Brevet FR2818307A1 — publié le 20020621

La présente invention a trait à un dispositif de distribution variable pour moteurs alternatifs à deux arbres à cames, et notamment à deux arbres à cames en tête. Par distribution on entend, de façon classique, l'ensemble des séquences d'admission et d'échappement pour le ou les cylindres du moteur alternatif. On sait que les performances des moteurs alternatifs sont très dépendantes des positions angulaires du vilebrequin, où les soupapes s'ouvrent et se ferment dans le cycle du moteur, et que le. diagramme de distribution optimal change avec les conditions de fonctionnement, et, en particulier avec le régime et la charge. Cette distribution influence les taux de compression et de détente effectifs, la quantité de gaz brûlés éventuellement recyclés, l'énergie disponible dans les gaz d'échappement, le rendement volumétrique, le frein moteur etc. Il est donc souhaitable de pouvoir modifier, pendant le fonctionnement du moteur, le réglage des angles d'ouverture et de fermeture de la cavité du cylindre. Dans les moteurs où les soupapes sont actionnées, classiquement, par des arbres à cames, on peut équiper ces derniers de moyens de déphasage angulaire par rapport au vilebrequin, qui permettent de décaler simultanément les angles d'ouverture et de fermeture de la soupape actionnée, la durée angulaire d'ouverture, restant, par contre, constante. On a également déjà pensé à régler indépendamment le début et la fin des phases d'admission et d'échappement, et, en conséquence, de faire varier la durée angulaire d'ouverture des soupapes. On a déjà proposé, à cet effet, de commander les soupapes par des moyens électro-hydrauliques, qui permettent de s'affranchir de la géométrie fixe des cames d'arbres à cames. Cependant ces dispositifs de commande sont complexes, coûteux et sujets aux pannes, et ne permettent pas de récupérer la totalité de l'énergie d'ouverture des soupapes, énergie qui se dissipe en chaleur dans le fluide de commande et augmente la consommation de carburant. La présente invention se propose de remédier aux différents inconvénients de l'art antérieur et de fournir une solution extrêmement simple, permettant de faire varier, de façon souple, non seulement les moments d'ouverture et de fermeture des soupapes de la culasse, mais également les durées angulaires pendant lesquelles la cavité de la culasse du cylindre est en relation avec les circuits d'admission ou d'échappement. L'invention a pour objet un dispositif de distribution variable pour moteurs alternatifs à deux arbres à cames, comprenant, pour un même cylindre, au moins deux soupapes d'admission et au moins deux soupapes d'échappement, actionnées par lesdits arbres, ainsi que des moyens de déphasage angulaire pour l'un au moins desdits arbres à cames, caractérisé par le fait que chacun des arbres à cames actionne au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement. L'invention met à profit la configuration de plus en plus fréquente des culasses à quatre soupapes par cylindre et double arbre à cames en tête. L'invention peut être utilisée aussi bien pour les moteurs à cycle à deux temps que pour les moteurs à cycle à quatre temps. Pour des moteurs comprenant plus de quatre soupapes par cylindre, à savoir deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, par cylindre, un même arbre à cames, selon l'invention, peut actionner plus de deux soupapes, étant entendu qu'il actionnera toujours au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement. En général, dans un moteur à quatre soupapes par cylindre, les deux soupapes d'admission et les deux soupapes d'échappement sont disposées côte à côte. Dans le cas où on veut créer un mouvement de rotation de l'air autour de l'axe du cylindre, la présente invention permet que les soupapes d'échappement soient diamétralement opposées entre elles, de même que les soupapes d'admission. L'invention s'applique cependant également au cas où les quatre soupapes ne sont pas quinconcées. Les soupapes d'admission seront fréquemment identiques entre elles, et les soupapes d'échappement également, mais on peut également, notamment dans une forme de réalisation de l'invention dans laquelle on autorise des durées d'ouverture nettement différentes entre l'une des soupapes d'admission et l'autre, ou entre l'une des soupapes d'échappement et l'autre, prévoir que les soupapes aient des dimensions différentes pour améliorer la perméabilité de la cavité de culasse ou pour d'autres raisons. Les moyens de déphasage angulaire peuvent comporter des déphaseurs de tout type déjà connu dans les moteurs à arbres à cames. On préférera cependant utiliser les moyens de déphasage décrits dans le brevet européen 0 388 244 ou le brevet US 5,645, 017 dont le fonctionnement est particulièrement simple et performant. Les paramètres agissant sur les moyens de déphasage pour produire un déphasage angulaire sont, de préférence, la charge ou le couple moteur, ou la vitesse, c'est-à-dire le régime, ou encore une combinaison de ces paramètres. L'invention a également pour objet les moteurs équipés de la distribution selon la présente invention. Elle a également pour objet les procédés de distribution variable pour les moteurs équipés de ce dispositif, ces procédés étant caractérisés en ce que l'on commande, au moins dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, pour un même cylindre, le début des phases d'admission et/ou d'échappement, par une soupape d'admission et/ou d'échappement et la fin desdites phases par l'autre, en modifiant, en marche, par des moyens de déphasage sensibles à un ou des paramètres de fonctionnement du moteur, le déphasage entre les deux soupapes d'admission et/ou le déphasage entre les deux soupapes d'échappement, et donc la durée angulaire de la phase concernée. Par exemple, pour l'optimisation de la respiration d'un moteur à 4 temps on configure le dispositif selon l'invention pour augmenter l'avance d'ouverture d'admission, le retard de fermeture d'échappement, l'avance d'ouverture d'échappement et le retard de fermeture d'admission quand le régime augmente. Pour la rétention de gaz chauds en quantité réglable dans un moteur à 4 temps, notamment diesel, on peut configurer le dispositif pour avancer la fermeture d'échappement et, corrélativement, retarder l'ouverture d'admission sans modifier sensiblement l'ouverture d'échappement et la fermeture d'admission. Pour l'accélération d'un turbocompresseur d'un moteur on peut configurer le dispositif pour avancer l'ouverture d'échappement sans modifier sensiblement la fermeture d'échappement, l'ouverture d'admission et la fermeture d'admission. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé dans lequel : La figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif selon l'invention dans une première forme de réalisation, La figure 2 représente une vue schématique de ce dispositif dans une deuxième forme de réalisation, La figure 3 représente des diagrammes de fonctionnement à bas régime, respectivement à haut régime, du dispositif selon l'invention, utilisé pour optimiser la respiration d'un moteur à 4 temps. La figure 4 représente d'autres diagrammes de fonctionnement à faible charge et à forte charge d'un dispositif selon l'invention utilisé pour recirculer des gaz de combustion du cycle précédent. En se référant à la figure 1 on a représenté schématiquement en vue de dessus, une culasse C d'un cylindre de moteur alternatif à quatre temps muni de quatre soupapes, à savoir deux soupapes d'admission Al, A2 et deux soupapes d'échappement El et E2. Les circuits d'admission et d'échappement n'ont pas été représentés. Ces soupapes sont actionnées par deux arbres à cames en tête AC1 et AC2 muni chacun d'un déphaseur angulaire D1 respectivement D2. Les déphaseurs angulaires peuvent être de n'importe quel type de déphaseur existant déjà dans le commerce. Ils permettent, pendant le fonctionnement du moteur, de décaler angulairement les arbres à cames par rapport à l'arbre moteur en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur. Etant bien connus de l'homme de l'art, ils ne seront pas détaillés davantage. En tant que de besoin, on pourra se référer aux brevets EP 0 388 244 ou US 5,645, 017. Dans la forme de réalisation représentée les soupapes d'admission Al et A2 sont diamétralement opposées et présentent la même dimension. Il en est de même des soupapes d'échappement El et E2. Conformément à la présente invention l'arbre à cames AC1 actionne les soupapes Al et El alors que l'arbre AC2 actionne les soupapes A2 et E2. Dans la réalisation de la figure 2 on a représenté une autre forme de réalisation dans laquelle les soupapes d'admission Al et A2 ne sont pas diamétralement opposées, mais sont situées d'un côté d'un plan médian, de l'autre côté duquel sont situées les soupapes d'échappement El, E2. La soupape d'admission A2 présente une taille et donc un passage plus important que la soupape d'admission Al. De même la soupape d'échappement El présente un diamètre plus important que celui de la soupape d'échappement E2. On désignera, par la suite, par OA, OE, FA, FE, les angles (rapportés au vilebrequin) d'ouverture (OA) et de fermeture (FA) des phases d'admission et d'ouverture (OE) et de fermeture (FE) des phases d'échappement. On a représenté par le tableau 1 ci-dessous deux possibilités de séquences de distribution selon l'invention dans un cycle. Tableau 1 Possibilités Commandées par AC2 Commandées par AC1 1 OA OE FA FE 2 OE FE OA FA D'autres possibilités peuvent être crées en différenciant les durées d'ouverture de A1 et A2 ou de El et E2. Par exemple la figure 4 montre que, sur une première plage de déphasage, AC1 contrôle OE et FE, puis sur une deuxième plage AC1 peut perdre le contrôle de OE au profit de AC2 en conservant le contrôle de FE. Dans la suite de la description, les angles seront exprimés en degrés (0) vilebrequin, c'est-à-dire correspondront à une rotation du vilebrequin. Dans les cas où l'angle indiqué mesure la rotation effective de l'arbre à cames (qui tourne deux fois plus lentement dans un moteur à quatre temps), l'angle sera exprimé en degrés d'arbre à cames (ODC). Une première application de l'invention est d'optimiser la respiration d'un moteur à 4 temps à tous les régimes. On se réfère, à ce sujet, à la figure 3 qui représente un diagramme sur lequel on a représenté d'une part un cycle de distribution à haut régime et d'autre part un cycle de distribution à bas régime, l'axe des abcisses figurant l'angle du vilebrequin avec le point mort haut PMH échappement à 3600, l'axe des ordonnées schématisant la levée de la soupape. La soupape d'admission Al a une durée d'ouverture de 1800, la soupape d'admission A2 ayant une durée d'ouverture de 1600 seulement. La soupape El a, par exemple, dans le cas représenté, une durée d'ouverture seulement de 1600 alors que la soupape d'échappement E2 a une durée d'ouverture de 1800. Lorsque le moteur est à bas régime (diagramme inférieur), les déphaseurs sont réglés pour qu'au point mort bas PMB échappement, c'est-à-dire à 180 , les deux soupapes d'échappement El, E2 s'ouvrent en même temps au moment d'ouverture d'échappement OE. La soupape El se referme donc 20 avant le PMH. La soupape E2 se referme au PMH échappement à 3600 déterminant la fermeture d'échappement FE. Au PMH échappement, au moment où E2 se ferme, a lieu l'ouverture d'admission OA, déterminée par l'ouverture de la soupape d'admission Al, laquelle se refermera à 540 , c'est-à-dire, au point mort bas suivant. L'ouverture de l'autre soupape d'admission A2 est retardée de 200 due la fermeture de la soupape d'échappement E2 actionnée par le même arbre AC2. Il en résulte que la fermeture de la soupape A2 se produira simultanément à la fermeture de la soupape Al, au point FA. Un tel fonctionnement correspond bien à un fonctionnement à bas régime. Il est bien connu que l'accélération d'un tel moteur à quatre temps doit s'accompagner d'une avance angulaire de l'ouverture d'admission et de l'ouverture d'échappement ainsi que d'un retard angulaire de la fermeture d'admission et de la fermeture d'échappement. Par exemple, on peut désirer une avance d'ouverture d'échappement X de 40 et une avance d'ouverture d'admission X/2 de 20 . Les déphaseurs Dl et D2 se trouvent alors actionnés par la détection du régime (diagramme supérieur) et l'ouverture d'échappement OE se fera 400 avant le PMB échappement grâce à l'avance angulaire conférée à la soupape d'échappement E2 par le décalage avant X/2 = 20 DC de l'arbre à cames AC2 qui tourne à la demi vitesse du moteur. La soupape d'admission A2, qui est actionnée par ce même arbre AC2 s'ouvrira donc 400 plus tôt qu'en cas de bas régime, et par conséquence 200 avant le PMH échappement, déterminant ainsi une avance d'ouverture d'admission X/2 = 200. Au contraire l'arbre à cames AC1 est déphasé de 20 DC en arrière, la soupape d'échappement El s'ouvrant alors bien après le début de la phase d'échappement OE. Sa fermeture déterminera par contre la fin de la phase d'échappement FE qui intervient donc 20 après le PMH échappement, soit 400 après l'ouverture d'admission OA. En conséquence on aura obtenu à la fois une avance à l'ouverture échappement et un allongement total de la durée d'échappement qui se termine 200 après le PMH, ce qui facilitera grandement l'échappement et permettra un balayage. De même, l'ouverture d'admission OA aura été avancée de 200 mais la fin de la phase finale d'admission FA sera retardée de 400 après le point mort bas d'admission à 5400. Les régimes intermédiaires correspondront à des déphasages intermédiaires. D'autres procédés de distribution sont évidemment possibles en agissant différemment sur les déphasages des arbres à cames AGI et AC2 et sur la configuration des cames Al, A2, El, E2. On se réfère maintenant à la figure 4. Cette figure concerne plus directement le cas des moteurs diesel 4 temps dans lesquels on souhaite retenir une quantité réglable de gaz brûlés du cycle précédant dans le cylindre, par exemple selon le brevet européen No 0593152. Dans ce but il convient de fermer prématurément la phase d'échappement et de retarder corrélativement l'ouverture de la phase d'admission, les gaz retenus subissant un cycle de compression-détente pour passer le PMH échappement. Plus précisément, dans ce type de moteur, il est avantageux de recycler beaucoup de gaz brûlés à faible charge et peu à forte charge. De plus, la prise de charge doit s'accompagner d'une accélération rapide du turbo-compresseur favorisée par une avance de l'ouverture d'échappement. On a représenté sur le diagramme inférieur de la figure 4 la distribution à forte charge et sur le diagramme supérieur la distribution à faible charge. Dans les cas intermédiaires la distribution sera intermédiaire entre les deux extrêmes représentés. Le volume de gaz chaud retenu dans le cylindre est fixé par la position du piston à FE (fin de la phase d'échappement). La pression, et donc la masse, du gaz retenu monte légèrement avec le régime moteur à cause de la perte de charge croissante à FE. Pour éviter un refoulement de gaz dans la pipe d'admission, il conviendra d'ouvrir la phase d'admission quand la pression dans le cylindre passera sous la pression dans la pipe d'admission. Dans le présent exemple, le recyclage maximum correspond à FE à 700 avant le PMH échappement et le minimum pour 200. A bas régime, et en supposant que la pression soit identique dans les pipes d'admission et d'échappement, OA sera placée symétriquement par rapport au PMH échappement, soit respectivement 700 et 200 après. Avec l'augmentation du régime, il conviendra de retarder simultanément les deux événements. Pour le fonctionnement à faible charge, on a choisi une avance OE de 700 pour entraîner une bonne accélération du turbocompresseur, et un retard FA de 400 qui augmentera avec le régime moteur. Pour le fonctionnement à forte charge, on a choisi une avance OE de 300 et un retard FA non modifié de 400. Ces diagrammes de distribution sont assurés par des arbres à cames AGI et AC2 configurés conformément à la figure 4, soit les durées angulaires d'ouverture suivantes : Al = 1000, A2 = 1500, El = 1800, E2 = 900 (les ouvertures géométriques des cames étant respectivement de 50, 75, 90 et 45 DC). L'arbre AGI porte les cames Al et El avec un espacement angulaire de 70 DC (1400 vilebrequin). L'arbre AC2 porte les cames A2 et E2 avec un espacement angulaire identique. On passe du recyclage maximum au recyclage minimum en déphasant l'arbre AC1 de 25ODC vers le retard et l'arbre AC2 de 25 DC vers l'avance, soit 500 en angle vilebrequin. Les déphasages intermédiaires seront programmés pour tenir compte des besoins du moteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de distribution variable pour moteurs alternatifs à deux arbres à cames (AC1, AC2) comprenant, pour un même cylindre, au moins deux soupapes d'admission (Al, A2) et au moins deux soupapes d'échappement (El, E2) actionnées par lesdits arbres, ainsi que des moyens de déphasage angulaire (Dl, D2) pour l'un au moins desdits arbres à cames, caractérisé par le fait que chacun des arbres à cames actionne au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque arbre à cames (AC1, AC2) est équipé d'un déphaseur (Dl, D2). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la culasse comporte deux soupapes d'admission (Al, A2), côte à côte et deux soupapes d'échappement (El, E2) côte à côte. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la culasse comporte deux soupapes d'admission (Al, A2) diamétralement opposées et deux soupapes d'échappement (El, E2) diamétralement opposées de façon à symétriser les mouvements de gaz par rapport à l'axe du cylindre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les soupapes d'admission (Al, A2) et/ou les soupapes d'échappement (El, E2) ont des durées angulaires d'ouverture différentes. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les soupapes d'admission (Al, A2) et/ou d'échappement (El, E2) ont des dimensions différentes pour optimiser la perméabilité de la cavité de culasse. 7. Moteur équipé d'un dispositif de distribution selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Moteur selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est du type à quatre temps. 9. Moteur selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'il est du type à deux temps. 10. Procédé de distribution variable pour les moteurs selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'on commande, au moins dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, pour un même cylindre, le début des phases d'admission et/ou d'échappement, par une soupape d'admission et/ou d'échappement (Al, El, A2, E2) et la fin desdites phases par une autre soupape d'admission et/ou d'échappement (Al, El, A2, E2), en modifiant, en marche, le déphasage entre les deux soupapes d'admission (Al, A2) et/ou le déphasage entre les deux soupapes d'échappement (El, E2), et donc la durée angulaire de la phase concernée, par des moyens de déphasage (Dl, D2) sensibles à un ou des paramètres de fonctionnement du moteur. 11. Procédé selon la revendication 10 pour l'optimisation de la respiration d'un moteur à 4 temps caractérisé par le fait de configurer le dispositif selon l'une des revendications 2 à 6 pour augmenter l'avance d'ouverture d'admission (OA), le retard de fermeture d'échappement (FE), l'avance d'ouverture d'échappement (OE) et le retard de fermeture d'admission (FA), quand le régime augmente. 12. Procédé selon la revendication 10 pour la rétention de gaz chauds en quantité réglable dans un moteur à 4 temps, notamment diesel, caractérisé par le fait de configurer le dispositif selon l'une des revendications 2 à 6 pour avancer la fermeture d'échappement (FE) et, corrélativement, retarder l'ouverture d'admission (OA) sans modifier sensiblement l'ouverture d'échappement (OE) et la fermeture d'admission (FA). 13. Procédé selon la revendication 10 pour l'accélération d'un turbocompresseur d'un moteur caractérisé par le fait de configurer le dispositif selon l'une des revendications 2 à 6 pour avancer l'ouverture d'échappement (OE) sans modifier sensiblement la fermeture d'échappement (FE), l'ouverture d'admission (OA) et la fermeture d'admission (FA).