Brevet FR2898081A1 — publié le 20070907

Agencement d'une machine électrique tournante dans un moteur à combustion interne [0001] La présente invention concerne un agencement d'un stator et d'un rotor, destinés à former ensemble, avec un arbre tournant, une machine électrique tournante, dans un moteur à combustion interne, également appelé moteur thermique. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un tel agencement. [0002] Les moteurs récents, en particulier les moteurs à injection directe, génèrent des couples très importants, ce qui est recherché pour améliorer les performances du véhicule, notamment au niveau des accélérations par exemple pour permettre un dépassement rapide. Toutefois, cette augmentation du couple tend à augmenter les acyclismes moteurs qu'il devient de plus en plus difficile de compenser simplement au niveau du volant moteur. [0003] L'invention a par conséquence pour but de procurer un moyen permettant d'améliorer cette compensation. [0004] Selon l'invention, ce but est atteint en disposant une machine électrique dont une partie est solidaire du volant moteur. Plus précisément, l'invention a ainsi pour objet à un moteur à combustion interne comportant un bloc moteur avec une pluralité de cylindres dont les pistons sont associés à un vilebrequin et un volant moteur et comportant une machine électrique dont le stator et le rotor sont des éléments discoïdes, le rotor étant disposé solidaire d'une face du volant moteur. 2 0 [0005] Des machines dites discoïdes ne sont certes pas la technologie la plus répandue dans le domaine des machines électriques où la technologie de loin la plus courante consiste à disposer le rotor et le stator de manière concentrique mais cette technologie selon laquelle le rotor et le stator sont en fait deux disques disposés côte à côte en alignement axial se rencontre dans quelques applications spécifiques en particulier dans des moteurs de 25 bateaux, de sous-marins et pour des éoliennes. dites discoïdes . [0006] L'utilisation d'une machine électrique discoïde permet d'obtenir un démarrage rapide du moteur thermique, et cela grâce à un régime élevé qu'il peut atteindre dans un temps très court, on peut récupérer de l'énergie au freinage et, accessoirement, on met à disposition une puissance additionnelle développée par la machine électrique tournante, 3 0 utilisable, par exemple, pendant les phases d'accélération renforcée. [0007] De plus, avec une machine électrique ainsi couplée sur le volant moteur, et donc indirectement au vilebrequin, il devient possible d'ajouter un couple positif ou négatif au volant moteur et donc de minimiser les acyclismes du moteur. Rappelons que les acyclismes du moteur sont essentiellement dus au fait que les mouvements ascendants et descendant des pistons ne sont pas totalement équivalents et créent alternativement un effet d'accélération et de freinage au niveau du vilebrequin, acyclisme essentiellement compensé par le couple du volant moteur). [0008] De préférence, rotor et stator sont disposés coaxialement. [0009] De préférence encore, le rotor est disposé sur la face du volant moteur située en regard du bloc moteur. Cette variante de l'invention plus particulièrement préférée permet de plus de résoudre un problème d'implantation du groupe motopropulseur dans le véhicule. En effet, les contraintes d'implantation sont de plus en plus sévères et cela notamment du fait du nombre d'accessoires à implanter en plus du moteur proprement dit, et aussi en raison des normes de protection, y compris de protection de piétons, et de dépollution. Par ailleurs, de nouvelles fonctions telles que l'utilisation d'une machine électrique tournante unique réunissant en elle les fonctions de démarreur et de générateur, imposent des contraintes supplémentaires telles que le dimensionnement de la transmission de mouvement entre la machine électrique et le moteur thermique et la taille de la machine électrique tournante elle-même 2 0 [0010] En outre, les compartiments moteur des véhicules actuels sont calculés au plus juste, ce qui a pour conséquence que la place disponible pour une chaîne de traction hybride (thermique + électrique) est souvent très limitée. [0011] Pour résoudre le problème du manque de place dans le compartiment moteur d'un véhicule automobile, certains éléments sont rendus indépendants de l'entraînement 25 mécanique venant du moteur thermique grâce à l'entraînement par un ou des moteurs électriques. D'autres solutions sont trouvées en repensant complètement l'architecture du moteur thermique et notamment en repositionnant les sorties d'entraînement, la disposition de pignons, des accouplements axiaux etc. [0012] Toutefois, les diverses réponses aux contraintes anciennes et nouvelles ne peuvent 3 0 pas être adaptées à tous les problèmes à résoudre. Ainsi, par exemple, la fonction nouvelle dite stop and start selon laquelle le moteur thermique ne tourne pas continuellement, mais est arrêté momentanément au cours de l'utilisation d'un véhicule automobile selon des critères prédéterminés, demande la mise en place d'une machine électrique tournante capable de prendre le relais en entraînement lorsque le moteur thermique est arrêté. [0013] En implantant la machine électrique entre le bloc moteur et le volant moteur, on exploite une place disponible inoccupée dans le compartiment moteur d'un véhicule automobile. Outre qu'elle permet l'utilisation d'un volume gratuit , la présente invention apporte par ailleurs encore un autre avantage, à savoir que le stator, implanté sur le bloc moteur, et ses points de fixation, rigidifient la structure du moteur thermique et en particulier la liaison moteur/boite de vitesses. [0014] Selon les règles de la conception d'un moteur à combustion interne, ou moteur thermique, celui-ci dispose d'une sortie de puissance sur laquelle on vient fixer un volant à moteur. Ainsi, on retrouve à une extrémité du moteur un dernier palier de vilebrequin puis, ménagée sur le vilebrequin, une portée cylindrique permettant d'assurer l'étanchéité de l'huile. Il s'ensuit qu'il existe un espace non négligeable entre la face d'appui du volant moteur et la tangente du premier cylindre du moteur thermique. C'est cet espace que la présente invention se propose d'utiliser pour y loger une machine électrique tournante. [0015] Selon un mode de réalisation avantageux, cette machine électrique tournante est conformée pour remplir la fonction d' alterno-démarreur. [0016] En ce qui concerne la conception du moteur thermique, la solution préférée de l'invention apporte l'avantage que la face embrayage n'est pas modifiée et peut donc 2 0 recevoir l'embrayage d'origine. [0017] Un autre avantage est que la conception du moteur thermique du côté du volant moteur ne nécessite pas beaucoup de modifications pour pouvoir implanter le stator. [0018] Par ailleurs, selon les contraintes d'implantation, le stator peut être de révolution complète ou partielle pour s'affranchir de proximités trop sévères avec le cylindre ou le 25 palier de vilebrequin. [0019] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention. [0020] La description est faite en référence aux dessins dans lesquels : [0021] la figure 1 rappelle, en une vue en coupe, la conception d'un moteur thermique du 3 0 côté du volant moteur avant l'invention ; [0022] la figure 2 représente, également en vue en coupe, un agencement selon un second mode de réalisation préféré de l'invention avec une machine électrique discoïde disposée entre le volant moteur et le bloc moteur ; [0023] La figure 1 rappelle de manière très simplifiée, sur une vue en coupe, la conception d'un moteur thermique du côté du volant moteur. La figure 1 montre plus particulièrement un vilebrequin 1 sur lequel est montée une bielle 2 d'un piston, une paroi 3 du bloc moteur et un volant moteur 4. Le volant 4 est pourvu d'une couronne dentée destinée à engrener avec un démarreur. [0024] On peut donc noter aisément un espace 6 entre le volant moteur 4 et le bloc 10 moteur disponible l'invention. [0025] Selon l'invention, le moteur est associé à une machine électrique du type discoïde. Plus précisément, et comme illustré avec la figure 2, le stator et le rotor sont deux disques dont les axes sont disposés parallèlement à l'axe du vilebrequin avec un rotor monté solidaire du volant moteur. 15 [0026] Le stator peut être disposé sur la face du volant tournée vers l'embrayage ou, dans la variante de réalisation préférée ici représenté, sur une paroi modifiée du bloc moteur. [0027] Sur cette figure 2, il est important de noter que deux plans restent inchangés par rapport au moteur de série illustré figure 1 : la face d'appui vilebrequin/volant et la position de la face de friction de l'embrayage. La machine électrique est implantée 2 0 autour du nez du vilebrequin et du palier, avec une partie implantée sur le volant moteur et une partie implantée sur le bloc moteur. [0028] Pour mieux accueillir la machine électrique, la paroi 3A du bloc moteur, tournée vers le volant moteur a été légèrement modifiée. [0029] Il en est de même de la paroi périphérique du volant moteur modifiée par rapport 25 à celle du volant moteur 4 de la figure 1 et qui, de plus, ne comprend plus de couronne dentée 5. [0030] Ainsi, l'espace initial 6 entre le volant moteur et la paroi du bloc moteur a été agrandi pour faire la place pour un stator 13 et un rotor 14. La face d'appui vilebrequin/volant, reste exactement à la même distance que dans le cas du moteur série 3 0 connu de l'art illustré figure 1. [0031] Ces modifications peuvent se faire par usinage, notamment si on cherche à modifier un bloc moteur ou un volant moteur conventionnels, ou par modification de ces éléments au stade de la coulée ce qui est bien sûr préférable du point de vue d'une application série. [0032] Quelque soit le mode de réalisation choisi, l'entrefer entre le stator et le rotor doit être petit. [0033] Quel que soit le mode de réalisation retenu, il est clair que la forme du stator est déterminée en fonction de la place disponible. Ainsi, plutôt qu'un disque complet, le stator peut être de révolution partielle et/ou réalisé en plusieurs parties. [0034] De même, les dimensions du rotor sont choisies en tenant compte de l'espace approprié, et notamment pourra être de révolution partielle. Le rotor peut être constitué par des aimants permanents ou des électroaimants ou encore en un acier ferro-magnétique passif. [0035] Stator et rotor sont fixés au bloc moteur ou respectivement au volant moteur par tout moyen approprié, notamment par collage, frettage ou assemblage mécanique. [0036] L'électronique de puissance nécessaire au fonctionnement de la machine électrique, et non représentée sur les figures, pourra être fixée directement sur le carter moteur ou à quelconque autre endroit approprié du compartiment moteur. [0037] La machine électrique peut être utilisée pour assurer différentes fonctions. Parmi celles-ci, citons tout particulièrement le démarrage du moteur (démarreur), la recharge de la 2 0 batterie du véhicule (alternateur) ; ces deux fonctions étant typiquement combinées (alterno-démarreur), l'invention permettant un gain de compacité tout particulièrement intéressant avec les petits véhicules pour lesquels le compartiment moteur est nécessairement petit. [0038] La machine électrique peut également être utilisée comme source d'énergie du 2 5 véhicule. Il peut s'agit par exemple d'un complément d'énergie permettant de booster le véhicule en assurant un surcroît de puissance par exemple dans des phases d'accélération. Cette machine électrique peut également assurer l'énergie nécessaire pour le redémarrage du véhicule, pendant la période nécessaire au redémarrage du moteur lorsque celui-ci a été stoppé suite à l'arrêt temporaire du véhicule (application dite stop-and-start). 3 0 [0039] Enfin, comme la machine est disposée sur le volant moteur, elle peut être utilisée pour récupérer de l'énergie au freinage. [0040] Les caractéristiques de la machine électrique dépendront bien entendu des utilisations envisagées. A titre indicatif, la puissance électrique d'un démarreur ou d'un alternodémarreur est de l'ordre de 1,5KW. Si la machine électrique est utilisée pour la propulsion du véhicule (soit pour de courte période comme pour les applications dites stop and start soit pour des périodes prolongées comme pour les applications véhicule hybride, la puissance requise sera comprise entre 8 et 16 KW. Notons par ailleurs que comme la machine selon l'invention vient se loger dans un espace inoccupé, rien n'interdit d'utiliser en complément une machine électrique logée dans une position conventionnelle et de répartir ensuite l'ensemble de la puissance disponible pour les multiples applications souhaitées. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant un bloc moteur avec une pluralité de cylindres dont les pistons sont associés à un vilebrequin et un volant moteur, caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique dont le stator et le rotor sont des éléments discoïdes, le rotor étant disposé solidaire d'une face du volant moteur. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor et le stator sont disposés co-axialement. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rotor est disposé sur la 10 face du volant moteur située en regard du bloc moteur. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le stator est disposé solidaire de la face du bloc moteur tournée vers le volant moteur. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la machine électrique est disposée dans l'espace entre la face d'appui du volant moteur et le premier cylindre du 15 moteur thermique. 6. Véhicule automobile comportant un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Véhicule selon la revendication 6, selon lequel la machine électrique assure l'énergie nécessaire au redémarrage du véhicule pendant le redémarrage du moteur lorsque 2 0 celui-ci a été stoppé suite à l'arrêt temporaire du véhicule. 8. Véhicule selon la revendication 6 caractérisé en ce que la machine électrique produit un couple négatif ou positif, utilisé pour réduire les acyclismes du moteur.