Brevet FR2827906A1 — publié le 20030131

Dispositif d'évacuation de gaz de combustion d'un moteur thermique, culasse et moteur thermique associés. La présente invention concerne le domaine de l'évacuation de gaz de moteur thermique, plus particulièrement de moteur thermique pourvu de soupapes d'échappement à actionnement électrique ou électrohydraulique, également dit"sans cames". Dans les systèmes sans cames à commande électromagnétique, une palette de commande de soupape est alternativement bloquée par des électroaimants qui s'opposent à deux ressorts antagonistes, l'un étant comprimé pendant que l'autre est détendu et vice versa. Ce système est particulièrement économe en énergie. Cependant, l'existence d'une différence de pression entre les faces de la tête de la soupape d'échappement, à savoir la face du côté de la chambre de combustion et la face du côté du collecteur d'échappement, génère un effort qui s'oppose à leur ouverture. Le travail de ces forces de pression sur les soupapes d'échappement est un élément important pour le dimensionnement de l'actionneur et la consommation énergétique du système. L'invention propose un dispositif d'évacuation de gaz de combustion à consommation d'énergie réduite, et à actionneur de faible dimensionnement. Le dispositif d'évacuation de gaz de combustion issu d'un moteur thermique, selon un aspect de l'invention, comprend au moins une soupape à actionnement électrique. La soupape comprend une tête d'obturation et une queue de commande. Le dispositif comprend une pluralité de soupapes d'échappement, au moins une soupape d'échappement présentant une tête de diamètre différent du diamètre de la tête des autres soupapes d'échappement. Avantageusement, le dispositif comprend deux soupapes d'échappement pourvues de têtes de diamètres différents. Dans un mode de réalisation de l'invention, la différence de diamètre entre les têtes de soupapes d'échappement est comprise entre 0,2 et 3 mm, préférablement entre 0,6 et 1,6 mm, par exemple de l'ordre de 1 mm. Le dispositif d'évacuation de gaz de combustion issus d'un moteur thermique, selon un aspect de l'invention, comprend au moins une soupape à actionnement électrique qui comprend une tête d'obturation et une queue de commande. Le dispositif comprend une pluralité de soupapes d'échappement, au moins une soupape d'échappement présentant un angle d'ouverture différent de l'angle d'ouverture de la tête des autres soupapes d'échappement. L'angle d'ouverture est ici référencé par rapport à l'angle du vilebrequin du moteur thermique. Avantageusement, le dispositif comprend un moyen de commande desdites soupapes d'échappement apte à provoquer une ouverture décalée d'au moins une soupape d'échappement. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'ouverture d'au moins une soupape d'échappement est décalée d'un angle compris entre - 60 et + 60, préférablement entre 0 et + 6 . Avantageusement, une soupape d'échappement de diamètre inférieur à celui d'autres soupapes d'échappement présente un angle d'ouverture avancé par rapport à l'angle d'ouverture desdites autres soupapes d'échappement. Le dispositif d'évacuation de gaz de combustion pourra comprendre au moins un actionneur électromagnétique par soupape et au moins un ressort par soupape. Plus particulièrement, il peut être prévu une palette de commande et au moins deux électroaimants, chacun associés à un ressort antagoniste. L'invention propose également une culasse équipée d'un dispositif tel que décrit ci-dessus. La culasse peut également comprendre une ou plusieurs soupapes d'admission. L'invention propose également un moteur thermique comprenant une culasse et un dispositif d'évacuation des gaz de combustion tel que ci-dessus. Le moteur pourra être équipé d'un superviseur apte à commander les actionneurs des soupapes d'échappement. Le superviseur pourra comprendre un microprocesseur, au moins une mémoire, un bus de communication entre ces éléments et un ou plusieurs logiciels stockés en mémoire et aptes à être exécutés par le microprocesseur pour la commande desdits actionneurs. Les différentes influences présentées dans les paragraphes suivants sont réalisées en déphasant le profil de la loi de levée de la soupape d'échappement B par rapport à la loi de levée de la soupape d'échappement A. Les calages de la distribution d'avance à l'ouverture de la soupape d'échappement (AOE) et de retard à la fermeture de la soupape d'échappement (RFE) de la soupape B sont donc modifiés pour chaque déphasage par rapport aux valeurs de base de la soupape A. Les déphasages de la soupape B par rapport à la soupape A sont, à titre d'exemple, de 2, 4, 6 degrés vilebrequin par rapport aux valeurs initiales des calages optimisés. On se contentera d'estimer les efforts sur les soupapes d'échappement seulement sur le point de fonctionnement moteur qui correspond au régime de sa puissance maximale. Le tableau ci-dessous présente les écarts de pression cylindre et de pression échappement pour les deux cas extrêmes de déphasage de l'ouverture des soupapes et le cas avec ouverture simultanée des soupapes, ceci au moment de l'ouverture de chaque soupape d'échappement. Les résultats du déphasage de la loi de levée de la soupape B par rapport à la soupape A sont intéressants. En effet, un déphasage positif de 6 vilebrequin entraîne une réduction de l'écart entre la pression cylindre et la pression échappement de 2 mbar sur la soupape A et de 529 mbar sur la soupape B au moment de l'ouverture. Ceci permet de diminuer les efforts au niveau des soupapes donc favorise la levée de celles-ci. En revanche, un déphasage négatif de la soupape B induit une augmentation de la pression exercée sur celle-ci lors de son ouverture alors que la pression exercée sur l'autre soupape diminue légèrement. Déphasage = - 60 vilebrequin Déphasage = + 60 vilebrequin Pressions à l'ouverture à l'ouverture de à l'ouverture de à l'ouverture de à l'ouverture de Soupape A Soupape B Soupape A Soupape B APéch (mbar)-11 38-1-57 APcyl (mbar)-56 639-3-586 APcyl (mbar)-APéch-46 601-2-529 (mbar) L'effort résultant de la pression des gaz sur la soupape est calculé d'une manière simplifiée par : avec : Fsou : Effort sur la soupape résultant de la pression des gaz Pcyl : Pression instantanée dans le cylindre Scyl : Surface de la tête côté chambre de combustion (avec un diamètre par exemple de 27 mm) Pco : Pression instantanée dans le conduit échappement Sco : Surface du conduit-Surface de la queue de soupape (avec un diamètre par exemple de 5,5 mm) Le travail des forces de pression au cours de la levée de la soupape (transition levée nulle à levée max) s'en déduit alors par une simple intégration de l'effort en fonction de la levée. La différence de pression sur la soupape B, dans le cas déphasé extrême de l'ouverture des soupapes (+ 60 vilebrequin), est plus faible que celle du cas avec ouverture simultanée des soupapes. C'est le contraire pour la soupape A non déphasée. On remarque les mêmes évolutions pour les efforts"vus"par les soupapes. En fait, pour un déphasage positif, la première soupape A qui s'ouvre ne bénéficie pas de la fuite de pression de la soupape B adjacente et de ce fait travaille plus. Dès que la deuxième soupape s'ouvre, la fuite de cette soupape prend effet. En revanche, la soupape B qui s'ouvre plus tard, se trouve dans une situation plus favorable, la pression du cylindre étant diminuée lors de l'ouverture de la première soupape A. Le travail de la deuxième soupape B est alors moindre. Au final, le bilan du travail de l'ensemble des deux soupapes d'échappement diminue. Pour un déphasage de + 60 vilebrequin, on diminue le travail sur l'ensemble des deux soupapes d'environ 2%. Le rendement volumétrique reste quasiment identique. Pour une diminution du diamètre de 1 mm de la soupape B, la différence de pression sur les soupapes A et B est légèrement plus faible au début de la levée que celle du cas avec le même diamètre pour toutes les deux soupapes. Cependant, elle augmente légèrement aussitôt après. L'effort"vu"par la grosse soupape A est légèrement augmenté et de ce fait son travail. En revanche, le diamètre de la deuxième soupape B étant plus petit, l'effort"vu"par la soupape B est nettement inférieur par rapport au cas avec le même diamètre pour les deux soupapes. Au final, le bilan énergétique est positif et le travail de l'ensemble des deux soupapes d'échappement diminue d'environ 2%. Une variante consiste à dissymétriser les diamètres des deux soupapes d'échappement et en même temps déphaser leurs angles d'ouverture et anticiper l'ouverture de la petite par rapport à la grosse. Dans le cas déphasé extrême de l'ouverture des soupapes (+ 6 vilebrequin), la différence de pression Pcyl-Péch au cours de la levée de la soupape B est plus faible que celle du cas avec ouverture simultanée des soupapes symétriques. C'est le contraire pour la soupape A. Le bilan énergétique est cependant positif. La combinaison d'une dissymétrie des soupapes avec un déphasage de l'AOE nous permet de diminuer la somme du travail des deux soupapes d'environ 4%. L'effort sur la petite soupape B au moment de l'ouverture est diminué d'environ 20%, l'effort sur la grosse soupape restant le même. Une autre possibilité pour diminuer le travail des soupapes est de retarder l'ouverture des deux soupapes simultanément. Pour chaque soupape, un retard de l'AOE de 50 vilebrequin permettrait un gain en travail de 3,5% et un retard de 100 vilebrequin un gain 7% ; pour une perte en remplissage respectivement d'environ 0,4 et 1%. On peut également envisager un premier retard de l'AOE pour une petite soupape et un deuxième retard de l'AOE pour la grande soupape, le deuxième retard étant supérieur au premier. On voit donc qu'il est particulièrement intéressant de faire fonctionner un moteur thermique dont la chambre de combustion de chaque cylindre est pourvue de soupapes d'échappement présentant des diamètres différents les uns des autres avec un décalage à l'ouverture entre lesdites soupapes. Il convient préférablement d'anticiper l'ouverture de la petite soupape par rapport à la plus grande et ce pour des pertes lors du remplissage de la chambre de combustion qui restent extrêmement faibles, inférieures ou égales à 4/1000. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'évacuation de gaz de combustion issus d'un moteur thermique, comprenant au moins une soupape à actionnement électrique, la soupape comprenant une tête d'obturation et une queue de commande, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de soupapes d'échappement, au moins une soupape d'échappement présentant une tête de diamètre différent du diamètre de la tête des autres soupapes d'échappement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux soupapes d'échappement pourvues de têtes de diamètres différents. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la différence de diamètre entre les têtes de soupapes d'échappement est comprise entre 0,2 et 3 mm, préférablement entre 0,6 et 1,6 mm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de soupapes d'échappement, au moins une soupape d'échappement présentant un angle d'ouverture différent de l'angle d'ouverture de la tête des autres soupapes d'échappement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de commande desdites soupapes d'échappement apte à provoquer une ouverture décalée d'au moins une soupape d'échappement. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'ouverture d'au moins une soupape d'échappement est décalée d'un angle compris entre-6 et +6 . 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une soupape d'échappement de diamètre inférieur à celui d'autres soupapes d'échappement présente un angle d'ouverture avancé par rapport à l'angle d'ouverture des autres soupapes d'échappement. 8. Culasse comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Moteur thermique comprenant une culasse selon la revendication 8.