Brevet FR2782119A1 — publié le 20000211

DESCRIPTION D E S C R I P T I O N La présente invention se rapporte à un moteur dans lequel les diverses soupapes d'un cylindre sont actionnées par plus d'un type de dispositif d'actionnement. Les concepteurs de moteurs cherchant à améliorer l'économie de carburant et les performances des groupes motopropulseurs d'automobile, tout en diminuant les émissions polluantes du moteur, ont exploré le concept du calage variable de la distribution depuis un temps considérable. Bien qu'essayées de temps à autre, des soupapes commandées de façon électronique, telles que des soupapes actionnées par électroaimant à noyau plongeur, n'ont généralement pas connu de succès, car la quantité de puissance exigée pour ouvrir une soupape d'une quantité nécessaire pour permettre qu'une charge d'air pénètre dans un cylindre du moteur pendant un fonctionnement à puissance maximum était considérable, et nuisait à l'efficacité en carburant du moteur. Ceci est particulièrement vrai lorsque des circuits électroniques ont été appliqués à des soupapes d'échappement qui doivent s'ouvrir lorsque le cylindre se trouve sous une pression positive. La présente invention permet l'utilisation d'une soupape d'admission commandée électroniquement, pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire, en combinaison avec une soupape d'admission commandée par un arbre à cames pouvant être mis en oeuvre de façon sélective, ainsi que d'une soupape d'échappement commandée par arbre à cames actionné de façon classique. Cet agencement de soupapes inventif, tout en permettant la souplesse des soupapes à commande électronique, permet une telle souplesse ainsi qu'une consommation de puissance fortement réduite. Conformément à l'invention, un moteur à combustion interne comprend un piston logé avec possibilité de mouvement alternatif à l'intérieur d'un cylindre, une première soupape d'admission destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre, la première soupape d'admission étant commandée de façon sélective par un arbre à cames, et une seconde soupape d'admission qui est commandée de façon sélective par une source de puissance autre qu'un arbre à cames. Au moins une soupape d'échappement permet que les produits de la combustion soient évacués hors du cylindre du moteur. La soupape d'échappement est entraînée par un arbre à cames. La première soupape d'admission qui, comme on l'a indiqué ci-dessus, est commandée par un arbre à cames, peut être mise en prise de façon sélective par l'intermédiaire d'une contre-came d'arbre à cames conçue de façon particulière, laquelle est reliée de façon fonctionnelle à un contrôleur du moteur. La seconde soupape d'admission peut être commandée par un actionneur alimenté électriquement tel qu'un électroaimant à noyau plongeur. En variante, la seconde soupape d'admission peut être entraînée par un actionneur électrohydraulique. Dans un premier mode de réalisation de ce moteur, la première soupape d'admission et la soupape d'échappement sont entraînées par un unique arbre à cames. Suivant un deuxième mode de réalisation de ce moteur, la première soupape d'admission et la soupape d'échappement sont entraînées par des arbres à cames séparés. De façon préférée, la charge fraîche n'est admise que par la seconde soupape d'admission aux charges faibles du moteur, uniquement par la première soupape d'admission pour les charges moyennes du moteur, et par à la fois les première et seconde soupapes d'admission pour des charges élevées du moteur. De préférence, la seconde soupape d'admission et la première soupape d'admission sont des soupapes à champignon présentant des têtes d'un même diamètre, la seconde soupape d'admission présentant une levée beaucoup plus faible que la première soupape d'admission. Conformément à un autre aspect de la présente invention, un procédé de mise en oeuvre d'un moteur comportant un système de soupapes de cylindre hybride comprend les étapes consistant à déterminer la charge du moteur, à admettre une charge fraîche dans le cylindre au moyen d'une soupape à champignon d'admission pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire présentant une section de passage relativement faible de manière à favoriser le mouvement de la charge dans le cas o la charge du moteur se trouve dans une plage inférieure, et à admettre une charge fraîche dans le cylindre au moyen d'une soupape d'admission commandée par arbre à cames dans le cas o la charge du moteur se trouve dans une plage moyenne. Enfin, le procédé comprend l'admission d'une charge fraîche dans le cylindre au moyen à la fois de la soupape d'admission pouvant être commandée de façon aléatoire et de la soupape commandée par arbre à cames dans le cas o la charge du moteur se trouve dans une plage élevée. Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression charge légère se réfère à des charges aux alentours d'une pression efficace moyenne (MEP) de 1 bar. L'expression charge moyenne se réfère à des charges aux alentours d'une pression effective moyenne de 2,5 bars. Enfin, l'expression charge élevée se réfère à une pression effective moyenne dans la plage de 7 à 10 bars. La présente invention a également pour objet un moteur à combustion interne comportant un système hybride de soupapes de cylindre, ledit moteur comprenant: un piston logé avec possibilité de mouvement alternatif à l'intérieur d'un cylindre, une première soupape à champignon d'admission destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre pendant le fonctionnement à des charges moyennes et plus élevées, ladite première soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par un arbre à cames, une seconde soupape à champignon d'admission destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre pendant le fonctionnement à des charges plus faibles, ladite seconde soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par une source de puissance autre qu'un arbre à cames, et au moins une soupape d'échappement destinée à permettre que les produits de la combustion soient évacués hors du cylindre, ladite au moins une soupape d'échappement étant actionnée par un arbre à cames. Un avantage de la présente invention est qu'un moteur équipé du présent système hybride de soupapes présentera des performances, y compris en ce qui concerne les émissions polluantes et la production de puissance, s'approchant de celles offertes par un système de soupapes à champignon pouvant être commandées électriquement, entièrement aléatoire, mais sans la perte de puissance due au système de soupapes correspondantes, et la pénalité en économie de carburant résultante. Un autre avantage de la présente invention est qu'une soupape à champignon pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire, pouvant être actionnée électriquement, peut être utilisée afin de créer un mouvement de la charge élevé à l'intérieur du cylindre, en augmentant ainsi les tolérances du moteur vis-à-vis de la recirculation des gaz d'échappement, et en diminuant ainsi l'émission d'oxydes d'azote (NOx) à partir du moteur. D'autres avantages, de même que d'autres buts et caractéristiques de la présente invention, deviendront évidents au lecteur de ce mémoire. Les figures 1 et 1A sont une représentation simplifiée d'un moteur comportant un système de soupapes de cylindre hybride conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en plan d'une culasse de moteur équipée conformément à la présente invention. La figure 3 est un schéma synoptique d'un système de commande destiné à mettre en oeuvre un moteur conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, un moteur 10 comporte un piston 12 logé avec possibilité de mouvement alternatif à l'intérieur d'un cylindre 14. Comme on le voit sur les figures 1, lA et 2, le cylindre 14 est desservi par une soupape d'admission commandée par arbre à cames 16, une soupape d'admission pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire 24, et une soupape d'échappement 28. En commençant par la soupape citée en dernier, c'est-à-dire la soupape d'échappement 28, on peut voir d'après les figures que l'arbre à cames 22 commande la soupape d'échappement 28 sans pouvoir désactiver la soupape 28. En d'autres termes, la soupape d'échappement 28 fonctionne à chaque fois que le moteur 10 est mis en oeuvre. Cette situation doit être comparée à celle se rapportant aux soupapes 16 et 24. La soupape d'admission commandée par arbre à cames 16 est commandée de façon sélective par l'arbre à cames 23 au moyen d'une contre-came 18. Les brevets des Etats-Unis 5 544 626 et 5 653 198, qui sont cédés au cessionnaire de la présente invention, et qui sont incorporés ici à titre de référence dans ce mémoire, décrivent des mécanismes destinés à actionner de façon sélective une soupape. Cette capacité sélective permet au contrôleur 36 (figure 3) de mettre en oeuvre la soupape d'admission commandée par arbre à cames 16 lorsqu'une charge d'air plus importante est nécessaire pour des charges moyennes et élevées du moteur, comme on l'expliquera plus complètement ci-dessous. La soupape d'admission pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire 24 (figure 1A) est actionnée par un électroaimant à noyau plongeur 26. Le brevet des Etats-Unis 4 777 915, qui est également incorporé à titre de référence dans ce mémoire, décrit l'un parmi de nombreux principes permettant d'actionner une soupape à champignon au moyen d'un électroaimant à noyau plongeur. L'homme de l'art se rendra compte à la lecture de cette description que de nombreuses combinaisons différentes de dispositifs du type électroaimant à noyau plongeur ainsi qu'électrohydraulique et hydraulique pourraient être utilisées dans le but d'actionner de façon sélective une soupape de cylindre grâce à une source de puissance autre qu'un arbre à cames de façon que la soupape puisse être mise en oeuvre de façon aléatoire. Un avantage d'une mise en oeuvre de soupape d'admission aléatoire réside dans le fait que l'élimination du chevauchement entre la mise en oeuvre des soupapes d'admission et d'échappement pendant le fonctionnement au ralenti et à faible charge favorisera la stabilité de la combustion, et provoquera des émissions d'hydrocarbures par le moteur réduites, qui apparaissent lorsque le moteur connaît des ratés d'allumage en raison du croisement des soupapes et de l'aspiration qui en découle de gaz d'échappement jusque dans le cylindre. Comme représenté sur la figure 3, le contrôleur 36 met en oeuvre l'admission 1 et l'admission 2. L'admission 1, qui est repérée par la référence numérique 32 sur la figure 3, correspond à la soupape d'admission 16 et à son équipement de mise en oeuvre associé. L'admission 2 correspond à la soupape d'admission 24 et à son matériel de mise en oeuvre associé. Une pluralité de capteurs 38 fournit des informations au contrôleur 36 se rapportant à la charge du moteur et à d'autres paramètres tels qu'on les souhaite, tels que la position du papillon des gaz, la température du réfrigérant du moteur, la température de la charge d'admission, le calage de l'allumage, et d'autres paramètres connus de l'homme de l'art et suggérés par cette description. Dans tous les cas, le principe veut que pour des charges plus faibles du moteur, seule la soupape d'admission pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire 24 sera mise en oeuvre par le contrôleur 36, et la soupape 24 sera ouverte par le contrôleur 36 sur une levée beaucoup plus faible que la soupape 16. Ceci est vrai même si les soupapes 24 et 16 comportent des têtes qui sont approximativement du même diamètre. La mise en oeuvre de la soupape d'admission pouvant être mise en oeuvre de façon aléatoire 24 avec une faible levée permet un mouvement accru de la charge à l'intérieur du cylindre 14, car la charge pénétrant dans le cylindre 14, lorsqu'elle passera par la faible section de passage définie par la soupape 24, sera accélérée, et cela apportera à son tour une énergie cinétique accrue à la charge. Ceci est bénéfice car il en résulte une amélioration de la stabilité de combustion du moteur. Le fait que la soupape 24 ne s'ouvre que sur une faible étendue est en outre bénéfique car cela réduit la quantité d'énergie électrique nécessaire pour actionner la soupape 24. Lorsque la charge du moteur augmentera et que le moteur ne pourra plus aspirer suffisamment de charge fraîche par l'intermédiaire de la soupape 24, la soupape 16 sera actionnée lorsque le contrôleur 36 appliquera un signal à la contre-came sélective 18. A cet instant, la soupape 16 commencera à aller et venir à la manière d'une soupape classique. Si on le souhaite, la soupape 24 peut être fermée à l'instant o la soupape 16 est attaquée de façon à éviter une pointe de couple qui se produirait sinon en raison d'un débit d'air fortement accru à travers les deux soupapes. Ainsi, la soupape 24 sera désactivée lorsque le moteur 10 atteindra un régime de fonctionnement dans lequel le débit d'air maximum à travers la soupape 24 se rapproche du débit d'air à travers la soupape 16. Ensuite, si la charge du moteur augmente davantage, la soupape 24 sera ouverte une fois de nouveau, mais pendant des durées croissantes, de manière à permettre à une charge d'air plus importante de pénétrer dans le moteur. Comme la soupape 24 peut être ouverte de façon aléatoire, il est possible de maintenir la soupape 24 ouverte pendant des durées qui sont en général plus importantes que celles qui seraient possibles si la soupape 24 était commandée par l'arbre à cames 23. Tandis que l'invention a été présentée et décrite dans ses modes de réalisation préférés, il sera évident pour l'homme de l'art auquel elle se rapporte que de nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées à ceux-ci sans s'écarter de la portée de l'invention. Par exemple, on peut utiliser plus d'une soupape d'échappement, et il peut se trouver plus d'une admission qui soit commandée par un moyen autre qu'un arbre à cames, de même que plus d'une soupape d'admission commandée par arbre à cames. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne (10), comprenant: un piston (12) logé avec possibilité de mouvement alternatif à l'intérieur d'un cylindre (14), une première soupape d'admission (16) destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre, ladite première soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par un arbre à cames (23), une seconde soupape d'admission (24) destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre, ladite seconde soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par une source de puissance autre qu'un arbre à cames, et au moins une soupape d'échappement (28) destinée à permettre que les produits de la combustion soient évacués hors du cylindre, ladite au moins une soupape d'échappement étant actionnée par un arbre à cames (22). 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite première soupape d'admission est commandée par une contre- came pouvant être mise en prise de façon sélective (18) commandée par un arbre à cames. 3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite seconde soupape d'admission est commandée par un actionneur alimenté électriquement. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel ledit actionneur alimenté électriquement comprend un électroaimant à noyau plongeur (26). 5. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite seconde soupape d'admission est commandée par un actionneur électrohydraulique. 6. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite première soupape d'admission et ladite soupape d'échappement sont actionnées par un unique arbre à cames. 7. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite première soupape d'admission et ladite soupape d'échappement sont actionnées par des arbres à cames séparés. 8. Moteur selon la revendication 1, dans lequel une charge fraîche n'est admise que par la seconde soupape d'admission pour des charges faibles du moteur, uniquement par la première soupape d'admission pour des charges moyennes du moteur, et par à la fois les première et seconde soupapes d'admission pour des charges élevées du moteur. 9. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ladite seconde soupape d'admission et ladite première soupape d'admission sont des soupapes à champignon comportant des têtes d'un même diamètre, ladite seconde soupape d'admission présentant une levée beaucoup plus faible que la première soupape d'admission. 10. Moteur à combustion interne comportant un système hybride de soupapes de cylindre, ledit moteur (10) comprenant: un piston logé (12) avec possibilité de mouvement alternatif à l'intérieur d'un cylindre (14), une première soupape à champignon d'admission (16) destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre pendant le fonctionnement à des charges moyennes et plus élevées, ladite première soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par un arbre à cames (23), une seconde soupape à champignon d'admission (24) destinée à admettre une charge fraîche dans le cylindre pendant le fonctionnement à des charges plus faibles, ladite 1l seconde soupape d'admission étant actionnée de façon sélective par une source de puissance autre qu'un arbre à cames, et au moins une soupape d'échappement (28) destinée à permettre que les produits de la combustion soient évacués hors du cylindre, ladite au moins une soupape d'échappement étant actionnée par un arbre à cames (22).