Brevet FR2763096A1 — publié le 19981113

La présente invention a pour objet un dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons. Le rendement maximum des moteurs à combustion interne à pistons est en général enregistré à pleine charge - c'est à dire papillon des gaz à pleine ouverture - au régime ou plage de régime où la pression moyenne effective du cycle moteur est à sa valeur maximum. A ces conditions de fonctionnement correspondent, pour chaque moteur, une puissance et un régime définis. Ceci revient à dire que dès lors que le travail demandé à un moteur ne correspond pas à ces conditions de puissance et de régime, son rendement décroît. La principale caractéristique des moteurs qui définit leur puissance et régime de rendement maximum, est leur cylindrée. En utilisation courante, notamment dans le domaine de l'automobile, les conditions de fonctionnement des moteurs génératrices d'un rendement optimum sont rarement réunies, la cylindrée des moteurs étant constante et la puissance qui leur est demandée par le conducteur variant de façon considérable. En pratique générale, plus les conditions de travail imposées au moteur par le conducteur sont éloignées de ses conditions de rendement maximum, plus son rendement est bas. En utilisation à faible puissance, par exemple lors de déplacements urbains, à travail égal les moteurs de grosse cylindrée consomment plus d'énergie que les moteurs de faible cylindrée, du fait d'un éloignement plus important de leurs conditions de fonctionnement génératrices d'un rendement maximum, ce handicap des moteurs de grosses cylindrée pouvant devenir un avantage lors de conditions d'utilisation nécessitant une forte puissance, par exemple sur autoroute à vitesse élevée. Dans tous les cas, le réglage de la puissance des moteurs s'opère principalement par action sur leur régime par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses, et sur leur charge par le biais du papillon des gaz qui contrôle la pression d'admission par laminage et modifie le taux de remplissage du(des) cylindre(s) et la pression moyenne effective du cycle moteur. Une autre caractéristique des moteurs détermine leur rendement général : c'est leur rapport volumétrique. Celuici est défini par la relation existant entre le volume du cylindre et le volume de la chambre d'explosion. Ce rapport est fixe, il est calculé tenant compte des conditions de charge maximales du moteur et du carburant utilisé, or, à charge partielle ou lorsque le cylindre est insuffisamment rempli à hauts régimes, ce rapport pourrait être sensiblement augmenté afin d'accroître le rende ment du moteur. Si l'avantage d'adapter la cylindrée des moteurs au travail qui leur est demandé est évident, il n'existe auiourd'hui pratiquement aucun dispositif performant permettant aux moteurs, et en particulier aux moteurs d'automobiles, d'obtenir ce résultat. Des dispositifs ont toutefois été expérimentés qui prévoient notamment de débrayer ou de rendre passifs un certain nombre de cylindres sur des moteurs multicylindres. Aucun de ces dispositifs, de par leur lourdeur de mise en oeuvre et leur efficacité relative, n'a pu être considéré comme digne d'être reproduit en grand nombre. S'il est avantageux, pour conserver un rendement optimal, d'adapter le rapport volumétrique des moteurs aux conditions de remplissage de leur(s) cylindre(s) notamment à hauts régimes, aucun dispositif n'apporte aujourd'hui de solution pertinente qui permette d'obtenir un tel résultat. C'est pour améliorer de façon significative le rendement global des moteurs à combustion interne à pistons, tenant compte de leur contexte d'utilisation variable, que le dispositif selon l'invention prévoit que tout moteur qui en est doté présente des particularités qui le distinguent d'un moteur tel que défini selon les régles de l'art antérieur en ce que, selon un mode particulier de réalisation Afin de rester à l'optimum de son rendement, Le moteur adapte automatiquement sa cylindrée au travail qui lui est demandé, tenant compte des conditions de régime qui lui sont imposées. Lors de mauvaises conditions de remplissage de son (ses) cylindre(s), notamment à régime élevé, le moteur adapte son rapport volumétrique auxdites conditions de remplissage afin d'optimiser son rendement. Le rendement du moteur est accru de façon importante sur l'essentiel de sa plage de puissance. Le rendement maximum du moteur peut être obtenu sur une plage de régime élargie. Les pertes en pompage sont réduites sur l'essentiel de la plage de puissance du moteur. La puissance maximale du moteur est accrue notamment par amélioration du remplissage de son (ses) cylindre(s) à régime élevé. L'ovalisation du (des) cylindre(s) par usure est réduite grâce à l'absence de contraintes diamétrales sur le (les) piston(s). Le dispositif selon l'invention prévoit notamment que A basse cylindrée, le cycle moteur exploite une course de détente plus longue que la course utilisée pour compresser les gaz, le diagramme de détente étant alors tronqué plus tard que sur un moteur de même cylindrée tel que défini selon l'art antérieur. A basse cylindrée, le temps nécessaire à la compression des gaz est réduite, ceci limite le temps de confinement des gaz propice au déclenchement d'effets indésirables de détonation. Pour atteindre ces résultats, Le dispositif selon l'invention comporte selon une première caractéristique: Un système permettant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volume' trique du moteur. Ledit système agissant par modification de l'origine de la course du piston par rapport au cylindre sans modifier la longueur de ladite course. Un système de contrôle de la cylindrée effective du moteur. Ledit système opérant par refoulement dans la tubulure d'admission d'une partie des gaz admis dans le cylindre du moteur grâce au concours d'une soupape d'admission additionnelle. En fonctionnement à cylindrée réduite, la fermeture de ladite soupape d'admission additionnelle pouvant être retardée de façon significative afin que le piston refoule durant son ascension dans le cylindre les gaz admis en excès et que le début de compression des gaz ait lieu plus tard durant la course ascensionnelle du piston. Selon une variante du dispositif selon l'invention, la soupape d'admission telle que définie selon l'art antérieur peut elle-même être utilisée à cette tâche, ceci en contre lant ses diagrammes d'ouverture et de fermeture. Ce dispositif selon l'invention comporte notamment pour une cylindrée Un piston muni d'une crémaillère montée solidairement de sa partie inférieure, ladite crémaillère constituant l'une des parties d'un système d'engrènement, et étant maintenue dans un système de guidage qui lui autorise un mouvement de translation longitudinal. Une crémaillère de commande montée dans une cavité ou sur un guide aménagés dans le bloc moteur qui lui autorisent un mouvement de translation longitudinal, la position de ladite crémaillère de commande étant contrôlée par un dispositif d'asservissement. Une bielle montée libre sur le vilebrequin du moteur qui comporte en sa partie supérieure un engrenage monté libre, ledit engrenage constituant l'élément de transmission du mouvement entre le piston et ladite bielle. Une soupape d'admission additionnelle dont l'arbre à cames qui commande son ouverture/fermeture est asservi à un dispositif qui contrôle son décalage angulaire par rapport au vilebrequin du moteur, ceci permettant de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouverture de ladite soupape par rapport au vilebrequin. Selon un mode particulier de réalisation, son fonctionnement nécessite Des sondes transmettant divers paramètres de fonctionnement du moteur. Un ou plusieurs calculateurs ou dispositifs effectuant le traitement desdits para mètres. Un dispositif d'asservissement qui permet d'agir sur la position de la crémaillère de commande tenant compte du résultat du traitement des paramètres en provenance desdites sondes. Un dispositif d'asservissement qui permet d'agir sur le décalage angulaire de l'arbre à cames commandant l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle tenant compte du résultat du traitement des paramètres en provenance desdites sondes. II se caractérise a) en ce que le piston muni d'une crémaillère montée solidairement de sa partie inférieure assure la même fonction que le piston de tout moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur. Seul diffère son mode de transmission mécanique du mouvement au vilebrequin. b) en ce que la bielle montée libre sur le vilebrequin assure la même fonction que la bielle de tout moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur. Seul diffère son mode de liaison mécanique avec le piston. c) en ce que l'engrenage monté libre en la partie supérieure de la bielle est assure ti au déplacement du piston par l'intermédiaire du système d'engrènement qu'il constitue avec la crémaillère montée solidairement de la portie inférieure dudit piston d'une port, et la crémaillère de commande montée dans une cavité ou sur un guide aménagés dans le bloc moteur maintenue en position par son dispositif de contrôle d'autre part. d) en ce que ledit engrenage constitue l'organe de transmission du mouvement entre le piston et la bielle. e) en ce que en ce que le dispositif qui permet d'agir sur la position de la crémaillère re de commande comprend selon une caractéristique de l'invention: - au moins un vérin hydraulique ou tout autre système permettant d'imprimer un mouvement de translation à la crémaillère de commande et rendu solidaire de ladite crémaillère de commande par une quelconque liaison mécanique. - au moins un vérin hydraulique ou tout autre système permettant de constituer un dispositif qui contrôle le décalage angulaire de l'arbre à cames qui commande l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle, ledit vérin hydraulique pouvant agir, selon un mode particulier de réalisation et à titre d'exemple non limitatif, sur la position d'une poulie additionnelle faisant ainsi varier la longueur de courroie ou de chaîne située entre la poulie de l'arbre à cames des soupapes d'admission et d'échappement du moteur tel que défini selon l'art antérieur, et la poulie de l'arbre à cames de la soupape d'admission additionnelle. 4 en ce que le dispositif qui contrôle le décalage angulaire de l'arbre à cames commandant l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle n'agit pas nécessairement sur l'arbre à cames commandant les soupapes d'admission et d'échappe- ment du moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue de face en coupe schématique du dispositif selon l'invention. - la figure 2 est une vue de droite en coupe schématique selon la ligne A-A de la figure 1 du dispositif selon l'invention. - La figure 3 est une vue en coupe schématique du dispositif de commande d'ouverture de la soupape d'admission telle que définie selon l'art antérieur, qui, selon une variante du dispositif selon l'invention, peut être utilisée pour contrôler la cylindrée du moteur. - la figure 4 est une vue en perspective mettant en évidence la disposition des principaux éléments qui constituent le dispositif selon l'invention. Comme on peut le voir sur les figures, le dispositif selon l'invention vient s'insérer dans un environnement bien connu de l'art antérieur: les moteurs à pistons. On peut reconnaître notamment sur ces figures un piston (1), un cylindre (2), des soupapes (3, 4, 22), un bloc moteur (5), une culasse (6), un vilebrequin (7), une bougie d'allumage (8), une chambre d'explosion (9). La fonction de ces organes est, selon l'invention, inchangée eut égard à l'état antérieur de la technique. Le dispositif selon l'invention comporte essentiellement une crémaillère (10) montée solidairement de la partie inférieure du piston (1), une crémaillère de commande (11) montée dans une cavité ou sur un guide aménagés dans le bloc moteur, un dispositif (12) qui contrôle la position de ladite crémaillère de commande par rapport au bloc moteur. II comporte également une bielle (13) montée libre sur le vilebrequin du moteur qui comporte en sa partie supérieure un engrenage (14) monté libre. Ce dispositif selon l'invention comporte en outre une soupape d'admission additionnelle (15) dont l'arbre à cames qui commande son ouverture (16) est asservi à un dispositif qui contrôle son décalage angulaire (17) par rapport au vilebrequin du moteur. Selon une variante du dispositif selon l'invention, la fonction remplie par ladite soupape d'admission additionnelle (15) peut être assumée par la soupape d'admission (22) telle que définie selon l'art antérieur, un dispositif additionnel per mettant alors de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouvertu- re de ladite soupape par rapport au vilebrequin, à titre d'exemple non limitatif et comme illustré sur la figure 3, ledit dispositif additionnel peut comporter un arbre à cames additionnel (21) asservi à un dispositif qui contrôle son décalage angulaire (non représenté) par rapport au vilebrequin du moteur, ledit arbre à cames additionnel (21) actionnant ladite soupape d'admission (22) par l'intermédiaire d'une liaison mécanique (23) en complément du mouvement imprimé à ladite soupape par son arbre à cames (24) tel que défini selon l'art antérieur. Ce dispositif selon l'invention peut également comporter divers accessoires (non représentés) tels que des sondes transmettant divers paramètres de fonctionnement du moteur, un ou plusieurs calculateurs ou dispositifs effectuant le traitement des informations en provenance desdites sondes et un système permettant d'assujettir le dispositif (12) qui contrôle la position de la crémaillère de commande par rapport au bloc moteur et le dispositif (17) qui contrôle le décalage angulaire de la soupape d'admission additionnelle (15) au résultat du traitement des informations en pra- venance desdites sondes. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant: La modification de la cylindrée effective du moteur en conservant un rapport volumétrique adéquat s'opère par l'action conjuguée des systèmes permettant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volumétrique du moteur d'une part et la cylindrée effective dudit moteur d'autre part. Le contrôle du rapport volumétrique du moteur s'opère par contrôle de la position d'origine de la course du piston (1) par rapport au cylindre, sans modifier la longueur de ladite course. Le contrôle de la cylindrée effective du moteur s'opère par refoulement dans la tubulure d'admission (19) des gaz admis en excès dans le cylindre, et par contrôle de la longueur de la course ascendante du piston (1) utilisée pour compresser lesdits gaz. Le contrôle du rapport volumétrique du moteur s'opère comme suit: le dispositif de contrôle (12) de la crémaillère de commande (11) reçoit l'ordre de déplacer ladite crémaillère de commande (11), cet ordre est matérialisé par exemple, par l'introduction dans un vérin hydraulique (12) d'un certain volume d'huile sous pression en provenance d'une pompe (non représentée), ledit volume ayant au préalable été calculé par le ou les dispositifs (non représentés) effectuant le traitement des informations en provenance de sondes paramétriques du moteur (non représentées). L'action du dispositif de contrôle (12) sur la crémaillère de commande (11) par l'intermédiaire d'un liaison mécanique (20) a pour effet d'imprimer à ladite crémaillé re de commande (11) un mouvement de translation parallèle à son axe longitudinal. Ladite crémaillère de commande (11) constituant un système d'engrènement avec l'engrenage (14) monté libre en la partie supérieure de la bielle (13) et la cré- maillère (10) montée solidairement de la partie inférieure du piston (1), son déplacement implique une modification du point d'origine de la course du piston (1) par rapport au cylindre. La modification du point d'origine de ladite course a pour effet de modifier le volume de la chambre d'explosion (9), La longueur de ladite course étant inchangée, le rapport volumétrique du moteur est modifié. Le contrôle de la cylindrée effective du moteur s'opère comme suit : le dispositif (17) qui contrôle le décalage angulaire de l'arbre à cames (16) qui commande l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle (15) reçoit l'ordre de retarder ou avancer l'ouverture de ladite soupape d'admission additionnelle (15). Cet ordre est matérialisé selon un exemple particulier de réalisation du dispositif selon l'invention, par l'introduction dans un vérin hydraulique (17) d'un certain volume d'huile sous pression en provenance d'une pompe (non représentée), ledit volume ayant au préalable été calculé par le ou les dispositifs (non représentés) effectuant le traitement des informations en provenance de sondes paramétriques du moteur (non représentées). Ledit vérin hydraulique pouvant agir sur la position d'une poulie intermédiaire (18) qui modifie la longueur de courroie de distribution ou de chaîne comprise entre la poulie de l'arbre à cames (24) des soupapes d'admission et d'échappement du moteur tel que défini selon l'art antérieur, et la poulie de l'arbre à cames (16) qui commande l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle (15). Selon l'invention, un retard colculé à la fermeture de ladite soupape d'admission additionnelle (15) a pour effet de permettre au piston (1) de refouler dans la tubulure d'admission (19) une certaine quantité de gaz frais admis en excès d'une part, et de n'exploiter qu'une partie de la longueur de la course du piston (1) pour compresser les gaz d'autre part. Selon une caractéristique de l'invention, sur moteurs à cylindres multiples, les gaz frais refoulés dans la tubulure d'admission (19) peuvent être ré-aspirés par un cylindre voisin en phase d'admission. Le dispositif selon l'invention prévoit que le rapport entre le volume de la chambre d'explosion défini par le système qui contrôle le rapport volumétrique et la longueur de la course du piston utilisée pour compresser les gaz frais peut ne pas rester constant, ceci afin de permettre au moteur de travailler selon le rapport volumétrique effectif le plus élevé possible autorisé par les conditions de fonctionnement dudit moteur. En fonctionnement, la cylindrée effective du moteur ainsi que son rapport volumé trique sont assujettis en permanence, selon l'invention, aux impératifs d'optimisation du rendement du moteur. Outre les avantages inhérents au dispositif lui même qui, selon l'invention, permet de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons et d'augmenter leur rendement global lorsqu'ils sont utilisés à charge et régime variables, I'invention présente celui de ne poser aucun problème particulier de faisabilité. L'invention fait appel à des procédés et techniques connus et éprouvés. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit; elle est, au contraire, susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons caractérisé en ce qu'il comporte: Un système permettant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volumétrique du moteur, ledit système agissant par modification de l'origine de la course du piston par rapport au cylindre sans modifier la longueur de ladite course. Un système permettant de contrôler durant son fonctionnement la cylindrée effective du moteur qui opère par refoulement des gaz admis en excès dans le cylindre du moteur dans la tubulure d'admission, et par ajustement de la longueur de la course ascensionnelle du piston utilisée pour compresser les gaz. Et que son fonctionnement nécéssite Des sondes transmettant divers paramètres de fonctionnement du moteur. Un ou plusieurs calculateurs ou dispositifs effectuant le traitement desdits paramètres. Des dispositifs d'asservissement. 2) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système permettant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volumétrique du moteur est constitué d'un système d'engrènement qui comprend a) Une crémaillère (10) montée solidairement de la partie inférieure du piston (1) maintenue dans un système de guidage qui lui autorise un mouvement de translation longitudinal. b) Une crémaillère de commande (11) montée dans une cavité ou sur un guide aménagés dans le bloc moteur (5) qui lui autorisent un mouvement longitudinal, la position de ladite crémaillère de commande (11) étant contrôlée par un dispositif d'asservissement. c) Un engrenage (14) monté libre en la partie supérieure d'une bielle (13) montée libre sur le vilebrequin du moteur. Ledit engrenage (14) étant situé entre les deux crémaillères (10,11) telles que décrites, il constitue l'élément de transmission du mouvement entre le piston (1) et la bielle (13). 3) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système permettant de contrôler durant son fonctionnement la cylindrée effective du moteur est constitué d'une soupape d'admission addition nelle (15) dont le dispositif qui contrôle son ouverture/fermeture est variable et permet de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouverture de ladite soupape par rapport au vilebrequin. En fonctionnement à cylindrée réduite, la fermeture de ladite soupape d'admission additionnelle (15) peut être retardée suffisamment pour permettre le refoulement par le piston (1) dans la tubulure d'admission (19) des gaz admis en excès, et pour que la compression des gaz ne débute que tardivement durant la course ascensionnelle du piston. 4) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système permettant de contrôler durant son fonctionnement la cylindrée effective du moteur est constitué d'un dispositif qui contrôle l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission (22) telle que définie selon l'art antérieur, ledit dispositif permettant de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouverture de ladite soupape par rapport au vilebrequin. En fonctionne ment à cylindrée réduite, la fermeture de ladite soupape d'admission (22) peut être retardée suffisamment pour permettre le refoulement par le piston (1) dans la tubulure d'admission (19) des gaz admis en excès, et pour que la compression des gaz ne débute que tardivement durant la course ascensionnelle du piston. 5) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif qui contrôle l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission additionnelle (15) est un arbre à cames asservi à un dispositif qui contrôle son décalage angulaire par rapport au vilebrequin du moteur. 6) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dispositif qui contrôle l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission (22) telle que définie selon l'art antérieur est constitué d'un arbre à cames additionnel (21) asservi à un dispositif qui contrôle son décalage angulaire par rapport au vilebrequin du moteur, ledit arbre à cames additionnel (21) actionnant ladite soupape par l'intermédiaire d'une liaison mécanique (23) en complément du mouvement imprimé à ladite soupape par son arbre à cames (25) tel que défini selon l'art antérieur. 7) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dispositif qui contrôle le décalage angulaire de l'arbre à cames qui commande l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle (15) est constitué d'une poulie intermédiaire (18) dont la position définit la longueur de courroie de distribution ou de chaîne comprise entre la poulie de l'arbre à cames (24) des soupapes d'admission et d'échappement du moteur tel que défini selon l'art antérieur, et la poulie de l'arbre à cames (16) qui commande l'ouverture de la soupape d'admission additionnelle (15). 8) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dispositif d'asservissement qui contrôle la position de la crémaillère de commande (11) est constitué d'un vérin hydraulique (12) qui agit sur ladite crémaillère par l'intermédiaire d'un liaison mécanique (20). 9) Dispositif permettant de faire varier durant leur fonctionnement la cylindrée et/ou le rapport volumétrique effectifs des moteurs à pistons selon la revendication 7 caractérisé en ce que le dispositif d'asservissement qui contrôle la position de la poulie intermédiaire (18) est constitué d'un vérin hydraulique (17).