Brevet FR2877057A1 — publié le 20060428

L'invention concerne le domaine des véhicules, notamment véhicules automobiles, et plus particulièrement celui des moteurs thermiques équipant ces véhicules. Les constructeurs de véhicules automobiles sont soumis à des règles de plus en plus nombreuses en matière de dépollution et de sécurité et ils doivent également satisfaire les besoins croissants des conducteurs en termes de confort. Ceci se traduit par la nécessité d'implanter de nouveaux accessoires dans le véhicule et les contraintes d'implantation des groupes 10 motopropulseurs sont donc de plus en plus sévères. On peut par exemple citer le dispositif de climatisation, la direction assistée, les dispositifs de sécurité fonctionnant en cas de choc d'un piéton, ou encore les alterno-démarreurs assurant une fonction stop and start , les filtres à particules et les catalyseurs. Par ailleurs, le fonctionnement de nombreux dispositifs nécessite la présence d'une machine électrique. C'est bien sûr le cas du démarreur, de l'alternateur ou de l'alterno-démarreur. Les véhicules hybrides sont d'autant plus soumis à ces contraintes d'implantation qu'ils nécessitent la présence d'une machine électrique devant permettre la propulsion du véhicule, au moins à de faibles vitesses. Ces contraintes d'implantation ont conduit les constructeurs à repenser complètement l'architecture du moteur thermique en modifiant la position des entraînements, les pignons, ou encore les accouplements axiaux. Pour les véhicules hybrides, des solutions spécifiques ont été recherchées, pour optimiser la position de la machine électrique ou la conception de la boite de vitesses. Cependant, les solutions apportées à ce jour conduisent à des structures complexes, très spécifiques et donc peu adaptables, et dont le coût de mise en oeuvre est important. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant une solution radicalement différente de celles apportées par l'état de la technique. En effet, !Invention propose d'intégrer au moins une machine électrique directement dans le moteur thermique qui assure la propulsion du véhicule. Ainsi, l'invention concerne un moteur thermique pour véhicule, notamment véhicule automobile, comportant un vilebrequin, avec des bras s'étendant sensiblement perpendiculairement à son axe longitudinal, caractérisé en ce qu'au moins une machine électrique est prévue à l'intérieur du moteur, le rotor de la machine étant fixé sur un bras du vilebrequin et le stator de la machine étant fixé dans le carter du moteur, ladite machine électrique s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du vilebrequin. Ainsi, la solution novatrice de l'invention ne consiste pas à utiliser de manière optimale l'espace laissé libre par le moteur thermique sous le capot du véhicule, mais à utiliser l'espace libre à l'intérieur même du moteur thermique. La machine électrique n'occupe plus du tout de place à l'extérieur du moteur thermique et les espaces laissés ainsi libres sous le capot du véhicule sont donc disponibles pour d'autres accessoires, comme par exemple les absorbeurs de chocs prévus pour la sécurité des piétons, lors d'un accident avec un véhicule automobile. Dans un mode préféré de réalisation du moteur thermique selon l'invention, au moins une machine électrique est un démarreur ou un alternateur ou un alterno-démarreur. L'entraînement du vilebrequin lors du démarrage du moteur s'effectue alors directement, sans qu'une liaison soit nécessaire entre le démarreur et le vilebrequin, le rotor de la machine électrique étant fixé sur le vilebrequin. Dans ce cas, la solution selon l'invention permet non seulement de libérer l'espace habituellement occupé par le démarreur, mais également l'espace occupé par la transmission entre le démarreur et le moteur thermique. Par ailleurs, une machine spécifique peut être utilisée en tant que démarreur et une autre en tant qu'alternateur. Cependant, la solution la plus économique est de prévoir une seule machine assurant les fonctions de démarreur et d'alternateur. Dans un autre mode préféré de réalisation du moteur selon l'invention, une des machines électriques sert à la propulsion du véhicule, qui est donc alors un véhicule à propulsion hybride. Là encore, la solution apportée par l'invention permet de s'affranchir de toutes les difficultés liées à l'implantation d'une machine électrique de taille importante sous le capot du véhicule automobile. Bien entendu, lorsque le moteur selon l'invention doit également assurer une propulsion électrique, le nombre et les caractéristiques des machines électriques implantées sur le vilebrequin doivent être adaptés. Par ailleurs, pour éviter toute perte d'énergie due à l'entraînement des pistons par le vilebrequin, lorsque la propulsion est uniquement électrique, des moyens sont prévus pour décomprimer le moteur, notamment en désactivant les cylindres. Selon l'invention, au moins un bras du vilebrequin présente une forme de révolution complète. La forme d'un vilebrequin est adaptée au type de moteur et notamment, le nombre de bras dépend du nombre de pistons et de cylindres. Cependant, dans tous les cas, on constate la présence d'espaces libres autour de certains bras du vilebrequin, la position de ces bras, selon l'axe longitudinal du vilebrequin, pouvant varier en fonction de la forme du vilebrequin. La forme du vilebrequin peut également être adaptée pour qu'au moins un de ses bras puisse facilement supporter le rotor d'une machine électrique. C'est notamment le cas lorsque ce bras présente une forme de révolution complète. Par ailleurs, le stator peut être de révolution complète, si l'espace laissé libre à l'intérieur du carter du moteur le permet. Dans le cas contraire, il peut être prévu de révolution partielle ou encore en plusieurs parties. Par ailleurs, l'électronique de puissance nécessaire au fonctionnement de la ou des machines électriques peut être fixée directement sur le moteur, dans le carter du moteur, ou à un endroit quelconque du compartiment moteur. De façon préférée, le rotor d'au moins une machine électrique est muni de dents sur sa périphérie et conçu pour que la répartition des dents du rotor sur sa périphérie comporte une discontinuité. La présence de cette discontinuité permet, avec des moyens appropriés, de connaître la position et la vitesse du vilebrequin, cette information pouvant être utilisée pour différents types de réglage, notamment celui de l'ouverture des soupapes, de l'injection du carburant ou de l'allumage. Ces moyens comprennent un capteur ou au moins une des bobines du stator, utilisée comme capteur. Ce mode de réalisation permet de s'affranchir d'une roue dentée spécifique qui est classiquement prévue pour déterminer la position du vilebrequin de façon à assurer ces réglages. Enfin, la machine électrique prévue dans le moteur thermique peut également être utilisée pour maîtriser les acyclismes du moteur, lors de la rotation du vilebrequin. Une commande adaptée de la machine électrique permet de limiter les oscillations de torsion du vilebrequin et donc de résoudre en partie les problèmes d'amortissement qui sont classiquement réglés en sortie du moteur par un volant d'inertie ou un double volant amortisseur (DVA), de façon à ne pas transmettre ces oscillations à la boite de vitesse. Enfin, l'invention concerne bien sûr un véhicule équipé d'un moteur selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des deux figures annexées: - la figure 1 représente, de façon partielle, un exemple de réalisation d'un moteur thermique selon l'invention, vu selon l'axe longitudinal du vilebrequin de ce moteur et, - la figure 2 est une vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1. Les éléments communs aux deux figures seront désignés par les mêmes références. La référence 1 désigne le vilebrequin d'un moteur thermique qui est partiellement représenté sur les figures. Ce vilebrequin comporte un axe longitudinal (XX'), autour duquel s'organisent de façon classique, des portions centrales 2 ou tourillons, maintenues par des paliers 3 supportant le vilebrequin et des manetons 4, sur chacun desquels est articulée une bielle 5. De façon connue, chaque bielle 5 est entraînée par un piston 6 qui se déplace dans une chemise 7. Pour des raisons de clarté, la chemise 7 n'est pas illustrée sur la figure 2. Pour des raisons de clarté, seule une bielle et un piston sont représentés à la figure 1. Bien sûr, le nombre de bielles et de pistons dépend du type de moteur considéré, comme d'ailleurs la forme du vilebrequin lui-même. Entre les portions centrales 2 et les manetons 4, le vilebrequin comporte une série de bras 8, 80 à 85. Comme l'illustre la figure 1, le vilebrequin présente au moins un bras, par exemple le bras 84 autour duquel un espace libre existe. L'espace libre autour du bras 84 est ici désigné par la référence 9. Il en est de même pour le bras 8, qui a été utilisé pour le montage d'une machine électrique 10. Cette machine 10 comporte un rotor 11 qui est directement monté sur le bras 8 du vilebrequin. La fixation du rotor peut être réalisée par tout moyen approprié, notamment par collage, frettage ou assemblage mécanique. Ce rotor pourra être constitué soit d'aimants permanents, soit d'électroaimants qui seront alimentés par des pistes fixées dans le carter du moteur, soit encore en un acier ferro-magnétique passif. La dimension du rotor est bien entendu choisie pour s'adapter dans l'espace laissé libre autour du bras 8, en tenant compte de l'encombrement des autres pièces et notamment du piston 6. A cet égard, on peut noter que le vilebrequin 1 peut également être conçu dès l'origine pour rendre plus aisé le montage d'un rotor sur le bras 8, par exemple en donnant au bras une forme de révolution complète et/ou en l'évidant partiellement, dans les limites des contraintes de résistance imposées au vilebrequin lui-même. Cette machine 10 comporte également un stator 12 avec des bobines 120, ce stator étant fixé dans le carter 13 du moteur. La forme du stator sera bien entendu déterminée en fonction de la place disponible. Il pourra ainsi être de révolution complète. Dans l'exemple illustré à la figure 2, le stator est de révolution partielle, de façon à adapter la machine électrique à l'espace occupé par le piston 6, quand celui-ci est dans son point mort bas. Le stator pourrait également être réalisé en plusieurs parties. Comme illustré par les figures, la machine électrique 10 s'étend donc selon un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (XX') du vilebrequin. Une seule machine électrique est illustrée aux figures 1 et 2. Le nombre de machines électriques montées sur le vilebrequin peut bien sûr être adapté à la puissance requise pour le fonctionnement du véhicule. Ainsi, plusieurs machines électriques pourront être prévues pour un véhicule à propulsion hybride. Lorsque le véhicule est à propulsion hybride, une commande particulière doit être prévue, pour éviter toute consommation inutile d'énergie pour un fonctionnement en électrique pur . Ainsi, dans la situation où la ou les machine(s) électrique(s) assure(nt) seule(s) la propulsion du véhicule, le moteur thermique doit être décomprimé , par exemple en désactivant les cylindres en ouvrant les soupapes. L'électronique de puissance nécessaire au fonctionnement de la machine électrique n'est pas illustrée sur les figures. Elle pourra être fixée directement sur le moteur, dans le carter du moteur ou à un endroit quelconque du compartiment moteur. Les caractéristiques des machines électriques peuvent également être adaptées à la puissance requise par le véhicule. A titre d'illustration, la puissance électrique du démarreur ou de l'alterno-démarreur est de l'ordre de 1,5 KW, alors que la puissance nécessaire à la propulsion du véhicule est comprise entre 8 et 16 KW. Le rotor de la machine électrique étant lié en rotation avec le vilebrequin, elle peut assurer la recharge de la batterie à laquelle elle est associée, lorsque le moteur thermique tourne et qu'elle n'est pas utilisée pour générer du courant. La machine électrique peut également être utilisée pour récupérer de l'énergie pendant les phases de freinage du véhicule. De façon connue, un moteur à combustion interne produit, en fonctionnement, d'importantes vibrations. Celles-ci sont dues au processus de combustion lui-même, et également au fonctionnement d'un moteur à pistons à mouvement alternatif. Les moteurs à combustion interne les plus utilisés aujourd'hui sont des moteurs dits à quatre temps dans lesquels se produisent dans les différents cylindres des combustions du type explosion. Celles-ci produisent des chocs importants sur les pistons et ces chocs sont transmis par l'intermédiaire des bielles et du vilebrequin, à l'ensemble de la ligne de transmission du véhicule. Ces combustions du type explosion provoquent, en outre, d'importantes variations périodiques du couple moteur réel. De plus, le changement de direction des pistons, aux points morts haut et bas, provoque des excitations à vibrations cinématiques, avec des 5 fréquences fortement changeantes. C'est pourquoi il est prévu en sortie du moteur, un volant d'inertie, voire un double volant amortisseur, de façon à amortir les oscillations de torsion du vilebrequin et à ne les transmettre que de façon très atténuée à la boite de vitesses. Ces volants amortisseurs sont d'un poids, d'un coût et d'un encombrement importants. Dans une application avantageuse, la ou les machines électriques prévue(s) dans le moteur thermique peu(ven)t être commandée(s) pour maîtriser les acyclismes du moteur, notamment en réglant de façon appropriée le couple transmis par la machine au vilebrequin, pendant sa rotation. Ce réglage peut conduire à faire tourner plus vite ou au contraire à ralentir le vilebrequin. Ceci présente l'avantage de pouvoir réduire la taille ou simplifier la conception des volants amortisseurs placés en sortie du moteur thermique. Enfin, au moins une machine électrique prévue sur le vilebrequin peut être utilisée pour connaître, à tout instant et de façon précise, la position et la vitesse du vilebrequin. Ceci peut être obtenu simplement en munissant le rotor de dents sur sa 25 périphérie et en prévoyant une discontinuité dans la répartition des dents du rotor sur sa périphérie. On peut ainsi prévoir de supprimer une dent ou encore de remplacer une dent par deux dents de taille plus petite ou espacées l'une de l'autre. A l'aide de capteurs, qui détectent cette discontinuité, la position du 30 vilebrequin peut être connue de façon précise. Au moins une des bobines du stator de la machine électrique peut être utilisée comme capteur pour suivre cette discontinuité. On rappelle que la connaissance de la position et de la vitesse du vilebrequin peut notamment être utile pour régler de façon appropriée l'ouverture des soupapes, l'injection du carburant ou l'allumage. Ce mode de réalisation particulier permet d'éviter l'utilisation d'une roue dentée spécifique qui est habituellement prévue et d'un capteur spécifique. Ceci permet également de libérer de l'espace à l'intérieur du carter du moteur et de réduire les coûts de fabrication. Il convient de souligner que l'invention a été décrite en référence à un exemple de vilebrequin. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et peut être mise en oeuvre avec tout type de vilebrequin conçu pour un moteur thermique donné. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications sont uniquement destinés à en faciliter la lecture et ne sauraient en limiter la portée. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique pour véhicule, notamment véhicule automobile, comportant un vilebrequin avec des bras s'étendant sensiblement perpendiculairement à son axe longitudinal, caractérisé en ce qu'au moins une machine électrique (10) est prévue à l'intérieur du moteur, le rotor (11) de la machine étant fixé sur un bras (8) du vilebrequin et le stator (12) de la machine étant fixé dans le carter (13) du moteur, ladite machine électrique s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal (XX') du vilebrequin (2). 2. Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une machine électrique est un démarreur ou un alternateur ou un alterno-démarreur. 3. Moteur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une machine électrique sert à la propulsion du véhicule. 4. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un bras du vilebrequin (2) présente une forme de révolution complète. 5. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator est de révolution complète. 6. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator (12) est de révolution partielle. 7. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator est réalisé en plusieurs parties. 8. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électronique de puissance nécessaire au fonctionnement de la ou des machines électriques est fixée directement sur le moteur ou dans le carter du moteur ou à un endroit quelconque du compartiment moteur. 9. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor est concu pour comporter des dents sur sa périphérie et en prévoyant une discontinuité dans la répartition des dents. 10. Moteur thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un capteur ou au moins l'une des bobines détecte la position de ladite discontinuité, l'électronique de puissance étant conçue pour déterminer alors à tout instant la position et la vitesse du vilebrequin (2). 11. Moteur thermique selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour le décomprimer lorsque la propulsion est assurée uniquement par ladite ou lesdites machines(s) électrique(s). 12. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commande de la machine électrique permettant de maîtriser les acyclismes du moteur lors de la rotation du vilebrequin. 13. Véhicule équipé d'un moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 12.