindres, comme représenté sur la fig. 3, les divers boisseaux 5 sont en réalité diverses sections d'un même boisseau rotatif unique tourillonnant dans un alésage unique, la pièce rapportée 7 tenant lieu et place de la tubulure d'admission classique. Dans un autre mode de réalisation préféré, le boisseau rotatif tourillonne dans un alésage dont une partie est directement usinée dans la culasse, la partie extérieure 7 se réduisant dans ce cas à une portion de cylindre complétant ledit alésage. L'ensemble du boisseau 5 est entraîné en rotation dans le sens de la flèche 8 à la vitesse de l'arbre à cames, c'est-à-dire à une vitesse moitié de celle du vilebrequin. Chaque conduit 2 débouche dans l'alésage 6 par une lumière 9 de section allongée dans le sens de l'axe 10 du boisseau mais n' occupant qu'un arccX sur ce cylindre. La partie tournante 5 comporte d'autre part une lumière ll s'étendant sur un arc ss comme il apparait sur la fig. 1. L'ensemble du boisseau multiple 5 est entrainé en rotation, par exemple par la chaîne 12 entraînée par le vilbrequin et entraînant déjà l'arbre à cames, ou par tout autre dispositif de transmission de mouvement communiquant à une partie externe 13 la vitesse de rotation moitié de celle du vilebrequin. La liaison entre cette partie externe 13 et le boisseau 5 est réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif différentiel avec planétaire 14 et sateilites 15, ces satellites étant portés par une cage 16 solidaire du bout d'axe 17 du boisseau tournant 5. Le planétaire 14 est fixe mais déplaçable angulairement à l'aide d'un levier 18 et d'une commande appropriée agissant en 19 pour permettre d'imposer un décalage variable entre 13 et 5. Comme exposé plus haut, lorsque aucun décalage n'est introduit par le levier 18, le début d'ouverture de la soupape d'admission doit correspondre sensiblement à l'ouverture totale de la lumière 9 par le boisseau 5 comme il apparaît sur cette figure. D'autre part il est nécessaire que la lumière 11 soit déterminée de façon qu'avec ce décalage nul le boisseau n'impose aucune limitation pendant la durée totale d'ouverture de la soupape, ce qui correspond avec la rotation du vilebrequin à un angle de AOA + 1800 + RFA. I1 lui correspond donc sur l'axe 10 à vitesse moitié un angle minimum + o(+ AOA + 1800 + RFA pour permettre au moteur de fonctionner avec les caractéristiques optimales prévues. Inversement en augmentant ce décalage dans le sens de l'avance on peut provoquer une fermeture prématurée de l'admission, c'est-à-dire compenser partiellement ou totalement le retard à la fermeture d'admission RFA et même aller au-delà. Par exemple dans l'état figuré sur la fig. 2, la soupape 1 est à sa levée maximum et le boisseau 5 est à son début de fermeture. Cela correspond à un décalage en avance de AOA + 1800 + RFA, cette valeur n'étant pas un maximum. Sur le diagramme de la fig. 8 on a représenté en abscisse l'angle A de rotation mesuré par exemple au niveau du vilebrequin selon les normes. On a représenté le point mort haut PMH, le point mort bas PMB et l'on a porté en ordonnée la section S d'ouverture, ce qui donne pour la soupape la courbe 20 correspondant à la loi de levée qui préside au taillage de la came, et qui s'étend en avance sur le point mort haut de la quantité cotée AOA et en retard sur le point mort bas de la quantité cotée RFA. On a porté de même sur ce diagramme la variation de la section d'ouverture de la lumière 9 par le boisseau selon les diverses valeurs du décalage. I1 est évident que cette variation est linéaire et représentable par des droites inclinées.La droite 21-0 qui passe par la base de droite de la courbe 20 correspond à la fig. 1, c'est-à-dire à un décalage nul. Les autres droites 21-1 à 21-5 correspondent à des décalages progressivement croissant dans le sens de l'avance. A titre d'exemple la droite 21-4 montre que son début de fermeture complète, c'est-à-dire le point où elle coupe l'axe des abscisses, est à peu près à la même abscisse que le sommet de la courbe 20 et correspond donc sensiblement à la fig. 2. Ainsi, on voit qu'en agissant sur ce décalage par la manoeuvre du levier 18 on provoque à la fois deux effets, le premier étant une réduction progressive de la section de passage dans la zone utilisée entre l'axe des abscisses, la courbe 20 et la droite 21 correspondante (hauteur du triangle), et le second étant la réduction également progressive du temps que dure l'admission (base du triangle). Cette possibilité de modulation extrêmement souple permet de supprimer le papillon des gaz habituels et de le remplacer par la seule manoeuvre du levier 18, en connectant l'accélérateur à son extrémité 19, ce qui conduit à une amélioration du rendement. En effet, si l'on se reporte au diagramme de la fig. 9, représentant le diagramme classique pression volume d'un moteur à explosion classique à soupapes où la pression atmosphérique est repérée par PA, on sait que ce diagramme est parcouru dans le sens représenté par les flèches et qu'il comporte, à côté de la boucle positive motrice parcourue dans le sens des aiguilles d'une montre, une boucle négative parcourue en sens inverse et représentée par des hachures sur la fig. 9. L'aire de cette courbe représente l'énergie perdue par laminage de l'air au passage des soupapes et du papillon d'admission. En particulier, lorsque le moteur fonctionne à faible charge, c'est-à-dire avec le papillon en grande partie refermé, cette perte d'énergie représente une valeur assez importante. Au contraire, avec le dispositif selon l'invention appliqué à un moteur à explosion, on obtient le diagramme de la fig. 10 où l'on voit que ces pertes sont fortement réduites, d'une part par le fait que la suppression du papillon d'admission a réduit la dépression à l'aspiration d'une valeur importante, et d'autre part par le fait que la boucle se trouve tronquée grâce à la réduction de la durée de l'admission en fonction de la course. On voit donc que déjà avec un moteur classique, à carburateur ou à injection, on obtient un gain important de rendement et par conséquent une réduction corrélative de la pollution. En outre, l'invention est particulièrement intéressante lorsqu'elle est utilisée avec un moteur suralimenté par turbo-compresseur (technique dite turbo-compound) qui récupère l'énergie des gaz d'échappement pour entraîner un turbocompresseur de suralimentation. En effet, dans le cas habituel de réalisation de ce dispositif, pour pouvoir moduler la puissance du moteur on est obligé de prévoir une dérivation ou by-pass de décharge à l'échappement en amont du turbocompresseur (dispositif dénommé waste gate en technologie anglo-saxonne) qui a pour fonction d'évacuer les gaz d'échappement en excès à la turbine afin de limiter corrélativement la pression d'admission au moteur à la valeur voulue. L'utilisation de l'invention dans un tel moteur suralimenté permet de supprimer cette dérivation ou by-pass de décharge à l'échappement, ou waste gate, en limitant non pas la pression d'admission délivrée par le compresseur mais le temps d'ouverture de l'admission. Dans ces conditions les gaz d'échappement traversent toujours en totalité la turbine ce qui donne la récupération d'énergie maximale. Les gaz frais d'admission sont dès lors admis avec une pression plus forte et pendant un temps plus court, en particulier avant que le piston n'ait achevé la course d'admission. Ils se détendent alors sur toute la fin de la course en produisant un travail positif et en se refroidissant ce qui permet d'augmenter le taux de compression du moteur par rapport au dispositif classique. On voit en particulier sur la fig. 11 le diagramme correspondant à ce dispositif, et il est important dans ce cas de remarquer que la boucle hachurée, correspondant à l'alimentation en surpression, est parcourue cette fois dans le sens des aiguilles d'une montre ce qui correspond effectivement à une récupération d'énergie. I1 en résulte par suite une augmentation du rendement du moteur d'une façon encore plus importante. Le dispositif selon l'invention permet également si on le désire de modifier l'avance à l'ouverture de l'admission avec un réglage convenable. Par ailleurs, comme exposé plus haut, le dispositif n'étant soumis pratiquement à aucune pression et à aucune température excessive est facile à réaliser sans poser de problèmes spéciaux ni d'étanchéité, ni de lubrification, ni d'usure. En outre, l'alimentation en air, carburé ou non, se faisant par l'axe du boisseau, celui-ci remplace purement et simplement la tubulure d'admission classique. Un dispositif analogue serait utilisable également sur l'échappement du moteur afin de modifier les caractéristiques d'avance à l'ouverture et de retard à la fermeture des soupapes d'échappement. Dans ce cas encore, le boisseau est protégé des pointes de pression par les soupapes d'échappement, avec par contre l'inconvénient de la température qui ne peut être évitée, mais peut être éventuellement surmontée au moyen d'un refroidissement. REVENDICATIONS 1. Distribution à caractéristiques variables pour moteur à combustion interne avec soupape d'admission et soupape d'échappement commandées par arbre à cames, avec notamment avance à l'ouverture et retard à la fermeture, caractérisée par le fait que chaque soupape est placée en série avec un boisseau rotatif ou une section de boisseau rotatif multiple tournant dans une partie fixe, ledit boisseau étant entrainé à la vitesse de rotation de l'arbre à cames par une transmission appropriée et par l'intermédiaire d'un mécanisme permettant d'introduire un décalage variable, une lumière fixe pratiquée dans ladite partie fixe en connexion avec le conduit d'admission de la soupape correspondante, et une lumière mobile pratiquée dans ledit boisseau tournant étant déterminées de façon que, pour une certaine valeur du décalage, le boisseau laisse libre passage au gaz pendant toute la durée d'ouverture de la soupape correspondante, tandis que pour une autre valeur du décalage il impose une limitation de la section de passage et de la durée de passage des gaz. 2. Distribution selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit mécanisme permettant d'introduire un décalage variable dans la rotation du boisseau est constitué par un dispositif différentiel de type connu. 3. Distribution selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le boisseau est un boisseau cylindrique tournant dans un alésage cylindrique, la lumière fixe étant de forme allongée axialement et étroite dans le sens du développement du cylindre, et le passage des gaz dans le boisseau se faisant dans le sens de l'axe de celui-ci. 4. Distributeur selon la revendication 3 destiné à un moteur à plusieurs cylindres, caractérisé par le fait qu'il comporte un boisseau tournant unique tournant dans un alésage unique et comportant plusieurs sections en correspondance avec chacune des soupapes du même type. 5. Distributeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les soupapes sont des soupapes d'admission et que pour un moteur à explosion, l'arrivée d'air au boisseau est dépourvue de papillon des gaz, la commande de la puissance du moteur étant obtenue directement par action sur le mécanisme de décalage. 6. Distribution selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinée à un moteur suralimenté par turbocompresseur, caractérisée par le fait que la commande de puissance du moteur actionne uniquement le mécanisme de décalage variable, à l'exclusion du dispositif habituel de by-pass de décharge à l'échappement en amont du turbocompresseur.