Brevet FR2843997A1 — publié le 20040305

Système de distribution à calage et étalement variable pour la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne. La présente invention concerne un système de distribution dit à calage et étalement variable, pour la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne. L'invention s'adresse aux moteurs Diesel ou à allumage commandé, et concerne donc particulièrement le remplissage en air, ou mélange air-essence, des cylindres de ces moteurs. De manière générale, on sait que ces moteurs sont limités en termes de performance en raison d'un remplissage en air des cylindres non optimisé sur toute la plage de régime et de charge. La commande 15 d'ouverture des soupapes d'admission et d'échappement à calage fixe est une raison de ces problèmes. En effet, les techniques de commande de soupapes les plus répandues sont soit une distribution avec un seul arbre à came qui commande à la fois une (ou plusieurs) soupape(s) d'admission et une (ou plusieurs) soupape(s) d'échappement d'un ensemble de cylindres, soit une distribution avec un premier AAC qui commande une (ou plusieurs) soupape(s) d'admission et un second AAC qui commande une (ou 25 plusieurs) soupapes d'échappement de cet ensemble de cylindres. Dans tous les systèmes utilisant un ou deux arbres à cames entraînés en synchronisme par le 30 vilebrequin, la loi de déplacement des soupapes en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin est figée, condamnant donc les soupapes à s'ouvrir et se fermer de manière identique, c'est-à-dire avec la même cinématique et avec un déphasage constant par 5 rapport à la position angulaire du vilebrequin, quel que soit le régime du moteur. On comprend aisément que le remplissage en air des cylindres ne soit pas optimal puisqu'il s'effectue alors sans tenir compte de la cinétique d'écoulement des gaz. 10 Pour tenter de remédier à ce problème, il a déjà été proposé depuis longtemps des systèmes appelés de manière générale à "distribution variable", visant à permettre une adaptation de la 15 cinématique des soupapes en fonction notamment du régime du moteur. De nombreux brevets ont déjà été déposés sur des distributions dites "à calage variable" sur les 20 moteurs Diesel ou à allumage commandé. Il s'agit en général de commander une variation du calage angulaire de l'arbre à came par rapport au vilebrequin, en fonction du régime moteur ou d'autres paramètres, en particulier de la charge du moteur. 25 Par exemple, on va chercher à avancer la fermeture de la soupape d'admission à bas régime pour éviter que la remontée du piston ne renvoie une partie de l'air aspiré dans la conduite d'admission avant que la soupape ne soit totalement fermée, ou retarder cette 30 fermeture à plus haut régime pour profiter autant que possible de l'inertie d'écoulement de l'air aspiré dans le cylindre pour optimiser le remplissage de celui-ci. Il a déjà été proposé pour cela, par exemple dans les documents EP-0254058, FR-2649443, FR2644543, des systèmes décaleurs d'arbre à came, permettant de faire varier de manière continue le 5 déphasage angulaire entre vilebrequin et arbre à came. D'autres systèmes ont aussi été proposés, visant à simplifier ces décaleurs à variation continue, en ne fournissant que des déphasages discrets, en général à deux positions alternatives. 10 Dans d'autres systèmes encore, on utilise, pour commander une même soupape, des cames différentes en fonction du régime moteur. Il est aussi rappelé ici que le taux de 15 compression est couramment considéré être le rapport entre le volume de la chambre de combustion quand le piston est au point mort bas et le volume de la chambre lorsque le piston est au point mort haut. Ce taux de compression dit "normal", ou géométrique, 20 exprime effectivement le strict rapport des volumes entre piston et culasse entre le point mort bas et le point mort haut. Mais ce rapport n'est pas réellement représentatif d'un taux de compression dès lors que la ou les soupape(s) d'admission ne sont pas 25 totalement fermées au moment o le piston commence sa remontée dans la phase de compression. C'est pourquoi on définit un taux de compression effectif qui prend en compte le volume de la chambre de combustion au moment o toutes les soupapes sont fermées, c'est-à30 dire au point de retard à la fermeture à l'admission, au lieu du volume au point mort bas. L'inconvénient de la technique consistant à utiliser un décaleur d'arbre à came est de limiter son effet à un déphasage angulaire de l'arbre à came, mais sans pouvoir faire varier l'étalement d'ouverture des soupapes d'admission ou d'échappement. Autrement dit, si l'on considère par 5 exemple une soupape d'admission, il est possible de commander un décalage conduisant à un retard à la fermeture important, conduisant à une réduction du taux de compression effectif, mais comme la soupape s'ouvre alors aussi avec un retard important, cela a 10 une forte incidence sur l'écoulement de l'air pour le remplissage du cylindre. Or il peut être souhaitable de pouvoir modifier seulement un paramètre (dans le présent exemple le taux de compression effectif), sans en modifier d'autres (par exemple ici la 15 cinétique de remplissage du cylindre) ou en les modifiant volontairement de manière différente de celle qui serait impliquée par la variation dudit premier paramètre. Dans le cas de moteurs comportant plusieurs soupapes d'admission par cylindre, commandées par un premier arbre à came, et une ou plusieurs soupapes d'échappement commandées par un deuxième arbre à came, il est possible de jouer sur l'étalement 25 d'ouverture par exemple si les caractéristiques d'ouverture des soupapes d'admission sont différentes, en particulier en leur communiquant des levées différentes, par des cames de profils différents ou d'autres moyens connus d'ajustement de 30 la levée des soupapes. Mais ces possibilités restent limitées, au regard du fait que, même en utilisant des décaleurs à déphasage variable, il subsiste nécessairement un synchronisme entre les soupapes commandées par un même arbre à came. De plus, l'utilisation de "petites lois d'ouvertures" pour les soupapes d'admission, c'est-à-dire de courbes de levées de soupapes ayant des amplitudes réduites, est naturellement relativement pénalisante puisqu'elle 5 induit une limitation de l'écoulement de l'air entrant dans le cylindre par la soupape à ouverture réduite. Pour obtenir des possibilités plus étendues, 10 d'autres systèmes beaucoup plus complexes existent, permettant des variations d'étalement d'ouverture des soupapes, par exemple les systèmes à commande électromagnétique de soupapes; mais ils s'avèrent plus difficiles à mettre en oeuvre techniquement et 15 plus onéreux que de simples décaleurs d'arbre à cames. L'invention a donc pour objectif de permettre une variation de l'étalement d'ouverture des soupapes 20 et du taux de compression effective par l'utilisation de déphaseurs, ou décaleurs, d'arbre à came de conception simple et déjà connue en soi. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour 25 objet un système de distribution à calage variable, pour la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne dont chaque cylindre comporte au moins deux soupapes d'admission et au moins une soupape d'échappement, et qui comporte par ailleurs 30 des arbres à cames d'axes parallèles commandant respectivement des soupapes différentes d'un même cylindre, caractérisé en ce que les soupapes d'admission d'un même cylindre sont commandées par des arbres à came différents dont un au moins comporte un dispositif de déphasage pour décaler en cours de fonctionnement du moteur le déplacement de la soupape d'admission qu'il commande par rapport au déplacement 5 de la deuxième soupape d'admission et par rapport à l'angle de rotation du vilebrequin dudit moteur. Ainsi, grâce à l'utilisation d'un même premier arbre à came pour commander une (ou plusieurs) 10 soupape(s) d'admission et une (ou plusieurs) soupape(s) d'échappement d'un même cylindre, et d'un deuxième arbre à came pour commander une (ou plusieurs) autre(s) soupape(s) d'admission et/ou une (ou plusieurs) autre(s) soupape(s) d'échappement 15 dudit cylindre, et à l'utilisation d'un dispositif de déphasage pour au moins un des deux arbres à came, il est possible de faire varier l'étalement et le taux de compression effectif pratiquement à volonté, indépendamment l'un de l'autre, et sans pénalisation 20 substantielle en termes de pertes aérodynamiques. L'invention permet donc de faire varier, en fonction du régime moteur et aussi notamment en fonction des conditions de charge du moteur: l'étalement d'ouverture des soupapes, afin d'optimiser le remplissage en air des cylindres, - ainsi que le taux de compression effectif, et ceci en permettant, par rapport à un système de distribution classique selon l'art antérieur, des 30 gains sensibles en termes de performances à bas régime, et en conservant ces performances à haut régime. La commande du ou des dispositifs de déphasage sera bien sr fonction, en régulation en boucle fermée, d'une information sur la position angulaire de l'arbre à came par rapport à la position angulaire du vilebrequin. Par ailleurs, la stratégie de commande de ces dispositifs de déphasage sera aussi fonction, en régulation en boucle ouverte, des différents 10 paramètres moteurs, tels que son régime, la position de la pédale d'accélération, les pressions ou températures, ou toute autre information représentative des conditions de charge du moteur, et de ses conditions de fonctionnement en général. 15 De manière générale, la stratégie utilisée visera à: - en pleine charge et à bas régime, fonctionner avec un étalement à l'admission réduit, mais un taux 20 de compression effectif important. Ces conditions pouvant être obtenues par un retard à la fermeture à l'admission limité ou inexistant, de manière à éviter un refoulement de l'air dans l'admission, qui risquerait sinon de survenir du fait de la faible 25 inertie des gaz admis, et donc à garder une quantité d'air admis maximale pour obtenir un taux de compression effectif également élevé. La limitation de l'étalement d'ouverture n'étant par ailleurs pas préjudiciable, du fait du faible régime de rotation 30 donnant une durée d'ouverture de soupape suffisante malgré l'étalement réduit. - en pleine charge et à haut régime, fonctionner avec un étalement à l'admission augmenté, pour garder une durée d'ouverture maximale, et un certain retard à la fermeture à l'admission, par exemple de l'ordre de 20 , propre à permettre de bénéficier de la cinétique, due au régime moteur élevé, des gaz admis, pour continuer à remplir le 5 cylindre même encore au début de la remontée du piston. - à faible charge, se contenter d'un taux de compression effectif réduit, obtenu par un retard à la fermeture à l'admission encore accru, comme cela a 10 été expliqué au début de ce mémoire, ce retard étant par exemple de l'ordre de 50 . Selon un premier mode de réalisation, chacun des deux arbres à came comporte un dispositif 15 déphaseur, et la loi de levée d'une des soupapes d'admission a un étalement réduit. Selon un deuxième mode de réalisation, un seul des deux arbres à came comporte un dispositif 20 déphaseur, et la loi de levée d'une des soupapes d'échappement a un étalement réduit. Selon un troisième mode de réalisation, un des deux arbres à came est un arbre à cames 25 indépendantes, présentant deux arbres coaxiaux portant respectivement des cames agissant elles-mêmes respectivement sur une soupape d'admission et une soupape d'échappement, et comportant un dispositif déphaseur entre les deux dits arbres coaxiaux. 30 Selon un quatrième mode de réalisation, les deux arbres à came sont des arbres à cames indépendantes, présentant chacun deux arbres coaxiaux portant respectivement des cames agissant elles-mêmes respectivement sur une soupape d'admission et une soupape d'échappement, et comportant chacun un dispositif déphaseur entre les deux dits arbres coaxiaux. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite de plusieurs exemples de réalisations de systèmes conformes à l'invention, et de leur mise en oeuvre. 10 On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'une distribution 15 variable conforme à l'invention, illustrant la disposition des soupapes et des arbres à cames dans un moteur à quatre soupapes par cylindre. - la figure 2 est une représentation graphique 20 de la levée des soupapes de ce moteur, dans un mode de fonctionnement o les arbres à cames ne sont pas décalés - la figure 3 est une représentation graphique 25 correspondante de la levée des soupapes de ce moteur, lorsque les arbres à cames sont en position de décalage maximal, - les figures 4, 5, 6 sont des vues 30 respectivement correspondantes aux figures 1, 2 et 3 dans un deuxième mode de réalisation de la distribution selon l'invention, - les figures 7, 8, 9 sont des vues respectivement correspondantes aux figures 1, 2 et 3 dans un troisième mode de réalisation de la distribution selon l'invention, - les figures 10, 11, 12 sont des vues respectivement correspondantes aux figures 1, 2 et 3 dans un quatrième mode de réalisation de la distribution selon l'invention. 10 Dans le premier mode de réalisation, illustré figure 1, on n'a représenté que les soupapes et cames d'un seul des quatre cylindres du moteur 1. Ce cylindre 10 comporte deux soupapes d'admission 11 et 15 12, et deux soupapes d'échappement 13, 14. Ces soupapes sont disposées selon une configuration dite avec chambre de combustion avec motif à 90 degré, c'est-à-dire que les deux soupapes d'admission d'un même cylindre sont situées sensiblement symétriquement par rapport à un plan médian longitudinal P du moteur et sont reliées à un même conduit d'admission d'air 21 dont l'orientation est sensiblement tangentielle par rapport à la chambre de combustion. De même, les deux soupapes d'échappement 25 sont situées sensiblement symétriquement par rapport au dit plan P, et reliées au même conduit d'échappement 22. Les soupapes sont commandées par deux arbres à 30 cames 31, 32 disposés en parallèles et entraînés par le vilebrequin via des poulies d'entraînement qui sont, dans le présent exemple, toutes deux pourvues d'un dispositif de déphasage 33, 34, de type connu en soi. Il résulte de la disposition des soupapes mentionnée ci-dessus que, pour chaque cylindre, un premier 31 des arbres à cames porte une première came 5 d'admission 41 agissant sur la première soupape d'admission 11 et une première came d'échappement 43 agissant sur la première soupape d'échappement 13, et le deuxième arbre à came porte également une deuxième came d'admission 42 agissant sur la deuxième soupape 10 d'admission 12 et une deuxième came d'échappement 44 agissant sur la deuxième soupape d'échappement 14. Comme on le comprendra, ce système de distribution permet, en agissant sur les dispositifs 15 de déphasage 33, 34, de commander un décalage, en avancée ou en retard, des arbres à came par rapport à une position de base définie relativement par rapport à la position angulaire du vilebrequin. Un exemple des variations possibles est illustré figures 2 et 3, qui représentent les lois Lll, L12, L13, L14 de levée des quatre soupapes respectivement 11, 12, 13, 14. Les courbes des figures 2 et 3 représentent donc la levée L des 25 différentes soupapes en fonction de l'angle de rotation E du vilebrequin. On notera que les lois L13 et L14 de levée des soupapes d'échappement 13, 14, sont identiques, alors que la loi L12 de levée d'une des soupapes d'admission a une amplitude et 30 notamment un étalement réduits. Dans le cas de la figure 2, le calage des arbres à cames est tel que les soupapes d'admission 11 et d'échappement 13, portées par le premier arbre à cames 31, sont commandées en avance par rapport aux deux autres soupapes, portées par le deuxième arbre à came 32. On notera par contre que les deux soupapes d'admission se ferment sensiblement en même temps, et 5 avec un faible retard à la fermeture par rapport au point mort bas PMB, l'étalement global à l'admission, restant limité à l'étalement fourni par la soupape 11. Lorsque les décaleurs 33, 34 sont commandés, l'arbre à came 31 prend du retard et l'arbre à came 32 de l'avance. Au niveau des soupapes d'échappement, il n'y a pas d'incidence puisqu'il y a en fait une simple inversion entre les deux soupapes 15 d'échappement, et les variations d'étalement global, fourni par les deux soupapes, restent limitées. Par contre, à l'admission, le point d'ouverture, donné alors par la soupape 12 à loi de levée à étalement réduit, reste sensiblement identique par rapport au 20 point mort haut PMH, mais, du fait du décalage retard du premier arbre à came, la soupape d'admission 11 se ferme avec un retard nettement plus important. Ce retard important à la fermeture à l'échappement permet d'obtenir un faible taux de compression 25 effectif. Globalement, ce mode de réalisation permet donc bien des variations des étalements admission et échappement, ainsi que du taux de compression 30 effectif. L'étalement de la loi d'admission réduite L12 sera fonction de l'angle de déphasage maximum de l'arbre à cames, et de la distance limite entre le piston et la soupape au point mort haut. Pour la description des autres modes de réalisation, on utilisera des repères identiques pour des éléments similaires, même si ces éléments différent, par exemple si la loi de levée d'une 5 soupape est modifiée d'un mode de réalisation à l'autre. Dans le deuxième mode de réalisation, représenté figure 4, le premier arbre à came 31 est 10 entraîné par une poulie d'entraînement 35 sans décaleur, et seul le deuxième arbre à came 32 comporte un décaleur. Les deux lois d'admission Lll, L12 sont identiques. Par contre, la loi d'échappement de la soupape 14 liée à l'arbre à came 32 pourvu du 15 décaleur, est une loi à étalement réduit. Du fait de cette loi réduite, il n'y a pas d'incidence forte globalement à l'échappement quand le décaleur est actionné. Par contre, alors que sans 20 décalage les deux lois d'admission se recouvrent, la soupape d'admission 12 prend un très fort retard à la fermeture lorsque le décaleur est commandé. Globalement, ce mode de réalisation permet donc 25 aussi des variations de l'étalement admission, ainsi que du taux de compression effectif. C'est alors l'étalement de la loi réduite d'échappement L14 qui est fonction de l'angle de déphasage maximum de l'arbre à cames, et de la distance limite entre le 30 piston et la soupape au point mort haut. Dans le troisième mode de réalisation, représenté figure 7, le premier arbre à came est en fait un arbre à cames indépendantes, c'est-à-dire qu'il comporte en fait eux arbres coaxiaux 37, 38 sur lesquels sont montées respectivement les cames d'admission et les cames d'échappement. Grace à un décaleur 36 monté entre ces deux arbres coaxiaux, on 5 peut commander un décalage entre soupapes d'admission et d'échappement situées sur la même ligne d'arbre à came. De tels arbres à cames sont notamment décrits dans les documents FR-2649443, FR-2644543 cités au début de ce mémoire et auxquels on se reportera pour 10 plus d'information sur leur technologie de réalisation. Le deuxième arbre à cames 32 est entraîné par une simple poulie d'entraînement 35. Lorsqu'il n'y a pas de décalage, comme illustré 15 figure 8, le retard à la fermeture admission est faible, d'o il résulte un fort taux de compression effectif. Avec le décalage, représenté figure 9, on peut obtenir un retard à la fermeture admission important, permettant d'obtenir un faible taux de 20 compression effectif. Ce mode de réalisation permet donc aussi des variations de l'étalement admission, ainsi que du taux de compression effectif. On notera que dans ce 25 mode de réalisation, l'utilisation d'un arbre à cames indépendantes permet d'obtenir une forte variation du retard à la fermeture admission de la came d'admission 11, mais sans incidence sur la came d'échappement 13 qui se trouve sur la même ligne 30 d'arbre à came. Dans le quatrième mode de réalisation, représenté figure 10, les deux arbres à cames sont des arbres à cames indépendantes pourvus chacun d'un décaleur 36, 39. Ce mode de réalisation permet donc des variations des étalements admission et échappement, ainsi que du taux de compression effectif. Lorsqu'il n'y a pas de décalage, comme illustré figure 11, le retard à la fermeture admission est faible, d'o il résulte un fort taux de compression effectif. Avec le décalage, représenté figure 12, on 10 peut obtenir un retard à la fermeture admission important, permettant d'obtenir un faible taux de compression effectif, et de plus on peut obtenir une avance à l'ouverture échappement également importante. Les calculs réalisés par simulation par les inventeurs ont permis d'obtenir les résultats illustrés sur le tableau suivant: exemple 1 exemple 2 exemples 3 et 4 Couple en dessous du régime de +5 à 10% +5 à 9% gain non- évalué Couple maxi par calcul Variation du régime de Cmax (tr/min) -200 - 200 gain non-évalué par calcul Couple maxi (Cmax) +0.5% +2% gain non- évalué par calcul Puissance maxi = = gain non-évalué par calcul Variation du taux de compression -1.5 -3.5 -6 effectif REVENDICATIONS 1. Système de distribution à calage et étalement variable, pour la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne (1) dont chaque cylindre (10) comporte au moins deux soupapes 5 d'admission (11, 12) et au moins une soupape d'échappement (13, 14), et qui comporte par ailleurs des arbres à cames (31, 32) d'axes parallèles commandant respectivement des soupapes différentes d'un même cylindre, caractérisé en ce que les soupapes d'admission (11; 12) d'un même cylindre sont commandées par des arbres à came (31; 32) différents dont un au moins comporte un dispositif de déphasage (33; 34) pour décaler en cours de fonctionnement du moteur le 15 déplacement de la soupape d'admission (11;12) qu'il commande par rapport au déplacement de la deuxième soupape d'admission (resp. 12; 11) et par rapport à l'angle de rotation du vilebrequin dudit moteur. 2. Système de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux arbres à came (31, 32) comporte un dispositif déphaseur (33, 34), et la loi de levée (L12) d'une des soupapes d'admission (12) a un étalement réduit. 25 3. Système de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un seul (32) des deux arbres à came comporte un dispositif déphaseur (34), et la loi de levée (L14) d'une des 30 soupapes d'échappement (14) a un étalement réduit. 4. Système de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un (31) des deux arbres à came est un arbre à cames indépendantes, présentant deux arbres coaxiaux 5 (37,38) portant respectivement des cames (41, 43) agissant elles-mêmes respectivement sur une soupape d'admission (11) et une soupape d'échappement (12), et comportant un dispositif déphaseur (36) entre les deux dits arbres coaxiaux. 5. Système de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux arbres à came (31, 32) sont des arbres à cames indépendantes, présentant chacun deux arbres coaxiaux 15 (37, 38) portant respectivement des cames agissant elles-mêmes respectivement sur une soupape d'admission et une soupape d'échappement, et comportant chacun un dispositif déphaseur (36) entre les deux dits arbres coaxiaux. 20 6. Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comporte un système de distribution selon l'une des revendications 1 à 5.