Brevet FR2878891A1 — publié le 20060609

La présente invention se rapporte à la conception et à la mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif et comportant un ou plusieurs dispositifs électromécaniques pour l'actionnement des soupapes. Il est connu d'utiliser un dispositif électromécanique comportant des ressorts antagonistes et une armature métallique oscillant entre deux électroaimants pour contrôler l'ouverture et la fermeture des soupapes d'un moteur à combustion interne. Un tel actionneur comprend par exemple une armature métallique liée à une tige disposée dans le même axe que la soupape et actionnant celle-ci. Les deux électro-aimants situés de part et d'autre de l'armature métallique permettent de bloquer celle-ci en deux positions correspondants l'une à la position dans laquelle la soupape est fermée, et l'autre à la position dans laquelle la soupape est pleinement ouverte. La commande du courant dans les électroaimants permet de déclencher l'ouverture ou la fermeture de la soupape, et de bloquer la dite soupape dans l'une des deux positions extrêmes (soupape fermée ou soupape ouverte). Par ailleurs, il est également connu que la disposition des soupapes et du piston ainsi que la forme de ce dernier doivent prendre en compte la nécessité de ne jamais avoir de contact physique entre les soupapes et le piston lors du fonctionnement du moteur. La solution connue pour résoudre ce problème consiste à modifier la forme du piston par la réalisation de cavités circulaires ou embrèvements tels que, quelle que soit la position de la soupape et quelle que soit la position du piston au cours du fonctionnement du moteur, aucun contact entre les deux ne soit possible. Si cette solution usuelle a pour elle la simplicité de mise en oeuvre, elle n'est cependant pas dépourvue d'inconvénient, avec en premier lieu la forme du piston qui comporte des cavités propices à la formation de poches de gaz imbrûlés lors de la combustion, ayant pour conséquence des émissions d'hydrocarbures élevées. Cette solution crée par ailleurs des contraintes dans le dessin de la chambre de combustion quant au positionnement des soupapes par rapport au bord de la chambre de combustion, et ces contraintes limitent le potentiel d'amélioration des performances et de réduction de la pollution des moteurs équipés d'actionneurs de soupape électromécanique. La présente invention permet d'éviter tout risque de collision entre soupape et piston dans les différentes situations de vie du moteur et de réduire les contraintes lors de la conception et de la mise en oeuvre du moteur. 2878891 2 Dans l'état de l'art des moteurs à combustion interne munis d'actionneurs de soupape électromécanique, la forme des pistons et la disposition des soupapes sont définis tels que quelles que soient les positions des soupapes commandées par les actionneurs et quelles que soient les positions des pistons des cylindres associés aucun contact entre les deux ne soit possible. Cela se traduit en général par de profondes cavités ou embrèvements usinées dans la tête du piston pour éviter tout contact potentiel avec les soupapes commandées par des actionneurs électromécaniques. Cette disposition est généralement justifiée par le fait qu'une soupape actionnée par un actionneur électromécanique peut prendre facilement 3 états fixes: soupape fermée, soupape ouverte à la levée maximale et soupape au repos en équilibre à une position intermédiaire entre les deux précédentes, proche de la moitié de la levée maximale. Le processeur de contrôle peut alors déclencher la transition entre position ouverte et position fermée. Le retour en positon d'équilibre se fait en relâchant la soupape depuis l'une des positions extrêmes ouverte ou fermée; elle oscille alors autour de cette position d'équilibre, et l'amortissement des oscillations du aux frottements la fait converger vers sa position d'équilibre. Pour préserver le moteur, et éviter une casse mécanique du moteur consécutive à une collision entre soupape et piston, il faut donc s'assurer qu'aucun contact n'est possible, notamment dans les cas suivants: - lors du démarrage du moteur, les actionneurs ne sont pas alimentés, et les soupapes sont dans leur position d'équilibre intermédiaire imposée par les ressorts; le moteur est alors susceptible de tourner avant que le processeur de contrôle ne soit en mesure de fermer les soupapes; - après l'arrêt du moteur, l'alimentation des actionneurs est coupée; les soupapes oscillent donc autour de leur position d'équilibre alors qu'un piston peut se trouver au point mort haut; - lors du fonctionnement du moteur, il est nécessaire de pouvoir ouvrir les soupapes d'admission commandées par des actionneurs lorsque le piston est en phase montante pour assurer la re-circulation de gaz brûlés; les soupapes sont ainsi susceptibles d'être déjà ouvertes à leur levée maximale lorsque le piston arrive au point mort haut; 2878891 3 - lors du fonctionnement du moteur, il est nécessaire de pouvoir garder ouvertes les soupapes d'échappement commandées par des actionneurs après que le piston soit passé par le point mort haut, lorsque il est en phase descendante, pour assurer la bonne vidange du cylindre; les soupapes sont ainsi susceptibles d'être encore ouvertes à leur levée maximale lorsque le piston arrive au point mort haut; - lorsque une soupape commandée par un actionneur est fermée, une défaillance électrique peut se produire, entraînant une coupure de l'alimentation de la bobine qui permettait de la maintenir fermée; il s'en suit que celle-ci va osciller autour de sa position d'équilibre avec une amplitude amortie dans le temps. Lors des ces oscillations, le piston est susceptible de passer par le point mort haut; - lorsque une soupape commandée par un actionneur est ouverte, une défaillance électrique peut se produire, entraînant une coupure de l'alimentation de la bobine qui permettait de la maintenir ouverte; il s'en suit que celle-ci va osciller autour de sa position d'équilibre avec une amplitude amortie dans le temps. Lors des ces oscillations, le piston est susceptible de passer par le point mort haut; - lorsque une soupape commandée par un actionneur est ouverte, une défaillance logicielle du processeur de contrôle peut se produire, empêchant celui-ci de provoquer la fermeture de la soupape avant que le piston n'arrive au point mort haut; - lors de la maintenance des actionneurs il peut être nécessaire de les faire fonctionner alors que moteur est arrêté ; il ne faut pas qu'il y ait de risque de casse moteur parce que l'un des pistons était au point mort haut au moment de la manipulation. Selon l'invention, il est possible dans chacun des ces cas d'éviter un risque de collision entre soupape et piston sans nécessiter une forme de piston qui soit définie en fonction de la levée maximale de la soupape. Selon l'invention, la forme du piston doit seulement prévoir qu'aucun contact ne soit possible lorsque la soupape est au repos dans sa position d'équilibre, et un certain nombre de dispositifs et de mesures doivent être mis en oeuvre pour prendre en compte les situations exposées précédemment, comme à titre d'exemple et non limitativement: 2878891 4 l'intégration d'un ou plusieurs aimants permanents dans l'actionneur permet par exemple de conserver la soupape en position fermée lorsque l'alimentation des bobines de l'actionneur est coupée - le pilotage d'une loi de levée comportant une phase constituée d'un palier à une position inférieure au quart de la levée maximale et permettant d'ouvrir de manière anticipée les soupapes d'admission (avant et pendant le passage du piston au point mort haut) - le pilotage d'une loi de levée comportant une phase constituée d'un palier à une position inférieure au quart de la levée maximum et permettant d'ouvrir de manière retardée les soupapes d'échappement (pendant et après le passage du piston au point mort haut) des sécurités ou redondances logicielles et/ou matérielles permettent également d'éviter les cas de collisions consécutifs à des défaillances. L'avantage principal de l'invention est de permettre une plus grande liberté dans le dessin, la conception et la mise en oeuvre des moteurs à combustion interne équipés d'actionneurs de soupapes électromécaniques, permettant ainsi de franchir une étape supplémentaire dans l'amélioration de la performance et le réduction de la pollution des moteurs de ce type. Un autre avantage possible de l'invention est de permettre plus facilement l'utilisation d'actionneurs électromécaniques dans des moteurs à rapport volumétrique élevés tels que des moteurs diesels. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous, à titre illustratif et non limitatif, effectuée en référence aux figures ci-jointes. La figure 1 montre un schéma d'un actionneur électromécanique connu, dont l'armature est en position d'équilibre centrale, qu'il est possible d'utiliser dans les moteurs auxquels est appliquée l'invention. La figure 2 montre un exemple de réalisation de l'invention avec un piston au point mort haut dont la forme permet d'éviter la collision lorsque la soupape est en position d'équilibre mais pas en position d'ouverture maximum. La figure 3 montre la position de la soupape et du piston (302) pour la loi de levée de soupape habituelle (306,308) avec un actionneur électromécanique dans le cas d'une ouverture de soupape 2878891 5 d'admission avec peu de croisement, ainsi que pour la loi de levée en deux phases (307) sans collision dans le cas d'une ouverture de soupape d'admission avec du croisement. Un dispositif 100 (figure 1) muni d'un actionneur 121 de soupape 118 comporte généralement deux électroaimants 108 et 112 comportant deux bobines 109 et 111 permettant d'exercer un effort magnétique sur l'armature 110 afin de la déplacer dans une direction verticale et, au moyen de l'axe 105 coulissant dans les guides 106 et 114, de communiquer ce mouvement à la soupape 118 coulissant dans son guide 117. Le dispositif comprend également généralement deux ressorts 102 et 116 en appui respectivement sur les plans 101 et 119 et solidaires respectivement de l'axe de l'actionneur 105 via la coupelle 103 et de la soupape 118 via la coupelle 115. Les dits ressorts assurent le stockage de l'énergie dans les positions soupape fermée et soupape ouverte dans lesquelles la position est bloquée par une force magnétique s'exerçant sur l'armature 110 dans la direction contraire à la somme des efforts exercés par les ressorts. Le dispositif peut également inclure un capteur de position 104, qui permet au calculateur de contrôle de l'actionneur 120 de connaître la position de l'armature 110 ou de l'axe 105 qui y est rigidement lié, et de déterminer le courant à commander dans les bobines 109 et 111. Il est connu d'inclure dans l'actionneur des aimants permanents 107 et 113 chargés de fournir tout ou partie de l'effort magnétique nécessaire au maintien de la soupape dans l'une ou l'autre des positions ouvertes et/ou fermées. Lorsqu'un tel actionneur (figure 2) est utilisé pour la commande de soupape (118) d'un moteur à combustion interne à piston (201) alternatif, il est connu que le piston inclue des embrèvements (202) en regard des soupapes permettant d'éviter tout risque de collision entre soupape et piston. Selon l'invention, il est possible de dessiner ces embrèvements (202) de telle façon que lorsque le piston est dans la position dite du point mort haut illustrée sur la figure 2, c'est-à-dire la position qui conduit au volume de chambre de combustion le plus faible, il n'y a effectivement pas contact entre la soupape et le piston lorsque la soupape est dans sa position d'équilibre au repos, ou dans une position plus fermée que cette position d'équilibre, voire dans la position complètement fermée. En revanche, selon l'invention, il n'est dans ce cas 2878891 6 pas possible de réaliser une pleine ouverture de la soupape. La figure 2 illustre une réalisation possible de l'invention. Selon l'invention, des sécurités et ou redondances logicielles et ou matérielles sont alors utilisées pour assurer qu'aucune collision entre soupape et piston ne peut avoir lieu lors du fonctionnement du moteur, mais également en cas de défaillance électronique du processeur de contrôle. Dans un des modes de réalisation préféré de l'invention, les actionneurs électromécaniques de soupape intègrent un ou des aimants permanents qui exercent un effort magnétique suffisant pour bloquer l'armature (110) en position fermée lorsque aucune bobine n'est alimentée. Ainsi, dans ce mode de réalisation tout risque de collision est écarté lors de l'arrêt du moteur après extinction du processeur de contrôle (120) de l'actionneur, où en cas de défaillance de l'alimentation électrique de l'actionneur lorsque la soupape et maintenue en position fermée. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les actionneurs électromécaniques de soupape ne peuvent pas maintenir la soupape en position ouverte sans alimentation électrique de la bobine. Ainsi, dans ce mode de réalisation, en cas de défaillance électrique de l'alimentation de la bobine permettant le maintien en position ouverte, l'armature est automatiquement relâchée et ne peut rester bloquée dans une position qui entraînerait une collision avec le piston. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les actionneurs intègrent un ou des aimants permanents qui exercent un effort magnétique suffisant pour bloquer l'armature (110) en position fermée, mais en revanche n'exercent jamais un effort suffisant pour bloquer l'armature en position ouverte, et dont les profils d'effort en fonction de la position de l'armature sont déterminés pour que lorsque la soupape est maintenue en position de pleine ouverture, après une coupure de l'alimentation électrique de l'actionneur ou du processeur de contrôle, une transition de l'armature vers la position soupape fermée s'effectue de façon autonome, et la capture de l'armature en position soupape fermée est également réalisée de façon autonome par l'aimant permanent, sans intervention du processeur de contrôle. Ainsi, dans ce mode de réalisation de l'invention, la soupape est refermée automatiquement ou maintenue fermée en cas de perte de 2878891 7 l'alimentation d'une bobine, où même dans le cas d'une perte de l'alimentation complète du processeur de contrôle. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'alimentation des bobines d'ouverture par le processeur de contrôle 120 n'est permise que pendant une période angulaire pendant laquelle la position de pleine ouverture de la soupape est compatible avec la position du piston. L'alimentation des bobines d'ouverture peut par exemple être contrôlée par un interrupteur situé dans le processeur de contrôle et commandé par un signal électrique produit par le moteur en fonction de la position du vilebrequin. Ce signal peut par exemple être réalisé au moyen d'une cible située sur une partie tournante du moteur liée mécaniquement au vilebrequin, comme un arbre à cames, ou sur le vilebrequin lui-même, et d'un capteur magnétique positionné au voisinage de cette roue. Dans ce mode de réalisation de l'invention, même en cas de défaillance logicielle, la soupape ne peut pas rester bloquée ouverte lorsque le piston parvient au point mort haut car l'alimentation de la bobine est coupée matériellement par l'interrupteur commandé par le signal lié à la position du vilebrequin et du piston. Dans ce mode de réalisation ce signal peut également être utilisé pour autoriser ou non le fonctionnement des actionneurs lors des opérations de maintenance lorsque le moteur est arrêté et éviter ainsi tout risque de collision consécutif à une mauvaise manipulation lors des opérations de maintenance. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur la figure 3, l'ouverture des soupapes commandées par les actionneurs électromécaniques est modifiée en fonction du moment où la soupape est ouverte afin que la trajectoire de la soupape (306,307) ne rentre pas en collision avec la trajectoire du piston (302) toutes deux mesurées en fonction de la distance (301) par rapport au siège de la soupape sur l'axe de la soupape et représentées en fonction de l'angle du vilebrequin (300). La figure montre une disposition du piston conforme à l'invention, qui permet bien une ouverture de la soupape jusqu'à la levée correspondant à la position d'équilibre (304) mais pas jusqu'à sa levée maximale (303). Dans ce mode de réalisation lorsque la trajectoire de la soupape à l'ouverture obtenue en lâchant celle-ci depuis la position fermée (306) est compatible avec la trajectoire du piston (302), c'est ce mode de contrôle de la soupape qui est réalisé. 2878891 8 En revanche, lorsque la trajectoire obtenue avec ce mode de commande de la soupape (308) n'est pas compatible avec la trajectoire du piston (302) et entraînerait une collision entre les deux en raison d'une ouverture trop avancée ou d'une fermeture trop retardée, la trajectoire de la soupape comprend une phase (307) pendant laquelle elle est contrôlée à une levée inférieure au quart (305) de la levée maximale (303). Cette phase d'ouverture de la soupape a pour propriété de demander un surcroît temporaire de consommation d'énergie pour contrôler la soupape à distance des électro-aimants, mais compte tenu que cette phase est utilisée pour faire circuler des gaz brûlés, il n'est pas nécessaire que la soupape ait une grande ouverture. Au contraire, une faible ouverture permet d'atténuer les ondes de pressions pendant cette phase de re-circulation et de mieux maîtriser la quantité de gaz brûlés recirculés. Par ailleurs, la durée de cette phase d'ouverture pendant laquelle la soupapes et maintenue à distance des électro-aimants est relativement courte (quelques dizaines de degrés vilebrequin). Ainsi, en limitant par exemple à quelques dixièmes de millimètres pour la distance d'ouverture de la soupape pendant la phase 307 et quelques dizaines de degrés de vilebrequin pour sa durée, l'influence sur la consommation énergétique totale du moteur peut être négligeable. La présente invention est particulièrement destinée à la conception et la réalisation de moteur à combustion interne à distribution de soupape au moyen d'actionneurs électromécaniques oscillant entre deux positions ouvertes et fermées autour d'une position d'équilibre. 2878891 9 REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne muni d'un piston a mouvement alternatif (201) et d'un dispositif (100) de commande de soupape (118) comportant un actionneur électromécanique (121) muni d'une armature mobile (110) en liaison avec la dite soupape (118), d'un ou plusieurs dispositifs élastique de stockage d'énergie tels que des ressorts (102, 116) et d'un ou plusieurs électroaimants (108,112) comportant une ou plusieurs bobines (109,111) et muni d'un processeur de contrôle (120), caractérisé en ce que lorsque le piston est dans la position point mort haut assurant un volume minimum de la chambre de combustion, l'ouverture de la soupape (118) contrôlée par l'actionneur (121) est limitée par le piston (201) à une levée strictement inférieure à la levée maximale obtenue en pleine ouverture lorsque l'armature (110) est en contact avec le corps d'un des électro-aimant (108,112) et supérieure ou égale à la levée obtenue lorsque l'armature (110) est dans sa position d'équilibre centrale déterminée par les dispositifs élastiques. 2. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'actionneur électromécanique (121) comprend un ou plusieurs aimants permanents (107,113) qui peuvent assurer sans alimentation électrique des bobines (109,111) le maintien de l'armature mobile (110) dans une position permettant de conserver la soupape en position fermée. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que, lorsque l'armature (110) est dans la position extrême correspondant à la pleine ouverture de la soupape, une coupure de l'alimentation électrique des bobines (109,111) entraîne automatiquement, sans intervention du processeur de contrôle, une transition de l'armature vers la position correspondant à la soupape fermée. 4. Moteur selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'actionneur électromécanique (121) comprend un ou plusieurs aimants permanents (107,113) qui peuvent assurer de manière autonome, sans alimentation électrique des bobines (109,111), la capture de l'armature mobile (110) en position extrême correspondante à la position soupape fermée lorsque l'armature (110) est lâchée depuis la position extrême correspondante à la position de pleine ouverture de la soupape. 5. Moteur selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que l'alimentation de la ou des bobine(s) (111) permettant le maintien de la soupape (118) en position d'ouverture maximale par le processeur de contrôle (120) est matériellement autorisée ou interdite selon la 2878891 10 position du piston au moyen d'un dispositif matériel électrique permettant d'ouvrir et de fermer le circuit électrique d'alimentation de la bobine et contrôlé par un signal électrique généré par un dispositif lié mécaniquement à la position angulaire en rotation du vilebrequin. 6. Moteur selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que le fonctionnement du dispositif électromécanique (100) lorsque le moteur est arrêté, est autorisé ou interdit par le processeur de contrôle (120) en fonction d'un signal électrique généré par un dispositif lié mécaniquement à la position angulaire en rotation du vilebrequin. 7. Moteur selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que la trajectoire d'ouverture de la soupape (118) comprend une phase pendant laquelle la soupape (118) est contrôlée par le processeur de contrôle (120) à une position dont la levée est inférieure au quart de la levée maximale obtenue en pleine ouverture.