Brevet FR2539454A1 — publié le 19840720

Arbre à cames économiseur pour moteur à combustion interne à quatre tempso La présente invention concerne, d'une manière générale, des moteurs-à combustion interne à quatre temps du type comportant des soupapes soulevantes utilisées pour régler le débit de carburant et de gaz d'échappement au cours des cycles de fonc- tionnement d'un piston dans un cylindre et elle con- cerne plus particulièrement une méthode opératoire améliorée, de même qu'une came perfectionnée et un procédé de fabrication de cette came, tous ces objets étant en relation avec et assurant une meilleure efficacité de fonctionnement, ainsi qu'un meilleur rendement d'un moteur à combustion interne à quatre temps. Dans la technique antérieure, on décrit bon nombre de procédés et d'appareils différents pour le fonctionnement des moteurs à combustion in- terne à quatre temps On donnera ci-après une liste de brevets de la technique antérieure qui ont été découverts au cours des recherches entreprises avant le dépôt de la présente demande Brevets des Etats- Unis d'Amérique N O Inventeurs Date d'accord 1 755 817 Dibley 22 avril 1930 2.042 967 Russell 2 juin 1936 2.567 689 Bishop 11 septembre 1951 2. 567 690 Bishop et al I 1 septembre 1951 2.628 605 Jones et al 17 février 1953 2 804 863 Wolf-Dieter 3 septembre 1957 Bensinger et al. Parmi les brevets ci-dessus, on peut noter que le brevet N O 2 628 605 aux noms de Jones et al. concerne une came et un procédé de fabrication de cette came, tandis que le brevet N O 1 755 817 au nom de Dibley concerne une came et un procédé de fonc- tionnement d'un moteur à combustion interne à quatre temps en utilisant cette came Comme on peut le constater lorsqu'on prend en considération les él&é ments de l'invention qui seront décrits ci-après, ni le brevet de Jones et ai,, ni le brevet de Dibley ne décrivent un sujet apportant les résultats de l'invention et, en tout cas, vis-à-vis de ces dis- positifs et appareils connus de la-technique anté- rieure, dans le passé, on n'a pas obtenu une effica- cité opératoire et un meilleur rendement. Un arbre à came destiné à actionner les soupapes d'un moteur à combustion interne à quatre temps doit avoir un profil qui est proportionné à et qui assure le fonctionnement d'un moteur en amé- liorant l'efficacité et le rendement. Le procédé amélioré pour le fonctionnement d'un moteur à combustion interne à quatre temps consiste à prévoir un intervalle prédéterminé entre la fermeture des soupapes d'échappement et l'ouver- ture des soupapes d'admission entre les courses d'échappement et d'admission du fonctionnement à quatre temps, le fonctionnement ayant également lieu de telle sorte que la soupape d'admission soit main- tenue ouverte au cours d'une plus petite partie de la course de compression et que la soupape d'échappement soit ouverte au cours d'une plus petite partie de la course motrice Ce procédé de fonctionnement assure une meilleure efficacité et un meilleur rendement d'un moteur donné comparativement à différentes formes de cames classiques ou modifiées, ainsi qu'à différentes relations de synchronisation des soupapes. Comme on l'indiquera ci-après, la soupape d'admission est commandée pour fonctionner de telle sorte qu'elle s'ouvre après le point mort haut et qu'elle se ferme après le point mort bas, tandis que la soupape d'échappement fonctionne en s'ouvrant avant le point mort bas et en se fermant après le point mort haut et avant que 1-a soupape d'admission ne commence à s'ouvrir La soupape d'admission et la soupape d'échappement sont toutes deux commandées et destinées à fonctionner dans une position d'ou- verture pendant un laps de temps se situant entre et 228 degrés de rotation du vilebrequin du moteur. Le profil de la came est défini par une "formule" (ainsi qu'on l'exposera ci-après) de façon à améliorer non seulement l'efficacité et l'économie de fonctionnement, mais également le rendement du moteur à combustion interne en accroissant le volume et la vitesse d'écoulement de l'air au cours des parties opérationnelles des soupapes pendant un cycle de fonctionnement - Dans les dessins annexés la figure 1 illustre les quatre temps d'un moteur à combustion interne dans lequel on utilise la came perfectionnée; la figure 2 illustre la mise en service d'une came spécifique de la technique antérieure sur le même moteur à quatre temps; la figure 3 est une vue latérale agrandie d'un profil de came dans lequel on adopte les prin- cipes de l'invention; et la figure 4 est un ensemble composite de courbes illustrant différents paramètres de fonc- tionnement de l'invention comparativement à d'autres formes spécifiques d'appareils classiques de la technique antérieure. Dans la figure 3 des dessins annexés, on illustre un profil de came par une vue en élévation latérale d'un lobe d'une came 10 pour la soupape d'échappement ou la soupape d'admission d'un moteur à combustion interne Afin de définir le profil et, en particulier, en vue d'une utilisation dans des procédés de fabrication d'une came, il convient d'exprimer ce profil en termes mathématiques qui, - à leur tour, peuvent être utilisés pour exprimer le profil réel Comme on peut le constater en exami- nant les courbes du profil de déplacement de-la figure 4 des dess ins annexés, le profil Il de la came diffère considérablement des profils des cames spé- cifiques de la technique antérieure qui sont habi- tuellement de nature cycloidale ( 13), polynomiale ( 14) et harmonique ( 12) On peut également noter que, comme exprimé en figure 1, le temps d'arrêt momentané-ou le temps d'ouverture d'une soupape est basé sur les degrés de la course du vilebrequin, tandis que le temps d'arrêt momen- tané réel du profil de came est exprimé en degrés de course de l'arbre à cames, de sorte que, par exemple, un profil de came peut être exprimé par son temps d'arrêt momentané de 1160, donnant ainsi un temps d'arrêt momentané apparenté du vilebrequin de 2320 De plus, bien que les profils de cames puissent être de l'ordre de 1100, de 1160 et de 1240, les caractéristiques de fonctionnement obtenues sont les mêmes ou semblables à celles exprimées ici. Les équations utilisées pour exprimer le profil de déplacement-pour la came ont été dévelop- pées en utilisant une équation polynomiale de cin- quième ordre La forme générale de cette équation est la suivante: 2 3 4 5 y = a + bx + cx + dx + ex + fx o y est le déplacement et x est la variable indé- pendante On peut trouver les coefficients a à f en spécifiant les vecteurs de position, de vitesse et d'accélération aux extrémités d'une courbe Les coefficients polynomiaux sont calculés d'après les informations d'état final en utilisant une matrice de coefficients fusionnés L'expression de la ma- trice définissant ce processus est donnée ci-après: a 1 O O O O O Pl b O O 1 O O O P 2 d Pl c O O O 1/2 O l dx d = -10 10 -6 -4 -1 1/2 2 d Pl e 15 -15 8 7 1 1/2 -1 t d 2 P 2 f -6 6 -3 -3 -1/2 1/2 -2 Dans cette expression, Pl et P 2 définissent les vecteurs de position au début et à la fin d'une d P dfntlsvcer courbe de segment de came, d définit les vecteurs de vitesse, tandis que d 2 P définit les vecteurs d'accélération dx 2 Le procédé décrit ci-dessus a été adopté pour définir une mise en oeuvre du profil de came économiseur du type représenté en figure 3 et ayant un temps d'arrêt momentané de 116 d'arbre à cames ( 2320 de vilebrequin) Le profil de déplacement total sur 3600 a été divisé en cinq sections La plus grande section (A), de 580 302 , est une pé- riode de temps d'arrêt momentané à une levée zéro. Les quatre autres sections peuvent être utilisées pour définir le lobe de la came Les informations relatives à la position, à la vitesse et à ltaccé- lération ont été calculées pour les extrémités de ces quatre courbes et la matrice a été utilisée pour déterminer les coefficients polynomiaux Les valeurs des états finals utilisés pour les quatre autres sections du profil de la came sont-les sui- vantes: Angle Déplacement Vitesse Accélération d P dx dp 2 dx 2 -58 0,0 0,0 0,0 -29 0,13076 0,17805 -0,13355 0 o 0,22 0,0 -0,18913 29 0,13076 -0,17805 -0,13355 580 o 0,0 o oo 0,0 Les quatre équations obtenues sont repri- ses ci-après. Entre -580 et -290: (section B) y = 0,52863 x 3 0,5815 x 4 = 0,18364 x 5 Entre -29 et O O: (section C) y = 0,13076 + 0,17805 x 0,06678 x 0,13314 x 3 + 0,0746 x 4 0,02650 x 5 Entre O et 29 : (section D) y = 0,22 0,09456 x 2 + 0,3661 x 3 - 0,05774 x 4 + 0,02644 x 5 Entre 29 et 580: (section E) y = 0,13076 0,17805 x 0,6675 x - 0,03888 x 3 + 0,33653 x 4 0,18358 x 5 o x = 19 et O Ces équations définissent alors le profil de déplacement de la came économiseuse et elles sont utilisées pour déterminer la valeur de y pour diffé- rentes positions angulaires, 0, autour de la came. On donnera ci-après un tableau des dimen- sions qui ont été calculées pour différentes posi- tions angulaires du profil d'une came en utilisant la formule indiquée ci-dessus. Position angulaire thgta (e) -58,00000 -56,47810 -56,26318 -54,25446 -53,96995 -53,67862 -53,38066 -53,07625 -52,76556 -52,44879 -52,12610 -51,79769 -51,46372 -51,12439 -50,77987 -44,70758 -44,30203 -43,89445 -43,48500 -43,07385 -30,68164 -30,28760 -29,89590 -29,5066 o -29,11979 -18,92875 -18,64152 -18,35784 -18,07771 Ray 6 N 2 (y 0,64254 0,64256 0,64295 0,-64303 0,64313 0,64324 0,64337 0,64351 0,64366 0,64383 0,64401 0,-64421 o,64443 0,64466 0,65141 0,65204 0,65270 0,65339 0,65410 0,68803 0,68954 0,69105 0,69259 0,69415 0,74544 0.,74718 0,74892 0,75066 an&Ula ire,, -10,94507 -10,77677 -lo,61153 -10,49937 -10,29025 -10,13416 th Elta (e) -6,96262 -6,87979 -6,79912 -6,72060 -6,64413 -; 6,56973 -6,49735 -6,742692 -6,35843 -6,129183 -6,22710 -6,16418 -6,10303 -6,04362 -3,98781 -3,82900 -3,70201 -3,59798 -3,52772 -3,45393 -3,38258 -3,30941 -3,23072 3,14332 -3,04457 -1,98663 Rayon (y) 0,80017 0,80145 0,80271 0,80395 0,80517 o,8 o 638 0,83130 0,83196 0,83259 0,83321 0,83381 0,83439 0,83496 0,83551 0,83605 0,83657 0,83707 0,83756 0,83803 0,83849 -0,85308 0,85475 0,85475 0,85532 0, 85568 0,85604 0,85637 o,85669 o,85701 0,85735 0,85770 0,86046 Position thêta ( 0) M Lan (X) 0,86066 0,86086 0,86100 o,86 i 18 0,86193 o,86234 o,86249 o,86249 o,8625 o o,86250 o,8625 o 0,86259 o,86249 o,86234 0,86193 o,86041 o,85785 0,85748 0,85710 0,85669 0,85295 0,85227 0,85165 0,85095 0,85037 0,84973 0,84620 0,82287 0,81422 0,80636 0,73839 0,68952- 0,65988 0,64519 Position A 20 A La-i-r-e-1- -1,88 i 68 -1,77397 -1,69156 -1,57982 -1,00373 -o Soo 64 *-0,13832 -oo 9640 -0,076 i 2 0,00000 0,076 i 6 oo 9643 0,13833 0,50038 1,00295 2,01050 3,00170 3,10533 3,20752 3,30733 4,00730 4,11565 4,21298 4,32078 4,40909 4,50427 ,01338 8,02711 9,12524 ,13574 ,11557 ,28996 ,i 6338 ,076-73 is - ' Position angulaire thta Rayon (y) 53,07669 0,64337 54,25479 0,64295 ,06 ss 1 0,64274 56,03995 0,64259 57,24937 0,64251 57,41913 0,64250 En figure 3, le profil de came indiqué dans l'exemple illustratif cidessus comporte cinq sections désignées par A, B, C, D et É respective- ment La came est symétrique autour de l'axe ver- tical 0 et l'on peut constater que les sections C et D, ainsi que B et E sont des images spéculaires autour de l'axe 00 Une comparaison de la courbe de déplacement 10 pour la nouvelle came avec les courbes de profils de déplacement 12, 13 et 14 pour les cames harmoniques, cycloï:dales et polynomiales de la technique antérieure montre clairement les différences. On pense que la forme de la courbe de la came à proximité des emplacements y 290 contribue sensiblement à améliorer les caractéristiques de vitesse et d'écoulement d'air d'un moteur dans le- quel la came perfectionnée a été installée et mise en service On a observé un sensible accroissement de l'efficacité opératoire globale Vis- à-vis delléconomie de carburant et du couple accru. On pense que l'économie de carburant et le couple accru résultent de la plus haute vitesse d'écoulement de l'air pour une plus longue durée du cycle d'ouverture de la soupape commandée par la came A son tour, cette caractéristique améliore la décomposition moléculaire du carburant à partir du carburateur lorsque le carburant est entraîné dans l'air s'écoulant à travers le venturi du carbu- rateur Le mélange amélioré air/carburant assure une réduction du carburant nécessaire pour une bonne combustion et il contribue à assurer ltac- croissement observé dans les caractéristiques de couple du moteur Le couple accru résultant du meilleur mélange d'air/carburant et ltouverture retardée de la soupape d'échappement assurant une plus grande course motrice sur le vilebrequin (si bien qu'il faut moins d'énergie et moins de chaleur) ont pour effet de réduire les oxydes nitreux se for- mant' à n'importe quelle vitesse donnée On a égale- ment observé que les produits de la combustion avaient une plus faible teneur en hydrocarbures et en oxyde de carbone. Le fonctionnement de la came perfectionnée peut encore être amélioré en établissant une relation de synchronisation de soupapes entre les cames d'admission et d'échappement pour un cylindre donné dans un moteur en vue d'assurer un temps d'arrêt momentané entre la fermeture des soupapes d'échappe- ment et d'ouverture des soupapes d'admission lors du cycle de fonctionnement du moteur Dans une appli- cation d'un arbre à cames utilisant les profils de cames indiqués cidessus, un temps d'arrêt momentané de 50 (comme représenté en figure 1) entre 50 'et 100 après le point mort haut est approprié pour améliorer davantage le fonctionnement du moteur. La figure 1 des dessins illustre la came à 1160 de la forme de réalisation illustrée et dé- crite ci-dessus Une synchronisation spécifique des soupapes de la technique antérieure pour une came à 140 est illustrée dans la figure 2 des dessins. Dans chaque illustration des figures 1 et 2, les temps d'ouverture des soupapes pour l'admission et l'échappement du fonctionnement à quatre temps tiennent compte d'un temps de montée de 5 degrés au début et à la fin de chaque lobe actif de la came pour justifier ainsi l'espace libre existant dans le mécanisme du train de soupapes et, par consée quent, les formes de réalisation illustrées de ces figures, converties de degrés d'arbre à cames en degrés de vilebrequin représentent le temps d'ouver- ture des soupapes au cours de la rotation du vilebre- quin d'un moteur à quatre temps On peut également noter que le temps d'ouverture pour chacune des soupapes d'échappement et d'admission s'étend de part et d'autre du temps d'arrêt momentané de 5 entre le fonctionnement des mécanismes des soupapes d'échappement et d'admission. Comme on peut le constater en figure 4, la courbe de déplacement, de m 8 me que les courbes de vitesse et d'accélération présentent des caracté- ristiques différentes et distinctes comparativement aux cames harmoniques, cycloïdales et polynomiales spécifiques de la technique antérieure. Le profil présente une sensible améliora- tion vis-à-vis de la technique antérieure Dans une forme de réalisation spécifique, on a observé que les caractéristiques de fonctionnement d'un moteur à combustion interne englobaient un accroissement de l'efficacité de l'économie de carburant, un ac- croissement du couple et une réduction des échappe- ments non désirés suite à une température réduite des cylindres comparativement à des cames spécifi- ques de la technique antérieure ayant des configu- rations classiques. On pense que l'accroissement de l'économie de carburant résulte du fonctionnement'de la soupape d'admission en assurant une plus haute vitesse d'écoulement de l'air à travers le venturi du carbu- rateur pendant une plus longue période comparati- vement aux appareils de la technique antérieure, si bien que la décomposition moléculaire du carbu- rant liquide>lorsqu'il est entraîné dans la colonne d'air en mouvement, est améliorée O Ce meilleur mélange diair/carburant assure une réduction de la quantité de carburant nécessaire pour n'importe quelle partie donnée du cycle de fonctionnement du moteur. REVENDICATIONS 1 Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à quatre temps, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à ouvrir une soupape d 2 admission après le point mort haut et fermer cette soupape d'admission après le point mort bas, ouvrir une soupape d'échap- pement avant le point mort bas et fermer cette sou- pape d'échappement après le point mort haut, l'ou- verture de cette soupape d'admission ayant lieu après la fermeture de cette soupape d'échappement. 2 Came d'un moteur à combustion interne à quatre temps ayant un profil comprenant: une partie à rayon constant et une partie à haute levée, la partie à haute levée étant symé- trique autour d'une ligne centrale s'étendant àtrav Ws le centre de rotation d'un arbre à cames et compre- nant plusieurs segments ayant un rayon déterminé en calculant le déplacement, y, le long d'incréments angulaires successifs suivant l'équation a + bx + cx 2 + dx 3 + ex 4 + fx 5 ainsi qu'en déter- minant les coefficients permettant de calculer les valeurs de y pour chaque segment en utilisant la matrice suivante: a b c d = I-10 e f 1 0 0 0 0 0 O 1 O -' O 0 O O O 1/2 -6 -4 -15 o o o -1 1/2 1/2 8 7 1 1/2 -1 -6 6 -3 -3 -1/2 1/2 tout en utilisant les valeurs ou les états finals pour chaque segment du profil. Par procuration de Darren Gale SWANSON. Le mandataire est R Baudin p 1 Pl Pl d Px d P 2 dx d 2 p 1 dx 2 |d 2 P 2 I -2