Brevet FR2786810A1 — publié le 20000609

I Etat de la technique. La présente invention concerne un dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combus- tion interne comprenant au moins deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement par chambre de combustion du mo- teur ainsi équipé, chaque soupape ayant un organe coulissant axialement dont l'extrémité tournée vers la chambre de com- bustion comporte une tête de soupape avec une surface d'étanchéité qui coopère avec un siège de soupape de la cu- lasse, pour commander la section d'admission ou d'échappement de la chambre de combustion, et l'organe comportant, à son extrémité éloignée de la chambre de combustion, un dispositif d'actionnement, de préférence un dispositif électrohydrauli- que pour l'actionnement de la soupape d'échange de gaz. Un tel dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz connu selon le document DE-32 43 013-C2 com- prend deux groupes de soupapes par chambre de combustion du moteur à combustion interne; les tiges des soupapes sont lo- gées dans la culasse du moteur. Dans les dispositifs connus, il y a chaque fois deux soupapes d'échappement et deux soupa- pes d'admission par chambre de combustion d'un cylindre du moteur. Les soupapes comportent un organe en forme de champi- gnon, coulissant axialement, dont l'extrémité, tournée vers la chambre de combustion, porte une tête de soupape pénétrant dans la chambre de combustion du moteur et dont la surface, du côté de la culasse, présente une surface d'étanchéité. Les têtes de soupape coopèrent avec cette surface d'étanchéité pour commander la section d'admission ou d'échappement de la chambre de combustion grâce à un siège de soupape appartenant à la culasse et qui se poursuit par des canaux d'admission ou d'échappement. L'extrémité des organes de soupape éloignée de la chambre de combustion des soupapes d'admission ou d'échappement sont soumis à l'action d'un actionneur qui com- mande ces soupapes d'échange de gaz. Cette installation de commande ou actionneur peut être constituée de manière habituelle d'un entraînement par cames; il est toutefois également connu, par exemple selon le document DE-195 11 320-C2, de réaliser cette installation Im li d'actionnement sous la forme d'une installation électrohy- draulique permettant de commander séparément chaque soupape d'échange de gaz indépendamment de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. Cette commande séparée des sou- papes offre l'avantage de pouvoir supprimer la régulation usuelle par volet d'étranglement car on peut choisir libre- ment la course et l'instant d'ouverture et l'instant de fer- meture des soupapes d'échange de gaz ce qui permet de réaliser une commande totalement variable des soupapes d'échange de gaz du moteur à combustion interne à l'aide de telles installations d'actionnement électrohydrauliques. Selon le document DE-32 43 013-C2, il est connu de réaliser des têtes de soupape d'admission et de soupape d'échappement, de mêmes dimensions; les différentes soupapes d'échange de gaz peuvent être commandées indépendamment par un procédé d'actionnement tel que décrit dans le document DE- 11 320-C2. L'alimentation de commande hydraulique néces- saire à cette commande des actionneurs est assurée par des électroaimants. Ces dispositifs de commande, variables, des sou- papes d'échange de gaz, présentent toutefois la difficulté que l'établissement de faible charge (par exemple au ralenti) du fonctionnement du moteur à combustion interne sans volet d'étranglement nécessite des courses de soupapes très faibles pour les organes de soupapes d'admission. Or, de tels mouve- ments de course de soupapes faibles des organes de soupapes d'échange de gaz ne peuvent se réaliser qu'avec des électro- vannes très rapides ayant des flancs de commutation très rai- des. Mais l'inconvénient de cette solution est que de tels flancs de commutation raides nécessitent des puissances électriques élevées qui augmentent la consommation en énergie de l'ensemble de la commande des soupapes et se répercutent de manière négative sur le rendement de la commande des sou- papes. De plus, les flancs de commutation raides des électro- vannes engendrent des oscillations de pression dans le circuit hydraulique produisant des pointes de pression très importantes; celles-ci nécessitent à leur tour un dimension- I MBIIL nement solide, coûteux, des pièces. De plus, les pointes de pression des oscillations de pression engendrent une forte émission de bruit nécessitant des moyens compliqués pour l'isolation phonique. Les soupapes d'échange de gaz d'échappement de construction connue présentent la difficulté que l'ouverture des organes de soupape d'échappement doit se faire en agis- sant contre la pression résiduelle dans la chambre de combus- tion des cylindres du moteur à combustion interne; or, cette pression augmente notamment avec la charge du moteur à com- bustion interne et lorsque le moteur travaille en frein mo- teur, cette pression peut prendre des valeurs très élevées. En conséquence, il faut que la pression hydraulique du sys- tème d'actionnement commandant les organes de soupape d'échange de gaz d'échappement soit très élevée pour que la force d'ouverture ainsi engendrée par l'actionneur soit beau- coup plus élevée que la force engendrée par la pression de la chambre de combustion, qui s'exerce sur la tête des organes de soupape d'échappement et s'oppose au début à l'ouverture des soupapes d'échappement. Pour garantir l'ouverture de l'organe de soupape d'échappement sous une charge élevée et au régime faible ou lorsque le moteur travaille en frein mo- teur, il faut une pression hydraulique considérablement plus élevée qu'aux faibles charges appliquées au moteur à combus- tion interne car dans ce cas il suffit d'une pression hydrau- lique considérablement plus faible pour la commande des soupapes d'échange de gaz en synchronisme avec le régime du moteur. Le fait décrit ci-dessus augmente d'autant la puis- sance d'entraînement nécessaire fournie aux organes de sou- pape d'échange de gaz pour les soupapes d'échappement; cela influence une nouvelle fois de manière négative le rendement du dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz. Avantages de l'invention. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combus- tion interne, du type ci-dessus, caractérisé en ce que les têtes de soupape des soupapes d'admission ont des diamètres IImIIu" différents et les têtes de soupape des soupapes d'échappement ont des diamètres différents. L'utilisation de têtes de soupape de tailles dif- férentes à la fois pour l'admission et pour l'échappement, diminue l'énergie consommée pour l'actionnement des organes de soupape. De plus, cela diminue le bruit engendré par le fonctionnement en diminuant les oscillations de pression et réduit le coût des pièces par un dimensionnement plus favora- ble des différents composants. Selon l'invention, il est particulièrement avan- tageux que le rapport des diamètres entre la grande et la pe- tite tête de soupape d'admission soit supérieur à 1,5/1 pour permettre aux faibles charges, appliquées au moteur à combus- tion interne, de couper la soupape d'admission à grande tête et de commander l'alimentation en gaz frais uniquement par la soupape d'admission dont la tête a le plus petit diamètre et qui peut ainsi être commandée avec une course beaucoup plus importante pour l'organe de soupape. Ce mouvement plus impor- tant pour la course de l'organe de soupape permet avantageu- sement d'utiliser des électrovannes à commutation plus lente avec des flancs de commutation plus plats ayant l'avantage de demander moins d'énergie et d'être moins encombrantes tout en évitant le bruit. Il est en outre possible ou en variante de mas- quer, du côté de la chambre de combustion, la tête de soupape d'admission de petit diamètre pour les petites courses de soupape, ce qui permet une nouvelle augmentation de la course de la soupape aux faibles charges. L'utilisation simultanée de diamètres différents pour les têtes de soupape des deux organes de soupape d'échappement (de préférence avec un rapport de diamètre d'au moins 2/1) permet, de plus, d'abaisser la pression d'actionnement minimale, hydraulique, nécessaire, fonction- nellement, pour ouvrir les soupapes d'échappement. Dans ce cas, on commande l'ouverture d'abord de la soupape d'échappement dont la tête de soupape est la plus petite et qui est ainsi soumise à la plus petite force antagoniste puis lorsque la pression résiduelle dans la chambre de combustion I MBIlI du cylindre a diminué, on commande l'ouverture de la seconde soupape d'échappement ayant la plus grande tête de soupape. Cela se traduit de nouveau par un abaissement de la puissance d'entraînement hydraulique, nécessaire, ce qui se répercute positivement sur la consommation globale d'énergie du dispo- sitif de commande des soupapes et ainsi sur le rendement. De plus, au bas régime et/ou faible charge, c'est-à-dire pour des points de fonctionnement avec une pres- sion antagoniste relativement faible exercée par les gaz d'échappement au moment de l'ouverture de la soupape d'échappement, il est possible de n'actionner qu'une soupape d'échappement, ce qui réduit d'autant la puissance demandée par le dispositif de commande. En évitant les fortes pointes de pression par les oscillations de pression dans le circuit hydraulique, on peut en outre abaisser de manière significative le niveau de bruit émis par le dispositif de commande. L'utilisation de soupapes d'admission de petites surfaces dans la plage des charges partielles et de la charge maximale du moteur à combustion interne permet d'augmenter avantageusement la vitesse d'entrée qui favorise la prépara- tion du mélange, permet un meilleur mouvement de la charge dans la chambre de combustion et augmente le rendement d'alimentation. Un autre avantage du dispositif de commande de l'invention pour les soupapes d'échange de gaz résulte du montage alterné des soupapes d'admission et d'échappement dans la culasse si bien que la surface disponible peut s'utiliser de manière optimale pour le dimensionnement des têtes de soupape. Il est en outre particulièrement avantageux de prévoir deux bougies d'allumage par chambre de combustion qui sont de préférence placées dans la zone de la nervure de paroi subsistant entre deux grandes têtes de soupape et une petite tête. Pour utiliser de façon optimale les possibilités d'abaissement de la consommation en énergie grâce à des têtes de soupape de tailles différentes, au niveau des groupes de soupapes, il est en outre nécessaire que la stratégie de com- Iml11: mande correspondante des différents dispositifs d'actionnement des soupapes soit adaptée à la plus petite pression hydraulique et aux électrovannes les plus lentes. La variante de réalisation exposée dans la des- cription du dispositif de commande de soupape d'échange de gaz selon l'invention montre ainsi chaque fois deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement ainsi que deux bougies d'allumage par chambre de combustion mais il est éga- lement possible en variante de prévoir d'autres soupapes, par exemple une petite soupape d'échappement supplémentaire pour la fonction de frein moteur alors que la section globale d'ouverture des soupapes d'admission peut être réalisée plus grande que la section d'ouverture globale des soupapes d'échappement. De plus, il est possible, à la place de la se- conde bougie, d'intégrer un injecteur débouchant directement dans la chambre de combustion du moteur. Dessins. Un exemple de réalisation d'un dispositif de com- mande des soupapes d'échange de gaz selon l'invention appli- qué à un moteur à combustion interne sera décrit ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie de la culasse du moteur à combustion interne au niveau d'une chambre de combustion de cylindre avec deux soupapes d'échange de gaz représentées schématiquement à l'intérieur de la chambre de combustion, la figure 2 est une vue de dessous des têtes de soupape des différents organes de soupapes d'échange de gaz selon une vue simplifiée. Description de l'exemple de réalisation. La figure 1 montre schématiquement un dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz d'un moteur à com- bustion interne. Une culasse 1 du moteur à combustion interne est représentée coupée au niveau d'une chambre de combustion 3 d'un cylindre; à ce niveau débouche un canal d'admission 5 et un canal d'échappement 7. Deux groupes de soupapes d'échange de gaz débouchent dans cette chambre de combustion 3; la figure 1 montre seulement chaque fois une soupape I-IIli d'admission 9 et une soupape d'échappement 11. De plus, dans l'exemple de réalisation, on a deux soupapes d'admission 9 et deux soupapes d'échappement 11 pour chaque chambre de combus- tion 3 du moteur à combustion interne; pour cela on se re- portera à la réalisation et à la disposition représentées à la figure 2. Les soupapes d'échange de gaz 9, 11 comportent chacune un organe de soupape ou tige de soupape 13, coulis- sant, dont l'extrémité située du côté de la chambre de com- bustion comporte une tête de soupape 15. La surface frontale de la tête de soupape 15, non tournée vers la chambre de com- bustion, présente chaque fois une surface d'étanchéité 17 par laquelle la tête de soupape 13 coopère avec un siège de sou- pape 19 appartenant à la culasse, pour commander la section d'admission ou la section d'échappement à l'embouchure du ca- nal d'admission 5 ou du canal d'échappement 7 dans la chambre de combustion 3. Les extrémités des tiges de soupape, non si- tuées du côté de la chambre de combustion, pénètrent dans une installation d'actionnement électrohydraulique 21 non repré- sentée en détail dans le dessin et permettant de commander séparément, de façon indépendante, les différentes têtes de soupape. Cette installation d'actionnement électrohydrau- lique comprend de préférence un piston d'actionnement délimi- tant des chambres actives hydrauliques; ce piston est relié à la tige de soupape d'échange de gaz 13 et coulisse axiale- ment à travers la chambre hydraulique que l'on remplit et que l'on décharge. La commande des chambres actives hydrauliques est faite par des actionneurs électriques, de préférence des électrovannes, qui sont commandés séparément par un appareil de commande électrique traitant un paramètre de fonctionne- ment du moteur à combustion interne qu'il faut alimenter. Pour réaliser une telle installation d'actionnement électro- hydraulique, on se reportera au document DE 19 511 320 C2 qui décrit déjà à titre d'exemple une telle installation d'actionnement, connue. Pour diminuer la consommation en énergie de l'installation d'actionnement 21 et permettre d'actionner cette installation avec des électrovannes à commutation à vi- Im11i tesse normale sur une course relativement importante des ti- ges de soupape 13, le dispositif selon l'invention pour la commande des soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combus- tion interne (comme le montre la figure 2) comporte des têtes de soupape 15 de tailles différentes pour les différents groupes de soupapes d'admission 9 et de soupapes d'échappement 11; dans l'exemple de réalisation, on a chaque fois deux soupapes d'admission 9 et deux soupapes d'échappement 11 par chambre de combustion 3 du moteur à com- bustion interne alimenté. Les soupapes d'admission 9 ont des têtes de soupape 15 de diamètres différents; une première tête de soupape d'admission 23 présente une surface de tête significativement plus importante qu'une seconde tête de sou- pape d'admission 25 plus petite. De même, une première tête de soupape d'échappement 27, grande, présente une surface si- gnificativement plus importante qu'une seconde tête de sou- pape d'échappement 29, petite. Le rapport des diamètres des grandes têtes de soupape 23, 27, vis-à-vis des petites têtes de soupape 25, 29 est de préférence égal à au moins 1,5:1. Les différentes têtes de soupape 23, 25, 27, 29 coopèrent chaque fois avec des surfaces de siège de soupape 19 de dimensions correspondantes; des canaux d'admission 5 et d'échappement 7 de section appropriée font suite au siège de soupape. Pour utiliser de manière optimale la surface dis- ponible dans la culasse 1 au niveau de la chambre de combus- tion 3 pour dimensionner les têtes de soupape 15, on alterne la position des soupapes d'admission 9 et des soupapes d'échappement 11 pour avoir dans la direction périphérique, vis-à-vis de la chambre de combustion cylindrique 3, chaque fois une tête de soupape 15 de grand diamètre correspondant à un premier type de soupape et une tête de soupape 15 de petit diamètre correspondant au second type de soupape. Ainsi, la section totale des soupapes d'admission 9 est globalement plus grande que la section globale des soupapes d'échappement 11. Pour optimiser l'allumage du carburant, dans l'exemple de réalisation décrit, on a deux bougies d'allumage 31 débou- chant dans la chambre de combustion 3 du moteur à combustion interne; on a chaque fois une bougie d'allumage 31 au-dessus i11mili de l'axe longitudinal 33 du moteur et une seconde bougie 31 en dessous de cet axe longitudinal. Grâce aux soupapes d'admission et d'échappement 9, 11 à têtes de soupape 15 de dimensions différentes il est possible de commander les actionneurs hydrauliques 21 des différentes tiges de soupape 13 (ou organes de soupape) pour qu'aux faibles charges du moteur à combustion interne, seule la tige de la soupape d'admission de petit diamètre 25 soit actionnée; cette commande permet alors une course d'ouverture relativement grande pour la tige ou organe de soupape 13 de cette soupape d'admission 9. Aux charges plus importantes on actionne de manière habituelle les deux soupa- pes d'admission 9. De plus, il est possible qu'aux pressions internes très élevées dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne, à la suite de la combustion, on ouvre tout d'abord seulement la soupape d'échappement 11 dont la tête 29 a le plus petit diamètre alors que l'ouverture de la seconde tête de soupape 27 de grand diamètre ne se fait qu'après une diminution définie de la pression interne de la chambre de combustion du moteur à combustion interne. Cela permet également de diminuer les forces d'actionnement néces- saires aux soupapes d'échappement 11 pour agir contre les pressions antagonistes très élevées régnant dans la chambre de combustion 3, par rapport aux électrovannes connues et ce- la de manière simple. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Dispositif de commande des soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combustion interne comprenant au moins deux soupapes d'admission (9) et deux soupapes d'échappement (11) par cham- bre de combustion (3) du moteur ainsi équipé, chaque soupape ayant un organe (13) coulissant axialement dont l'extrémité tournée vers la chambre de combustion comporte une tête de soupape (15) avec une surface d'étanchéité (17) qui coopère avec un siège de soupape (19) de la culasse, pour commander la section d'admission ou d'échappement de la chambre de com- bustion (3), et l'organe comportant, à son extrémité éloignée de la chambre de combustion, un dispositif d'actionnement (21), de préférence un dispositif électrohydraulique pour l'actionnement de la soupape d'échange de gaz, caractérisé en ce que les têtes de soupape (15) des soupapes d'admission (9) ont des diamètres différents et les têtes de soupape (15) des soupapes d'échappement (11) ont des diamètres différents. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport des diamètres entre une grande tête de soupape d'admission (23) et une petite tête de soupape d'admission (25) ainsi qu'entre une grande tête de soupape d'échappement (27) et une petite tête de soupape d'échappement (29) corres- pond à au moins 1,5:1. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section totale d'ouverture des soupapes d'admission (9) est supérieure à la section totale d'ouverture des soupapes d'échappement (11). 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les soupapes d'admission (9) et les soupapes d'échappement (11) sont juxtaposées de manière alternée par rapport à leur taille dans la culasse (1) du moteur à combustion interne. Imll,I il ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisée par deux bougies d'allumage (31) par chambre de combustion (3), ces bougies étant situées chaque fois dans la zone de nervure de paroi formée entre de préférence chaque fois les deux grandes têtes de soupape (23, 27) et l'une des petites têtes de soupape (25, 29). 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la zone de fonctionnement des faibles charges du moteur à combustion interne, seule la soupape d'admission (9), dont la tête (25) a le diamètre le plus petit, est actionnée. 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' aux fortes pressions intérieures dans la chambre de combus- tion (3) du moteur alimenté, tout d'abord seulement la sou- pape d'échappement (11) de petit diamètre de tête de soupape (29) est commandée alors que l'ouverture de la tête de sou- pape d'échappement (27) de grand diamètre se fait seulement après un abaissement déterminé de la pression régnant dans la chambre de combustion (3) du moteur à combustion interne. IM19UI