Brevet FR2673676A1 — publié le 19920911

PROCEDE DE LUBRIFICATION A CARTER SEC POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de lubrification à carter sec pour moteur à combustion interne, équipant notamment les véhicules automobiles, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Sur les véhicules à caractère sportif pouvant être soumis à des accélérations ou des décélérations importantes le niveau d'huile dans le carter inférieur ne peut être suffisamment stabilisé et l'on risque de se trouver dans des conditions où la crépine d'aspiration ne baigne plus dans l'huile, d'où un désamorçage de la pompe à huile et une destruction du moteur par défaut de lubrification. La technique de la lubrification dite à carter sec, par opposition à la technique dite à bain d'huile, a été développée pour pallier ces inconvénients. La lubrification à carter sec d'un moteur à combustion interne est classiquement réalisée par une circulation sous pression d'un liquide de lubrification, tel que de l'huile, alimentant les surfaces en mouvement relatif du moteur. L'alimentation en lubrifiant du moteur est réalisée par une pompe de pression qui est traditionnellement une pompe à engrenages entraînée par l'arbre moteur. L'huile est alors refoulée vers successivement : le filtre à huile, l'échangeur de chaleur si nécessaire, la rampe principale qui alimente notamment les paliers du vilebrequin et la rampe de distribution qui permet de lubrifier l'arbre à cames. L'huile retombe ensuite par gravité dans le carter inférieur où elle est aussitôt aspirée par une pompe d'épuisement vers un réservoir d'huile séparé. De là l'huile est aspirée puis refoulée par la pompe de pression. Ainsi dans les circuits de lubrification à carter sec développés jusqu'à présent la pompe de pression assure seule le refoulement de l'huile sous pression vers le moteur. Les caractéristiques fonctionnelles de la pompe de pression, traditionnellement une pompe à engrenage entraînée par l'arbre moteur, et notamment la valeur de la cylindrée, sont donc définies de façon à satisfaire les besoins en lubrification du moteur, notamment à bas régime de rotation alors que la pompe de pression tourne lentement. Il en résulte que la pompe de pression est surdimensionnée notamment quand la vitesse de rotation de la pompe, donc du moteur, devient importante.Il est donc nécessaire de prévoir dans le circuit d'amenée de l'huile au moteur un dispositif limiteur de pression, tel qu'un clapet de décharge, pour éviter que la pression de l'huile devienne préjudiciable au bon fonctionnement du moteur. L'utilisation d'une pompe de pression surdimensionnée dans une large plage de fonctionnement du moteur a pour inconvénient d'entrainer une importante et inutile dépense d'énergie et accessoirement un bruit excessif. Par ailleurs les circuits de lubrification à carter sec actuels ne prennent donc en compte que deux paramètres nécessaires au fonctionnement du moteur : la pression minimale du liquide de lubrification, qui détermine le dimensionnement de la pompe de pression, et la pression maximale du liquide de lubrification, qui détermine le seuil de coupure du clapet de décharge. Pendant le fonctionnement du moteur la pression du liquide de lubrification évolue donc entre ces deux valeurs au gré du régime de rotation, de la température du liquide de lubrification et donc de sa viscosité ainsi que des pertes de charge du circuit hydraulique. La régulation de la pression du liquide de lubrification ainsi mise en place a pour mérite la simplicité mais présente l'inconvénient de ne pas prendre en compte l'ensemble des paramètres de lubrification du moteur et de ce fait de pas optimiser les frottements hydrodynamiques du moteur et donc de consommer inutilement une grande quantité d'énergie délivré par l'arbre moteur ou vilebrequin. La présente invention à donc pour objet un procédé de lubrification à carter sec pour moteur à combustion interne, qui permet l'optimisation des frottements hydrodynamiques et donc des rendements du moteur ainsi qu'une forte réduction du dimensionnement de la pompe de pression, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, dispositif qui est à la fois simple et économique. Le procédé de lubrification à carter sec suivant l'invention, pour moteur à combustion interne équipant notamment les véhicules automobiles, utilise d'une part, une pompe de pression pour alimenter en liquide de lubrification sous pression, tel que de l'huile, les rampes de distribution du moteur et notamment la rampe principale à partir d'un réservoir de liquide de lubrification et d'autre part, une pompe d'épuisement destinée à aspirer le liquide de lubrification tombé dans le carter inférieur ou carter d'huile et à le refouler dans ledit réservoir Selon l'invention le procédé de lubrification à carter sec est caractérisé en ce que la pression du liquide de lubrification est ajustée de façon à engendrer les frottements hydrodynamiques minimums du moteur et en ce que la dite pression du liquide de lubrification est générée dans certaines plages de fonctionnement du moteur par l'action conjointe des pompes de pression et de refoulement , le moteur étant alors alimenté en liquide de lubrification par les débits conjugués des deux pompes. La demanderesse a en effet montrée l'existence d'une pression optimale du liquide de lubrification, notamment au niveau de la rampe principale par où débouche le liquide de lubrification dans le bloc moteur, qui minimise les frottements hydrodynamiques du moteur et en particulier du vilebrequin. Cette pression optimale évolue suivant les conditions de fonctionnement du moteur et en particulier avec le régime de rotation. Il en résulte, pour un moteur donné, la détermination d'une cartographie des pressions optimales du liquide de lubrification avec le régime. La cartographie d'un moteur ayant été obtenue, par exemple après mesure au banc d'essai, il convient alors de piloter la pression de lubrification du moteur à partir de cette cartographie prédéterminée pour assurer des frottements hydrodynamiques optimaux lors du fonctionnement du moteur, ce qui a pour effet de diminuer la consommation d'énergie du moteur donc d'augmenter son rendement et de diminuer l'usure des pièces en frottement médiat donc d'augmenter sa durée de vie. Par ailleurs, en utilisant ainsi, de manière combinée, les deux pompes pour alimenter le moteur lors des phases critiques de fonctionnement il n'est plus nécessaire de surdimensionner la pompe de pression. Selon une autre caractéristique du procédé suivant l'invention, il consiste à réguler en permanence la pression du liquide de lubrification de sorte que la valeur de la pression dudit liquide à la rampe principale soit sensiblement égale à une valeur prédéterminée de consigne, cette valeur de consigne étant dépendante d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du moteur. L'invention concerne également un dispositif de lubrification pour la mise en oeuvre du procédé de lubrification. Selon l'invention, ie dispositif de lubrification est caractérisé en ce qu'il comprend une première pompe ou pompe de pression alimentant les rampes de distribution du moteur et notamment la rampe principale par un circuit d'amenée de liquide de lubrification à partir d'un réservoir, une seconde pompe ou pompe d'épuisement pour refouler le liquide de lubrification recueilli dans le carter inférieur du moteur par un circuit de retour vers un réservoir, le circuit d'amenée étant muni de moyens régulateurs de pression du liquide de lubrification , lesdits moyens étant pilotés par la pression du liquide de lubrification à la rampe principale et la pression de consigne engendrée par des moyens générateurs de pression, le circuit de retour comportant des moyens distributeurs commandant un circuit de dérivation rejoignant le circuit d'amenée. Selon une autre caractéristique du dispositif de lubrification selon l'invention, les moyens distributeurs et les moyens régulateurs coopèrent au sein d'un même ensemble. Selon une autre caractéristique du dispositif de lubrification selon l'invention, le dit ensemble est constitué par une valve à tiroirs, cette valve comprenant un corps monobloc présentant un logement longitudinal dans lequel sont montés coulissant deux tiroirs formant pistons évoluant respectivement entre deux positions limites sous l'action de moyens élastiques de rappel et l'action de fluides sous pression. Selon une autre caractéristique du dispositif de lubrification selon l'invention, les moyens générateurs de pression engendrant la pression de consigne sont réalisés par un arbre rainuré, tournant à l'intérieur d'un logement correspondant, et entraîné à partir du vilebrequin moteur. Selon une autre caractéristique du dispositif de lubrification selon l'invention, les moyens générateurs de pression engendrant la pression de consigne sont réalisés par une électrovanne pilotée par un calculateur. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure l est un graphique montrant l'évolution des pressions avec le régime moteur dans un circuit de lubrification traditionnel et l'évolution optimale minimisant les frottements - la figure 2 est une vue schématique d'ensemble décrivant le dispositif de lubrification selon l'invention - la figure 3 est une vue d'ensemble d'un générateur de pression - la figure 4 est une vue en coupe des moyens assurant la régulation de la pression du liquide de lubrification - les figures 5 et 7 sont des vues similaires à celle de la figure 4 montrant différents états de fonctionnement. En se reportant au graphique, figure 1, on a représenté par Cl la courbe d'évolution de la pression Pram à la rampe principale pour un moteur appartenant à un type donné, équipé d'un circuit de lubrification classique du type par exemple à bain d'huile, en fonction du régime moteur N. Les courbes C2,..., Cn montrent, similairement, les évolutions de cette même pression pour d'autres moteurs du même type, les différences entre les courbes étant dues aux écarts de construction entre les moteurs ( pertes de charge distinctes des circuits de lubrification, jeux ou tolérances au niveau des filtres à huile, des pompes, etc... ). La courbe C représente elle l'évolution de la pression Pram, pour tout moteur de ce type, à la rampe principale en fonction du régime moteur N nécessaire pour obtenir un frottement hydrodynamique optimal du vilebrequin sur ses paliers. Le coefficient de frottement hydrodynamique du vilebrequin sur ses paliers dépend, en effet, notamment du régime de rotation moteur, des charges aux paliers et de la pression du liquide de lubrification. Pour un régime donné de rotation il est donc possible de minimiser le coefficient de frottement hydrodynamique en choisissant une valeur adéquate de la pression du liquide de lubrification. L'invention présentée par la demanderesse a donc pour objet de faire coïncider les courbes d'évolution de la pression Pram de chacun des moteurs avec la courbe C. On supposera pour la suite de la description, la connaissance de la courbe C réalisée, par exemple après détermination au banc d'essai. La figure 2 présente schématiquement un dispositif de lubrification à carter sec d'un moteur suivant l'invention. Seules les parties constitutives intéressant l'invention ont été figurées. Le circuit de lubrification à carter sec comprend une première pompe à huile 1 dite pompe de pression qui aspire l'huile dans un réservoir 2. L'huile aspirée par la pompe 1 est refoulée dans un circuit d'amenée 14 au bloc moteur comportant un filtre à huile 3. Le circuit d'amenée 14 débouche à la rampe principale 4, disposée dans le bloc cylindres. La rampe principale 4 permet la lubrification des paliers du vilebrequin 12 ainsi que des fonds de pistons non figurés. Une certaine quantité d'huile quitte la rampe principale 4 pour être envoyée à travers la montée d'huile 42 irriguer la culasse 22. Toute l'huile ainsi dispersée dans le moteur est ensuite recueillie dans un bas carter 5 disposé à l'extrémité inférieure du bloc cylindres, l'huile de la culasse 22 revenant par le retour d'huile 25. Le carter 5 est muni d'un orifice et d'une conduite d'évacuation alimentant une second pompe à huile 6 dite pompe d'épuisement. Cette pompe 6 aspire toute l'huile présente dans le carter 5 pour la renvoyer dans le réservoir de stockage 2. Le réservoir 2 constitue également un cyclone de désaération, l'huile aspirée par la pompe 6 pouvant être mélangée, notamment à hauts régimes, à une forte quantité d'air. Le circuit de retour 62, de la pompe 6 au réservoir 2 est munie d'un distributeur 8 à deux voies d'échappement. Le distributeur 8 est piloté par la pression de l'huile à la rampe principale 4 amenée par le piquage 40 comporte donc deux circuits d'échappement de l'huile en provenance de la pompe d'épuisement 6 : le circuit de retour 62 vers le réservoir 2 et un circuit de dérivation 30 rejoignant le circuit d'amenée 14 en aval du filtre à huile. Un clapet anti-retour 88 empêche le passage de l'huile du circuit d'amenée 14 au distributeur 8. Le circuit de dérivation 30 comporte un distributeur 7 disposé entre le circuit d'amenée et le clapet anti-retour 88. Le distributeur 7 à une voie d'échappement, est piloté à la fois par la pression régnant dans la rampe principale 4 via le piquage 40 et par la pression de référence ou de consigne engendrée par des moyens générateurs de pression 9 via la conduite 97. Le circuit d'échappement 72 du distributeur 7 débouche dans le circuit de retour 62 au réservoir 2 en aval du distributeur 8. Conformément à la figure 3, les moyens générateurs de pression de consigne 9 sont réalisés par un arbre rainuré 91 entraîné par l'arbre moteur et tournant à l'intérieur d'un logement correspondant défini dans un bâti. Le logement est alimenté en huile par la conduite d'aspiration 29 à partir du réservoir 2. Cette huile est ensuite refoulée à la pression désirée dans la conduite 97. Les dimensions de l'arbre et des rainures sont soigneusement étudiées de façon que la pression de refoulement de l'huile suive avec le régime la caractéristique C préalablement définie (confère la description précédente de la figure 1). La figure 4 montre un mode de réalisation particulier des distributeurs 7,8 et du clapet anti-retour 88, constituant les moyens de régulation du dispositif de lubrification, dans un corps mono-bloc 78. Ce corps 78 comprend un logement longitudinal 77 dans lequel sont montés coulissant deux tiroirs cylindriques indépendants formant pistons 73,83. Le tiroir 73 a pour objet la mise en communication des conduites 30 et 72, tandis que le tiroir 83 a pour objet l'ouverture et la fermeture du circuit de retour 62. Le piston 73 est soumis sur une face active à la poussée de l'huile mise à la pression de consigne Pref par les moyens générateurs de pression 9 et acheminée par la conduite 97 et à la pression d'un ressort 71 et sur l'autre face active à la poussée de l'huile à la pression Pram à la rampe principale 4, acheminée par la conduite de piquage 40. L'huile à la pression Pram exerce sa poussée également sur l'une des faces du piston 83 tandis que sur l'autre face exerce la pression d'un ressort 81. Parallèlement au logement longitudinal 77 est disposé une conduite formant partie du circuit de dérivation 30 reliant le circuit de retour 62 au circuit d'amenée 14. Cette conduite est munie de moyens formant clapet anti-retour 88 constitués par une bille appliquée sur son siège par un ressort de pression : l'huile ne peut ainsi circuler que dans le sens circuit 62 vers circuit 14. Conformément à ce qui vient d'être décrit ainsi que conformément aux figures 2 à 7, le fonctionnement du dispositif de lubrification à carter sec suivant l'invention va être maintenant expliqué. L'huile de lubrification du réservoir 2 est envoyée au moteur par la pompe de pression 1 et est récupérée par la pompe d'épuisement 6. La pompe de pression est dimensionnée de manière à satisfaire les besoins en lubrification du moteur à hauts et moyens régimes. Considérons donc un fonctionnement du moteur à hauts et moyens régimes, figures 4 et 6. A hauts et moyens régimes la pression Pram s'exerçant à la rampe principale 4 est supérieure à la pression du ressort 81. Le tiroir 83 est alors dans une première position limite, le ressort 81 étant comprimé, il maintient ainsi ouvert le circuit de retour 62 et la pompe d'épuisement refoule la totalité du mélange air-huile, aspirée dans le carter 5, dans le réservoir de décantation 2. Concernant la pression à la rampe principale Pram, soit celle ci est égale à la pression de référence Pref et alors le piston 73 sous la poussée du ressort 71 ferme la conduite 72 et toute l'huile débitée par la pompe de pression 1 alimente la rampe principale 4, confère figure 4. Soit la pression à la rampe est supérieure à la pression de référence Pref et alors le piston 73 repousse le ressort 71 et libère le passage de l'huile vers la conduite 72 de sorte qu'une partie de l'huile refoulée par la pompe de pression 1 est déchargée directement dans le réservoir 2 via le circuit de dérivation 30, la conduite 72 et le circuit de retour 62, confère figure 6, ce qui fait diminuer la pression à la rampe principale 4 d'où un processus de régulation qui amène la pression Pram sensiblement au niveau de la pression Pref. Considérons maintenant un fonctionnement du moteur à bas régime. La pression à la rampe principale 4 s'exerçant sur le piston 83 ne peut plus s'opposer à la pression du ressort 81 de sorte que le piston 83 soumis à l'action prépondérante du ressort 81 occupe sa seconde position limite, obturant la conduite 82, figures 5 et 7. L'huile refoulée par la pompe d'épuisement 6 ne pouvant plus s'écouler vers le réservoir 2, la pression dans la conduite s'élève. La pompe d'épuisement 6 étant de puissance supérieure à la pompe de pression 1, le clapet 88 s'ouvre et laisse passer l'huile du circuit 62 vers le circuit 30. La pompe d'aspiration ajoute donc son débit à celui de la pompe de pression 1 dans le circuit d'amenée 14. Deux possibilités sont alors offertes: soient les débits conjugués des deux pompes engendrent une pression Pram à la rampe principale 4 égale à la pression de référence Pref et le piston 73 occupe sa position limite inférieure sous l'action du ressort 71 et ferme la conduite 72 de décharge vers le réservoir, confère figure 5, et toute l'huile refoulée par les deux pompes atteint alors la rampe principale. Soient les débits conjugués des deux pompes engendrent une pression Pram excessive à la rampe principale 4 par rapport à la pression de référence Pref, le déséquilibre des pression déplace le piston 73 et libère l'accès à la conduite 72, ce qui permet d'évacuer une partie du débit des deux pompes directement dans le réservoir 2 via le circuit de retour 62, confère figure 7.Le deplacement du piston 73 enclenche ainsi un processus de régulation qui ramène la pression à la rampe principale au niveau de la valeur de consigne. Ainsi donc le circuit de lubrification et sa régulation permet de réduire le dimensionnement de la pompe de pression 1 au stricte nécessaire à savoir assure la lubrification du moteur à hauts et moyens régimes car dans les cas de forts besoins en lubrification la pompe d'épuisement 6 pallie le manque de débit en se joignant & la pompe de pression 1 pour refouler l'huile dans le moteur. Ce dimensionnement stricte permet une diminution de la consommation d'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif de lubrification ainsi qu'une réduction du bruit. D'autre part l'adéquation entre la pression Pram à la rampe principale et la pression de référence permet d'optimiser les frottements hydrostatiques du moteur et en particulier ceux du vilebrequin et d'éviter les sous ou sur pression d'huile particulièrement néfastes pour le moteur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi il est possible d'engendrer une pression de consigne pour piloter les moyens régulateurs de pression 7 à partir non plus de moyens purement mécaniques comme l'arbre rainuré mais à partir d'une électrovanne commandée par un calculateur dans lequel on a entré la cartographie désirée. REVENDICATIONS (1) Procédé de lubrification à carter sec pour moteur à combustion interne, équipant notamment les véhicules automobiles, utilisant d'une part, une pompe de pression (1) pour alimenter en liquide de lubrification sous pression, tel que de l'huile, les rampes de distribution du moteur et notamment la rampe principale (4) à partir d'un réservoir (2) de liquide de lubrification et d'autre part, une pompe d'épuisement (6) destinée à aspirer -le liquide de lubrification tombé dans le carter inférieur ou carter d'huile (5) et à le refouler dans ledit réservoir (2), caractérisé en ce que la pression du liquide de lubrification est ajustée de façon à engendrer les frottements hydrodynamiques minimums du moteur et en ce que la dite pression du liquide de lubrification est générée dans certaines plages de fonctionnement du moteur par l'action conjointe des pompes de pression (1) et de refoulement (6), le moteur étant alors alimenté en liquide de lubrification par les débits conjugués des deux pompes. [2] Procédé de lubrification selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réguler en permanence la pression du liquide de lubrification de sorte que la valeur de la pression (Pram) dudit liquide à la rampe principale (4) soit sensiblement égale à une valeur prédéterminée de consigne (Pref), cette valeur de consigne étant dépendante d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du moteur. (3] Dispositif de lubrification pour la mise en oeuvre du procédé de lubrification à carter sec selon 1' une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend : une première pompe ou pompe de pression (1) alimentant les rampes de distribution du moteur et notamment la rampe principale (4) par un circuit d'amenée (14) de liquide de lubrification à partir d'un réservoir (2), une seconde pompe ou pompe d'épuisement (6) pour refouler le liquide de lubrification recueilli dans le carter inférieur (5) du moteur par un circuit de retour (62) vers un réservoir (2), le circuit d'amenée (14) étant muni de moyens régulateurs de pression (7) du liquide de lubrification , lesdits moyens (7) étant pilotés par la pression (Pram) du liquide de lubrification à la rampe principale (4) et la pression de consigne (Pref) engendrée par des moyens générateurs de pression (9), le circuit de retour (62) comportant des moyens distributeurs (8) commandant un circuit de dérivation (30) rejoignant le circuit d'amenée (14). [4] Dispositif de lubrification selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens distributeurs (8) et lesdits moyens régulateurs (7) coopèrent au sein d'un même ensemble (78). (5] Dispositif de lubrification selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit ensemble est constitué par une valve à tiroirs, cette valve comprenant un corps monobloc (78) présentant un logement longitudinal (77) dans lequel sont montés coulissant deux tiroirs formant pistons (73,83) évoluant respectivement entre deux positions limites sous l'action de moyens élastiques de rappel (71,81) et l'action de fluides sous pression. [6] Dispositif de lubrification selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens générateurs de pression (9) engendrant la pression de consigne sont réalisés par un arbre rainuré (91), tournant à l'intérieur d'un logement correspondant, et entraîné à partir du vilebrequin moteur (12). [7] Dispositif de lubrification selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens générateurs de pression (9) engendrant la pression de consigne sont réalisés par une électrovanne pilotée par un calculateur.