Brevet FR2898080A1 — publié le 20070907

-1- 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 contraintes d'implantation des groupes motopropulseurs dans des véhicules 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. [0003] 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. [0004] Pour résoudre le problème du manque de place dans le compartiment moteur d'un véhicule automobile, certains éléments sont rendus indépendants de l'entraînement 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. [0005] Toutefois, les diverses réponses aux contraintes anciennes et nouvelles ne peuvent 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 3 0 thermique est arrêté. -2- [0006] Le but de l'invention est de proposer un emplacement pour une machine électrique tournante reliée à un moteur thermique, qui contribue à mieux exploiter que jusqu'à maintenant la place disponible dans un compartiment moteur d'un véhicule automobile. [0007] Selon l'invention et conformément à la revendication 1, ce but est atteint par la disposition de la machine électrique entre le bloc moteur et le volant moteur, le stator de la machine électrique étant implanté sur le bloc moteur alors que le rotor est implanté sur le volant moteur. [0008] Selon les règles de la conception d'un moteur à combustion interne, ou moteur thermique, celuici 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. [0009] Selon un mode de réalisation avantageux, cette machine électrique tournante est conformée pour remplir la fonction d' alterno-démarreur. [0010] Outre qu'elle permet l'utilisation d'un volume gratuit , la présente invention 2 0 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. [0011] En ce qui concerne la conception du moteur thermique, la solution de l'invention apporte l'avantage que la face embrayage n'est pas modifiée et peut donc recevoir 25 l'embrayage d'origine. [0012] 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. [0013] 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 3 0 palier de vilebrequin. -3- [0014] La machine électrique peut être une machine dite à flux radial, c'est-à-dire avec un rotor et un stator disposés de façon concentrique par rapport à l'axe moteur, conformément à la disposition conventionnelle d'un alterno-démarreur. [0015] Selon une autre variante de l'invention, la machine électrique est dite discoïde à flux axial, le stator et le rotor étant alors constitués par des éléments discoïdes, le stator comprenant un premier disque solidaire d'une face du bloc moteur située en regard du volant moteur et le rotor comprenant un second disque solidaire d'une face du stator volant moteur située en regard du bloc moteur. De préférence, le rotor et le stator sont disposés co-axialement. [0016] 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 bateaux, de sous-marins et pour des éoliennes. dites discoïdes . [0017] 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, 2 0 utilisable, par exemple, pendant les phases d'accélération renforcée. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention. [0019] La description est faite en référence aux dessins dans lesquels : [0020] la figure 1 rappelle, en une vue en coupe, la conception d'un moteur thermique 2 5 du côté du volant moteur avant l'invention ; [0021] la figure 2 montre comment l'espace entre le bloc moteur et le volant moteur peut-être utilisé pour y implanter une machine électrique ; [0022] la figure 3 représente, en une vue en coupe, l'agencement selon un premier mode de réalisation de l'invention, utilisant une machine électrique à flux radial ; -4- [0023] la figure 4 représente, également en une vue en coupe, un agencement similaire à celui de la figure 3, mais dans lequel le rotor est sur la partie de la machine électrique la plus éloignée de l'arbre du moteur ; [0024] la figure 5 représente, également en vue en coupe, l'agencement selon un second mode de réalisation de l'invention avec une machine électrique discoïde. [0025] 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 situé dans la zone terminale ou nez 7 du vilebrequin. Le volant 4 est pourvu d'une couronne dentée 5 destinée à engrener avec un démarreur. [0026] On peut donc noter aisément un espace 6 inoccupé entre le volant moteur 4 et le bloc moteur. [0027] A la figure 2, on a illustré comment cet espace 6 pouvait être modifié pour permettre l'implantation d'une machine électrique 10 entre une paroi 3A du bloc moteur et une paroi 4A du volant moteur. Les parois 3A et 4A sont modifiées d'une part pour agrandir l'espace 6 et permettre ainsi d'y loger la machine électrique et d'autre part pour permettre de solidariser certaines parties de la machine électrique avec ces parois. De plus, le volant ne comporte plus de couronne dentée 5. [0028] Par souci de simplicité, les éléments communs aux figures 1 et 2 ont été repris avec la même numérotation. 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 8 et la position 12 de la face de friction de l'embrayage. La machine électrique est implantée autour du nez 7 du vilebrequin et du palier, avec une partie implantée sur le volant moteur et une partie implantée sur le bloc moteur. Sur cette figure 2, on note de plus qu'une partie de la machine électrique est implantée autour du nez du vilebrequin (partie située à gauche du plan 8) et qu'une autre partie est implantée sur le volant moteur (partie située entre le plan 8 et le plan Il). [0029] La figure 3 montre l'implantation d'un premier type de machine électrique, à 3 0 savoir une machine électrique concentrique à rotor interne. [0030] La face du bloc moteur a été modifiée pour former un support pour la mise en place du stator 13. De même le volant est maintenant conformé pour recevoir le rotor 14. -5[0031] Dans le mode illustré à la figure 3, le stator 13 est l'élément externe de la machine électrique. Dans la variante illustrée à la figure 4, stator et rotor sont inversés de sorte que l'élément externe de la machine électrique est maintenant le rotor 14. Dans tous les cas, le stator est associé au bloc moteur alors que le rotor est associé au volant. La variante de la figure 4 est plus particulièrement préférée car l'inertie sur le volant est alors plus importante. [0032] Selon un autre mode de réalisation de l'invention tout particulièrement préféré, la machine électrique disposée entre le bloc moteur et le volant moteur est du type discoïde. [0033] Ce mode de réalisation est illustré tout particulièrement figure 5 : le stator 13 et le rotor 14 sont deux disques dont les axes sont disposés parallèlement à l'axe du vilebrequin. Le stator est disposé sur une paroi modifiée du bloc moteur. Le rotor est disposé sur la paroi modifiée du volant moteur. [0034] Cette modification peut se faire par simple usinage d'un bloc moteur conventionnel, ou par modification de celui-ci au stade de la coulée ce qui est bien sûr préférable du point de vue d'une application série. [0035] Quelque soit le mode de réalisation choisi, l'entrefer entre le stator et le rotor doit être petit. [0036] De plus, 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. [0037] 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. [0038] Stator et rotor sont fixés au bloc moteur ou respectivement au volant moteur par tout moyen approprié, notamment par collage, frettage ou assemblage mécanique. [0039] L'électronique de puissance nécessaire au fonctionnement de la machine électrique, et non représentée sur les figures, pourra être fixée directement sur le carter 3 0 moteur ou à quelconque autre endroit approprié du compartiment moteur. [0040] La machine électrique peut être utilisée pour assurer différentes fonctions. Parmi celles-ci, citons tout particulièrement le démarrage du moteur (démarreur), la recharge -6- de la 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. [0041] La machine électrique peut également être utilisée comme source d'énergie du 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). [0042] Enfin, comme la machine est disposée sur le volant moteur, elle peut être utilisée pour récupérer de l'énergie au freinage. Par ailleurs, comme la machine est couplée au volant moteur, et donc indirectement au vilebrequin, elle peut être utilisée pour minimiser les acyclismes du moteur en ajoutant un couple positif ou négatif. 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). [0043] 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.30 REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant un bloc moteur (3) avec une pluralité de cylindres dont les pistons sont associés à un vilebrequin et un volant moteur (4, 10), caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique disposée dans l'espace entre la face d'appui du volant moteur et le premier cylindre du moteur thermique,entre le bloc moteur et le volant moteur, une partie de la machine électrique est disposée entre la face d'appui du volant moteur sur le vilebrequin et le cylindre , le stator de la machine étant solidaire d'une face (3A) du bloc-moteur située en regard du volant moteur et le rotor étant solidaire d'une face (11) du volant moteur située en regard du bloc moteur. 2. Moteur selon la revendication 1, selon lequel le stator et le rotor sont disposés de façon concentrique par rapport à l'axe du moteur, entourant l'extrémité du vilebrequin proche du volant moteur. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le stator est externe. 4. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le stator est interne. 5. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator et le rotor sont des éléments discoïdes. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rotor et le stator sont disposés co-axialement. 2 0 7. Véhicule automobile comportant un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Véhicule selon la revendication 7, selon lequel la machine électrique assure l'énergie nécessaire au redémarrage du véhicule pendant le redémarrage du moteur lorsque celui-ci a été stoppé suite à l'arrêt temporaire du véhicule.-8- 9. Véhicule selon la revendication 7 caractérisé en ce que la machine électrique produit un couple négatif ou positif, utilisé pour réduire les acyclismes du moteur.