Brevet FR2692984A1 — publié le 19931231

SONDE DESTINEE AU CONTROLE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention a pour objet une sonde destinée au contrôle d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement adaptée à la réalisation de diagnostic des systèmes de distribution. Le système de commande de la distribution d'un moteur à combustion interne garantit la coordination des mouvements de l'arbre à came avec celui du vilebrequin, de sorte que les soupapes se lèvent et se ferment au moment o chaque piston passe par un point précis de son cycle. La commande de distribution est constituée d'un empilage de pièces mécaniques en mouvement dans des carters Les coefficients de dilatation thermique et les gradients de température diffèrent d'un élément et d'un point à l'autre Le jeu aux soupapes est l'espace laissé entre l'extrémité de la queue de soupape et sa commande, qui garantit l'appui de la tête de soupape sur son siège, quelles que soient les variations de température et le régime du moteur auxquels sont soumis les éléments. Il existe différents modes de distribution, tels que les distributions avec arbre à came latéral, avec arbre à came en tête avec attaque indirecte de la soupape, avec arbre à came en tête avec attaque directe de la soupape, avec éventuellement mise en oeuvre d'un poussoir hydraulique Il existe également des systèmes de distribution desmodromiques dans lesquels un culbuteur de fermeture remplace le ressort de rappel de la soupape. La figure 1 représente une distribution avec arbre à came en tête à attaque directe (par exemple PEUGEOT 205 GTI, WOLKSWAGEN GOLF GTI, etc) Dans ce type de distribution, une came 4 attaque directement une pastille calibrée 7 d'un poussoir 3 d'une soupape 1 rappelée par un ressort 8 La tête de soupape 2 est rappelée par le ressort 8 sur une butée conique 6 Le poussoir 3 coulisse dans une ouverture usinée dans la culasse 5 du moteur Comme le montre le diagramme de la figure 2, la soupape d'admission SA présente lors du cycle d'admission AD entre le point mort haut PMH et le point mort bas PMB, une avance d'ouverture à l'admission "AOA" et un retard de fermeture à l'admission "RFA" Après les cycles de compression CO, et de détente DE, la soupape d'échappement SE présente, lors du cycle d'échappement EC une avance à l'ouverture à l'échappement AOE et un retard à la fermeture à l'échappement RFE. Le tracé d'une came 4 permettant d'ouvrir et de fermer une soupape 1 se décompose en trois zones, à savoir (à la figure 3 a): 1) la zone de levée ZL correspondant au diagramme de distribution, qui donne angulairement le début et la fin d'ouverture de la soupape et sa levée maximale, 2) la zone de raccordement ZC, appelée rampe de silence, dans laquelle le contact entre le poussoir 3 et la came 4 doit s'effectuer, et 3) la zone de retour ZR pendant laquelle la tête de soupape 2 est en appui sur son siège 6 La zone de raccordement ZC ou rampe de silence permet le rattrapage du jeu de dilatation de la distribution Sur cette zone, la levée de la soupape est à vitesse constante. La perméabilité d'un moteur est un paramètre représentatif de sa capacité de remplissage Elle correspond à la section effective de passage des gaz dans le cylindre sur un cycle. La section S de passage des gaz à la soupape pour une valeur de levée 1 de soupape s'exprime S = 2 il Rl sin(c C /2) R étant le rayon intérieur du siège de soupape 6 0 C l'angle de la portée conique 8 de la soupape 1 sur le siège (voir figure 3 b). La perméabilité, qui est la surface représentative de la quantité de gaz que laissera passer la soupape au cours d'un cycle d'ouverture et de fermeture s'exprime alors: FIS Z = 2 TR sin " l (t) de Avec OS = Ouverture Soupape FS = Fermeture Soupape La perméabilité varie avec le jeu de la soupape dont sont fonction les bornes de l'intégrale OS et FS et la loi de levée de la soupape 1 (e). La figure 5 est une représentation graphique de la perméabilité des soupapes en fonction du jeu. Ici, on a représenté les courbes de perméabilité g pour les deux jeux Jl et J 2 La bisectrice positionnée dans le cadran XOY' permet de reporter l'échelle des angles de vilebrequin sur l'axe OY' et le tracé géométrique de la perméabilité s'obtient en croisant les verticales issues des points de SE représentant la section de passage avec les horizontales correspondantes La surface limitée par la courbe obtenue représente la perméabilité La surface hachurée représente l'écart de perméabilité 4 il Z J 2 généré par la variation du jeu de soupape J 1 J 2. Le diagramme de distribution varie avec le jeu des soupapes L'augmentation du jeu conduit à retarder l'ouverture des soupapes et à avancer leur fermeture L'angle d'ouverture en est donc diminué ainsi que la période de croisement admission- échappement Ces variations jouent notamment sur la régularité de fonctionnement au ralenti sur les émissions polluantes La valeur excessive du jeu provoque un affaiblissement de la perméabilité du moteur, l'usure de surface de contact et rend la distribution bruyante A l'opposé, un serrage (jeu négatif ou nul) entraîne un échauffement dangeureux de la tête de soupape 2 et une perte de puissance du moteur. Les figures 4 a et 4 b représentent pour le même moteur l'influence importante d'une faible variation du jeu sur le diagramme angulaire de la distribution, ainsi: La figure 4 a décrit le diagramme de distribution correspondant à un jeu de fonctionnement à froid de 0,25 mm à l'admission et à l'échappement. La figure 4 b décrit le diagramme de distribution, pour le même moteur, pour un jeu de fonctionnement incorrect à froid de 0,1 mm à l'admission et de 0,2 mm à l'échappement La partie en gris représente l'admission AD et la partie en noir, l'échappement EC AOA désigne l'avance à l'ouverture à l'admission, et AOE, l'avance à l'ouverture à l'échappement RFA désigne le retard à la fermeture à l'admission, RFE le retard à la fermeture à l'échappement. Certains systèmes de distribution présentent, comme il a été mentionné ci-dessus, des poussoirs hydrauliques dont la fonction est le rattrapage automatique du jeu Cependant, leur fonctionnement peut être altéré par une mauvaise étanchéité du clapet, un débit de fuite trop élevé, un gommage du piston plongeur, tous ces phénomènes entraînant un déphasage du diagramme de distribution et une perte de puissance. La transmission entre vilebrequin et arbre à came peut s'effectuer par cascade de pignons, par chaîne ou par courroie crantée Cette dernière solution est la plus répandue en raison de son faible coût, de son silence de fonctionnement, de son absence de lubrification, de la vitesse élevée et de son absence de glissement L'allongement de la courroie peut provoquer un retard angulaire f de la poulie menée P 2 par rapport à la poulie menante Pl (voir figure lia), ce retard induisant un décalage du diagramme de distribution Certains constructeurs utilisent ce principe pour commander le calage du diagramme de distribution en jouant sur l'augmentation de tension par un tendeur T ou une détente d'un des brins, créant ainsi une distribution variable ("Variocam" de la firme PORSCHE, etc). Il résulte de ce qui précède que le diagramme de distribution est révélateur du bon fonctionnement de la distribution d'un moteur, qu'il renseigne sur le jeu des soupapes, l'allongement des courroies, l'état des poussoirs, autant d'éléments dont les dérives dégradent le fonctionnement global du moteur. Il résulte de l'étude précédente qu'il apparaît intéressant, afin de contrôler ces dérives, de pouvoir procéder avec des moyens simples à un enregistrement du diagramme de distribution des moteurs. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif permettant de caractériser le jeu des soupapes et/ou de caractériser l'allongement des chaînes ou courroies de distribution et/ou de diagnostiquer l'état des poussoirs hydrauliques et/ou de contrôler le bon fonctionnement du système de distribution variable. L'invention propose ainsi d'effectuer, en limitant les opérations de dépose mécanique préalables, le relevé dynamique du diagramme de distribution réel, pour chaque cylindre du moteur contrôlé et de comparer ce diagramme au diagramme théorique du moteur. L'idée de base dans l'invention consiste à enregistrer, moteur tournant, les vibrations mécaniques générées par le choc de la tête de soupape sur son siège à l'instant de la fermeture Ces vibrations, propagées par la culasse sont recueillies par une sonde intégrant un capteur, par exemple un accéléromètre piézoélectrique, elle-même placée sur la culasse. L'invention concerne tout d'abord une sonde destinée au contrôle d'un moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur de vibrations présentant une sortie de signal correspondant à une détection de vibrations mécaniques et un moyen de fixation adapté à rendre le capteur solidaire de la culasse d'un moteur Le capteur est avantageusement solidaire d'un support adapté pour être monté sur une bougie, de telle sorte que le support ait une face en contact avec la culasse du moteur, le support pouvant être adapté pour être monté coaxialement à la bougie, plus particulièrement sur un capuchon de ladite bougie Le support peut être taraudé. Selon un mode de réalisation préféré, le tube est en matériau magnétisable et le capteur présente une embase aimantée. L'invention concerne également un procédé de contrôle de la distribution d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: détecter, moteur tournant, les vibrations mécaniques générées par le choc d'au moins une tête de soupape d'au moins un cylindre sur son siège à l'instant de la fermeture, ladite détection étant effectuée par une sonde du type précité placée sur la culasse du moteur, et comparer l'instant d'apparition desdites vibrations mécaniques avec au moins un instant de référence positionné sur le cycle du moteur. Le procédé peut comporter une étape de déterminer pour au moins une soupape d'admission le retard à la fermeture et/ou une étape de déterminer pour au moins une soupape d'échappement le retard à la fermeture. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent: les figures 1, 2, 3 a, 3 b, 4 a, 4 b, 5, des illustrations explicatives du fonctionnement d'un système de distribution d'un moteur à combustion interne explicitées plus haut; la figure 6, l'illustration d'un procédé de mesure selon l'invention; les figures 7 et 8, deux vues en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur selon l'invention; les figures 9 et 10, des diagrammes de mesure correspondant à un retard de la soupape à la fermeture, respectivement inférieur et supérieur au retard théorique; la figure lla est une vue schématisée d'un système de distribution à courroie de distribution sur lequel est représenté le jeu mentionné ci-dessus. la figure llb, l'illustration du procédé selon l'invention adapté à la vérification d'un système de distribution variable; et la figure 12, un banc de mesure mettant en oeuvre l'invention. La figure 6 illustre une mise en oeuvre du procédé selon l'invention par visualisation sur un oscilloscope, d'une part d'un signal de synchronisation SYN donnant une impulsion de synchronisation correspondant à un événement daté, c'est-à-dire dont l'instant d'apparition est connu et qui est positionné sur le cycle du moteur tel que le signal d'un capteur de point mort haut PMH, de point mort bas PMB ou bien encore un signal prélevé directement sur le secondaire d'allumage du moteur Ce signal de synchronisation SYN est donc visualisé sur un oscilloscope en même temps qu'un signal de mesure MES produit par un capteur monté sur la culasse du moteur à proximité d'un cylindre dont on veut vérifier le fonctionnement Le capteur génère un signal vibratoire MES représentant les vibrations mécaniques de la culasse, ledit signal présentant des transitoires TR (ou impulsions) représentatives du choc de la tête de soupape 2 à l'instant de sa fermeture Il est ainsi possible de visualiser directement sur oscilloscope le retard à la fermeture à l'échappement RFE par rapport au point mort haut PMH ou bien le retard de fermeture à l'admission par rapport au point mort bas PMB du moteur Ces écarts sont représentés par la distance entre l'impulsion de synchronisation SYN et le transitoire TR observé dans le signal de mesure MES pour la soupape correspondante. Les figures 7 et 8 représentent un mode de réalisation de la sonde particulièrement avantageux de par la position du capteur par rapport à la source vibratoire. Selon la figure 7, un capteur 30 est placé solidaire d'un manchon 20 placé autour d'un capuchon il de bougie présentant un prolongateur 14 se terminant par un élément de contact électrique 15 Le manchon 20 présente une face inférieure 21 qui est maintenue en contact avec la culasse 5 lors de la mesure Le capteur génère un signal RFM présentant des impulsions représentatives des vibrations mécaniques Le positionnement de la sonde par rapport aux soupapes est la même quel que soit le cylindre contrôlé étant donné que la sonde est placée sur la bougie 10 du cylindre 9 contrôlé, et la mesure n'est pas perturbée par la présence des autres soupapes correspondant aux autres cylindres en raison de la proximité immédiate de la sonde et des soupapes dont la fermeture est mesurée. Il est en outre important de remarquer qu'un tel positionnement imposé permet d'obtenir une bonne reproductibilité des mesures d'un véhicule à l'autre. Selon la figure 8, le manchon 20 est cylindrique et taraudé sur sa face intérieure en 22 pour venir se visser sur la partie inférieure taraudée 12 d'un prolongateur standard 11, qui est raccordé à un câble d'alimentation 18 pour la bougie 10 La face inférieure du manchon 20 est en contact avec la culasse 5 et le capteur 30 présente un socle magnétique 32 grâce auquel il vient se fixer sur le manchon 20, lui- même en matériau magnétisable Le capteur 30 présente une sortie de signal de mesure 33 à laquelle est raccordé un câble de mesure 31. Les figures 9 et 10 illustrent deux cas de mesure A la figure 9, le retard à la fermeture mesuré RFEM est inférieur au retard théorique RFET qui doit être compris dans la plage théorique PT hachurée La fermeture prématurée de la soupape correspond à un jeu de soupapes excessif ou à un poussoir hydraulique défectueux. La figure 10 correspond au cas o le retard mesuré RFEM est supérieur au retard de fermeture théorique RFET à l'échappement La fermeture tardive de la soupape correspond au cas d'un allongement de chaîne ou de courroie de distribution. La figure llb illustrent le contrôle du fonctionnement d'un système de distribution variable A la figure llb, on effectue deux mesures RFM 1 et RFM 2 d'une part, RFMI avec l'arbre à came non commandé, et d'autre part, RFM 2 avec l'arbre à came commandé La variation angulaire A M mesurée doit correspondre à une valeur théorique fixée par le constructeur Le système de mesure selon l'invention permet de vérifier le bon fonctionnement de la commande d'arbre à came et de mesurer pour chaque cylindre la variation angulaire iâ - Un banc de mesure mettant en oeuvre l'invention est représenté à la figure 12 Il comporte en vue de réaliser un diagnostic de distribution d'un moteur M, N sondes Si SN (en nombre égal au nombre de cylindres du moteur à contrôler dans le cas o un diagnostic complet est réalisé en une seule opération), et une sonde SY pour générer le signal de synchronisation SYN Des circuits d'entrée et de mise en forme E 51 ES, pour les signaux des N sondes, et ESN+l pour le signal SYN attaquent une unité centrale de traitement PRU comprenant d'une part un microprocesseur MP et d'autre part un étage de conversion analogique/numérique CAN Les valeurs sont automatiquement converties puis numérisées par le microprocesseur MP qui effectue les calculs de datation des événements et la comparaison avec les données sélectionnées par l'opérateur à l'aide d'un clavier disposé dans une interface INT, à partir d'une base de données comportant les données des moteurs issues des constructeurs automobiles et stockée dans une mémoire MEM Une comparaison entre les valeurs mesurées et les données du constructeur permettent d'effectuer le contrôle de la distribution du moteur M en fabrication ou en après-vente On notera que ces comparaisons peuvent également être réalisées par visualisation des signaux à l'aide d'un simple oscilloscope. il REVENDICATIONS 1) Sonde destinée au contrôle d'un moteur à combustion interne caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur de vibrations ( 30) présentant une sortie de signal ( 33) correspondant à une détection de vibrations mécaniques et un moyen de fixation ( 20) adapté à rendre le capteur solidaire de la culasse ( 5) d'un moteur. 2) Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur est solidaire d'un support ( 20) adapté pour être monté sur une bougie ( 10) de telle sorte que le support ( 20) ait une face ( 21) en contact avec la culasse ( 5) du moteur. 3) Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que le support ( 20) est adapté pour être monté coaxialement à la bougie ( 10). 4) Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que le support ( 20) est adapté pour être monté sur un capuchon ( 11) de ladite bougie ( 10). 5) Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que le support ( 20) est un tube taraudé. 6) Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tube ( 20) est en matériau magnétisable et en ce que le capteur ( 30) présente une embase aimantée ( 32). 7) Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur ( 30) est un accéléromètre. 8) Procédé de contrôle de la distribution d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: détecter, moteur tournant, les vibrations mécaniques générées par le choc d'au moins une tête ( 2) de soupape ( 1) d'un cylindre sur son siège ( 6) à l'instant de sa fermeture, ladite détection étant effectuée par une sonde selon une des revendications précédentes, placée sur la culasse ( 5) du moteur, comparer l'instant d'apparition desdites vibrations mécaniques avec au moins un instant de référence (SYN) positionné sur le cycle du moteur. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de déterminer pour une dite soupape ( 1) le retard à la fermeture à l'admission (RFA). ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de déterminer pour une dite soupape le retard à la fermeture à l'échappement (RFE).