Brevet FR2764937A1 — publié le 19981224

La présente invention concerne un dispositif permettant d'améliorer le fonctionnement des moteurs à quatre temps en rendant possible l'ouverture simultanée de toutes les soupapes d'un cylindre lors de ses temps d'admission et d'échappement. Pour accroitre les performances et le rendement des moteurs à quatre temps, une stratégie de plus en plus utilisée consiste à multiplier le nombre de soupapes de ces moteurs: des moteurs à quatre, voire cinq soupapes par cylindre deviennent courants. Néanmoins, l'intérêt de cette stratégie se trouve limité par le peu de place disponible dans la culasse. Par contre, malgré ce manque de place, on observe que seule une fraction de l'espace n'est vraiment utilisée à chaque phase de transfert puisque, pour une configuration prise comme exemple de quatre soupapes par cylindre, seules deux soupapes sur quatre sont utiles lors de l'admission ou lors de l'échappement. L'objectif de la présente invention est de résoudre ce problème en permettant que toutes les soupapes d'un cylindre puissent servir à la fois pour l'admission et pour l'échappement, optimisant ainsi la présence de ces soupapes. Pour obtenir un tel résultat, un dispositif particulier a été conçu, et qui va être décrit comme suit. A partir d'une culasse classique, le dispositif est fixé à la sortie de chaque canalisation aéraulique de cette culasse. Le dispositif est une vanne trois voies, réalisée par la jonction de trois courts tubes. Les connections cette vanne sont telles qu'un de ses orifices communique avec une canalisation aéraulique de la culasse, le second est connecté à la canalisation d'amenée des gaz frais, et le troisième au système d'échappement du véhicule. A l'intérieur de cette vanne est placé un clapet cylindrique percé de conduits, et qui obture l'une ou l'autre des communications de cette vanne selon la phase de fonctionnement du cylindre correspondant. Le mouvement du clapet est contrôlé par un vérin pneumatique situé sous lui. Le fonctionnement de ce verin est commandé par une électrovanne asservie à la rotation du moteur et gérée électroniquement de manière à pouvoir adapter les durées et les synchronisations de l'ouverture du clapet selon les conditions de fonctionnement du moteur. Le fonctionnement du dispositif sera alors le suivant: lors de la phase d'admission d'un cylindre, toutes ses soupapes s'abaissent, et le clapet du dispositif, activé par le vérin pneumatique qui l'abaisse, permet l'arrivée des gaz frais par une voie de la vanne. Pour la compression puis la combustion, les soupapes sont classiquement refermées et, pendant ces deux temps, le clapet sera rappelé en position fermée en prévision de l'échappement. Lors de la phase d'échappement, toutes les soupapes du cylindre s'ouvriront à nouveau, et le clapet de la vanne obligera les gaz brulés à s'échapper par la seconde voie de cette vanne. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 présente une coupe d'un moteur à quatre temps muni du dispositif selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent deux vues extérieures de la vanne, respectivement de profil et en hauteur. La figure 4 présente le clapet, et les figures 5 et 6 montrent la configuration interne de la vanne lors de deux phases de fonctionnement, respectivement lors de l'échappement et lors de l'admission. La figure 7 schématise la disposition du système de commande d'un clapet. La figure 8 représente une configuration générale de l'ensemble de contrôle des clapets. Les figures 9, 10 et 11 schématisent trois phases du fonctionnement général du dispositif. Dans ces dessins, pour des raisons de clarté, seules deux ,soupapes sont représentées ("anciennement" admission et échappement), chacune munie du dispositif. Néanmoins, le dispositif est identiquement applicable pour un nombre supérieur de soupapes. En réference à ces dessins, le dispositif (1) est fixé à chacune des canalisations aérauliques de la culasse (2). La sortie du dispositif est reliée à la tuyauterie d'échappement (3) du véhicule, tandis que la partie supérieure du dispositif est reliée à la canalisation d'admission (4). La culasse elle-même n'est pas modifiée par l'ajout du dispositif. Le dispositif décrit est une vanne trois voies (1) dont les communications sont controlées par un clapet (5) dont le mouvement est asservi à la rotation du moteur. Cette vanne (1) est de courtes longueurs afin de limiter les volumes morts, et présente à ses extrémités des plans de joint (6) permettant des fixations étanches à la culasse (2) et à la canalisation d'échappement (3). La vanne (1) est conçue pour être réalisée par soudure d'un premier tube (7), percé transversalement, et de deux autres tubes (8), échancrés et positionnés perpendiculairement au premier au niveau de son perçage. Cette liaison doit permettre une circulation gazeuse à l'intérieur de la pièce obtenue. Le profil de cette pièce sera alors celui d'un "T" qui sera inversé lors de sa fixation sur la culasse: la jambe de ce "T" sera dirigé vers le haut et recevra les gaz d'admission. La barre du "T" sera alors horizontale et conduira les gaz d'échappement. Le clapet (5), de forme cylindrique, sera positionné dans la tubulure verticale (7) de la vanne (1) où il pourra coulisser. Ce clapet (5) est percé, dans sa demi-partie inférieure, d'un premier orifice (9) qui lui permet, au repos, d'etre traversé par les gaz d'échappement. il dispose, à sa base, d'un chanfrein (10) assurant l'étanchéité inférieure au repos. Au dessus de l'orifice (9) de passage des gaz d'échappement, le clapet dispose d'un rainurage (11) contenant un segment assurant l'étanchéité supérieure à l'échappement. Lors de la seule admission, le clapet (5) est déplacé vers le bas, obturant alors la voie vers l'échappement (3), et mettant en communication la canalisation d'admission (4) avec les soupapes (12). Pour ce faire, le clapet est creusé, dans sa demi-partie supérieure, d'un canal coudé (13) permettant le passage des gaz frais lorsqu'il est en position basse. Ce canal (13) est profilé de manière à limiter la résistance aérodynamique lors du passage des gaz frais. Afin d'éviter toute rotation du clapet, celui-ci dispose d'un ergot (14) guidé dans une rainure verticale (15) de la vanne (1). Le clapet (5) est commandé par un dispositif placé sous lui. Le clapet ne subissant pas de forces importantes s'opposant à son ouverture, sa commande sera alors réalisée avantageusement par des moyens pneumatiques. Pour ce faire, une tige métallique (16) est fixée à la base du clapet (5). Cette tige s'adapte à un petit vérin pneumatique (17) de manière à ce qu'une injection d'air comprimé dans ce vérin abaisse la tige (16) et donc le clapet lui-même. L'intérieur du vérin (17) contient un ressort de rappel (18) permettant le retour du clapet (5) en position fermée dès coupure de l'arrivée de l'air comprimé. La base du vérin (17) est ajustée de manière étanche à la plaque inférieure (20) du boitier (19) du vérin. Pour permettre alors le mouvement du vérin, la plaque (20) sur laquelle il est fixé est percée d'un orifice (21). Le boitier (19), a pour fonction de supporter et protéger le vérin (17). I1 s'adapte à la vanne (1) par l'intermédiaire d'un disque métallique (22) soudé à cette vanne (1). Un autre rôle de ce boitier (19) est de prévenir toute éventuelle échappée des gaz de combustion vers l'extérieur lors de l'abaissement du clapet (5). Pour cela, le boitier (19) est hermétiquement fermé et joint à la vanne (1). L'air comprimé arrive à la partie supérieure du vérin (17) par l'intermédiaire de raccords tubulaires (23); et leurs fixations (24) au boitier (19) sont étanches. Hors du boitier (19), le tuyau d'air comprimé (23) est connecté à une électrovanne (25) fixée au boitier (19), qui met en communication, au repos, le vérin (17) avec l'air atmosphérique; et lorsqu'elle est activée, permet l'arrivée de l'air comprimé dans le vérin (17). Chaque électrovanne (25) communique avec une canalisation (26) d'amenée d'air comprimé; celle-ci étant reliée à un réservoir (27) de ce gaz, qui est avantageusement mis sous pression par l'énergie mécanique directe du moteur à l'aide d'une pompe (28). Selon un mode de réalisation, ce réservoir (27) peut recevoir une soupape de décharge (29) et un filtre à air (30). Les électrovannes (25) sont actionnées par l'énergie électrique de la batterie (31) et pilotées par une centrale électronique (32) qui gère leur instant et leur temps d'ouverture en fonction de la rotation du moteur. Cette centrale (32) est renseignée sur le fonctionnement du moteur par un capteur (33) pouvant, selon un mode de réalisation, être solidaire de la tête d'allumage. La position du clapet (5) au repos, c'est à dire quand le vérin n'est pas activé, est telle que la communication des soupapes (12) avec la tuyauterie d'échappement (3) du vehicule est seule possible. Alors, à l'échappement, toutes les soupapes (12) seront ouvertes et les gaz brulés auront à disposition la plus grande section possible pour être expulsés. Lors de la phase suivante, l'admission, aucune des soupapes (12) ne va se refermer. Par contre, le dispositif présenté va permettre, par abaissement du clapet (5), de faire communiquer au moment opportun la chambre de combustion avec les gaz frais tout en obturant la communication vers l'échappement. Dans ce cas, l'air (carburé ou non) pourra parvenir dans la chambre de combustion par toutes les soupapes. Dans la phase suivante, la compression, les soupapes doivent classiquement se refermer, et restent ainsi jusqu'à la fin de la combustion (au diagramme de distribution près). Ces deux temps consécutifs d'un cylindre vont être utilisés pour permettre au clapet (5) d'être rappelé en position fermée en prévision de la prochaine phase d'échappement. Cette description générale doit être complétée par d'autres jprécisions liées au fonctionnement de l'invention. En effet, une caractéristique des moteurs à quatre temps est leur diagramme de distribution. Principalement, il y a croisement des soupapes (les soupapes restent ouvertes simultanément en fin d'échappement), ce qui améliore le remplissage de la chambre de combustion par les gaz frais. Avec le dispositif présenté, le croisement des soupapes est obtenu par principe. Néanmoins, pour améliorer aussi le remplissage de la chambre de combustion, c'est à dire principalement pour balayer à l'aide de gaz frais le volume mort représenté par le haut de la chambre de combustion et les tubulures ajoutées, le dispositif est prévu pour permettre (dans le cas pris maintenant comme exemple descriptif de deux soupapes par cylindre) l'ouverture du clapet correspondant à une première soupape légèrement en avance sur l'ouverture du clapet de la seconde soupape. Dans ce cas, on retrouve la configuration classique d'un croisement des soupapes, et la chambre de combustion est siège d'un balayage par les gaz frais. Lorsque le réglage du moteur le dicte, le second clapet s'ouvre, et les gaz frais peuvent alors pénétrer aussi par ce clapet. Les matériaux seront résistants aux agressions des gaz d'échappement, et le materiau du clapet (5) aura avantageusement une densité limitant son inertie. Le refroidissement du clapet est assuré par le transit des gaz frais, et les vannes peuvent être indépendantes ou disposées en rampes. La lubrification des clapets peut être assurée, le cas échéant, par un système particulier, ou être dérivée de celle du moteur. Du fait que, de par cette invention, les soupapes restent ouvertes deux temps consécutifs, ceci amène à devoir donner aux cames (35) un profil de demi-disque. Par ailleurs, des possibilités supplémentaires de réglage du moteur apparaissent: en plus du réglage de la distribution des soupapes proprement dite, on peut aussi régler la distribution des clapets par rapport aux soupapes et entre eux. D'autre part, alors qu'un réglage de distribution classique est indépendant du régime moteur, le réglage de la distribution des clapets est géré electroniquement et peut donc s'ajuster aux conditions de ,fonctionnement du moteur. La présente invention est plus particulièrement destinée au secteur automobile. Elle est adaptable aux moteurs à allumage commandé ou aux diesels, ainsi qu'aux moteurs à injection électronique ou à carburateur. De plus, elle ne perturbe en rien le fonctionnement d'un pot catalytique. REVENDICATIONS. 1) Dispositif destiné aux moteurs à quatre temps qui permet l'ouverture simultanée de toutes les soupapes d'un cylindre lors de ses phases d'admission et d'échappement caractérisé en ce qu'il est fixé à chaque canalisation aéraulique de la culasse. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il s'agit dans son principe d'une vanne trois voies (1) dont les trois orifices sont tels qu'ils sont en relation l'un avec la canalisation d'amenée des gaz frais (4), le second avec la canalisation d'échappement du véhicule (3), et le troisième avec une des canalisations aérauliques de la culasse. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que cette vanne (1) contient un clapet coulissant (5) de forme cylindrique et dont la position contrôle les communications internes à cette vanne (1). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ce clapet (5) est perçé de deux conduits: dans sa demi-partie inférieure, d'un trou (9) suivant son diamètre et qui conduira les gaz d'échappement; et dans sa demi-partie supérieure, d'un canal (13) coudé dans le plan du diamètre précédent et qui conduira les gaz d'admission. 5) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ce clapet (5) permet l'étanchéité aux gaz à l'aide, à sa base, d'un chanfrein (10); et d'un segment disposé dans un rainurage (11) creusé dans le périmètre médian du clapet (5). 6) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le clapet (5) est activement commandé par un vérin pneumatique (17) situé sous lui et relié à lui par une tige rigide (16). 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que ce vérin pneumatique (17) est contrôlé par une électrovanne (25) qui autorise ou non son alimentation par de l'air comprimé. 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les électrovannes (25) sont pilotées par une centrale électronique (32) renseignée sur l'état de fonctionnement du moteur par un capteur (33). 9) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que: a) lorsque un vérin (17) n'est pas activé par l'air comprimé, un ressort (18) rappelle et bloque le clapet (5) de manière à ce que le passage des gaz brulés vers la canalisation d'échappement (3) du véhicule soit le seul possible; et b) lorsqu'un vérin (17) est activé par l'air comprimé, le passage des gaz frais vers la chambre de combustion afférent à ce clapet soit le seul possible. 10) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le contrôle des clapets (5) est tel que, en fin de phase d'échappement d'un cylindre, au moins un clapet de ce cylindre est ouvert en avance sur l'autre (ou sur les autres selon le nombre de soupapes du moteur), de manière à permettre un balayage de la chambre de combustion par les gaz frais.