Brevet FR2937380A1 — publié le 20100423

Dispositif et procédé d'ouverture de soupape pour moteurs à pistons alternatifs. Domaine technique La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour ouvrir une soupape intégrée au piston d'un moteur à combustion interne à piston(s) 5 alternatif(s). Technique antérieure 10 Le document DE 42 05 663 présente à la figure 3 un moteur à combustion interne à pistons alternatifs avec une soupape intégrée au piston. L'ouverture de ladite soupape est réalisée par l'entrée en contact mécanique, pendant la descente du piston, de la tige de ladite soupape avec un bossage réalisé dans le carter. Avec une telle conception, pour obtenir une levée significative de la soupape d'admission, 15 ladite tige de soupape heurte ledit bossage avec une vitesse significative, pendant la descente du piston. Il y a donc un choc mécanique entre ladite tige de soupape et ledit bossage. Ces chocs répétitif sont facteur de bruit et entraînent un risque de dégradation rapide par matage, de la matière constitutive de ladite tige de soupape et dudit bossage. 20 Exposé de l'invention La présente invention à pour objet de remédier à l'inconvénient de l'art antérieur. 25 La présente invention concerne un procédé appliqué à un moteur à combustion interne avec remplissage du comburant par le carter, comprenant au moins un cylindre avec une chambre de combustion, un équipage mobile comportant un piston déplaçable en translation sous l'action d'une bielle liée par un axe audit 30 piston et raccordée à un maneton d'un vilebrequin, ledit piston effectuant une course entre un point mort haut et un point mort bas en laissant subsister, lorsque le piston est au point mort haut, un volume de pré compression au dessous et un volume mort au dessus dudit piston, au moins une soupape d'admission placée dans ledit piston à laquelle correspond une pièce de poussée liée au carter du moteur, 35 ladite soupape d'admission étant solidaire d'une zone de réception qui permet de transmettre l'effort de levée de soupape caractérisé en ce qu'il consiste à établir de façon maîtrisée un champ de forces qui s'applique entre ladite pièce de poussée et ladite zone de réception, pour ouvrir ladite soupape d'admission et à limiter l'intensité dudit champ de forces de sorte que les contraintes mécaniques induites dans ladite pièce de poussée et dans ladite zone de réception soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. La présente invention permet donc d'ouvrir une soupape intégrée dans un piston 5 d'un moteur à combustion interne en maîtrisant le champ de forces utilisé afin de permettre d'obtenir une durée de vie au niveau souhaité, fonction des applications. Selon une première caractéristique de l'invention, ledit champ de forces est établi de façon électromagnétique. L'électromagnétisme présente l'avantage de permettre de d'obtenir des temps de réponse très rapides et donc de piloter précisément l'amplitude et la durée d'ouverture de ladite soupape d'admission. 15 Selon une seconde caractéristique de l'invention, l'ouverture de la soupape est pilotée en amplitude. Selon une troisième caractéristique de l'invention, l'ouverture de la soupape est pilotée en durée. Selon une quatrième caractéristique de l'invention, l'ouverture de la soupape est pilotée en amplitude et en durée. Les seconde, troisième et quatrième caractéristiques précitées sont utiles 25 industriellement pour optimiser le rendement d'un moteur à combustion interne. Selon une cinquième caractéristique de l'invention, l'ouverture de la soupape est pilotée en amplitude et en durée pour obtenir une plage de fonctionnement du moteur en mode de combustion homogène par auto inflammation. Les avantages de cette cinquième caractéristique porte sur l'amélioration du rendement énergétique du moteur et sur la diminution des rejets d'oxydes d'azote, obtenus grâce au mode de combustion homogène par auto inflammation. 35 Selon une variante, ledit champ de forces est établi grâce à la compression d'un gaz. Cette variante présente l'avantage de permettre des conceptions simples, ce qui est utile pour les applications industrielles d'entrée de gamme. 10 20 305 Selon une autre variante, le champ de forces est établi par un système mécanique. Cette autre variante présente l'avantage de permettre des conceptions très robustes et de très grandes durées de vie. Description sommaire des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de 10 la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexés : - la figure 1 qui montre une vue en coupe transversale d'un moteur en ligne selon l'invention, le piston étant au point mort haut ; 15 - la figure 2 qui montre une vue en coupe transversale du piston selon l'invention ; - la figure 3 qui montre une vue zoomée d'une partie de la soupape d'admission et du piston ; - la figure 4 qui montre une vue partielle en coupe transversale d'un moteur en ligne équipé d'un dispositif électromagnétique ; 20 - la figure 5 qui montre une vue partielle en coupe transversale d'un moteur en ligne équipé d'un dispositif avec culbuteur ; - la figure 6 qui montre une vue partielle en coupe transversale d'un moteur en ligne équipé d'un premier type de dispositif pneumatique ; - la figure 7 qui montre une vue partielle en coupe transversale d'un moteur en 25 ligne équipé d'un second type de dispositif pneumatique ; - la figure 8 qui montre une vue en coupe transversale d'un moteur en ligne au point mort bas équipé d'un dispositif électromagnétique ; - la figure 9 qui montre une vue en coupe transversale d'un moteur en ligne au point mort bas équipé d'un premier dispositif pneumatique ; 30 - la figure 10 qui montre une vue en coupe transversale d'un moteur en ligne au point mort bas équipé d'un second dispositif pneumatique ; - la figure 11 qui montre une vue en coupe transversale d'un moteur en ligne au point mort bas équipé d'un dispositif avec culbuteur. 35 Manières de réaliser l'invention La figure 1 montre un moteur 1 à combustion interne à pistons alternatifs avec admission par le carter 16. Ce moteur 1 comprend au moins un cylindre 9 avec une chambre de combustion, un équipage mobile comportant un piston 10 déplaçable en translation sous l'action d'une bielle 15 liée par un axe audit piston 10 et raccordée à un maneton d'un vilebrequin 17 guidé en rotation dans le carter 16, ledit piston 10 effectuant une course entre un point mort haut et un point mort bas en laissant subsister, lorsque le piston est au point mort haut, un volume de pré compression 14 au dessous et un volume mort au dessus dudit piston 10. Le moteur 1 est équipé d'une soupape d'admission 4 placée dans le piston 10 et d'une soupape d'échappement 3 placée dans la culasse 2. Une tuyère d'admission 12 est placée sous la soupape d'admission 4. Le volume de pré compression 14, l'intérieur du carter 16 et la tuyère d'admission 12 sont en communication afin de permettre l'admission du comburant. Une zone de réception 5 est solidaire de la soupape d'admission 4 et une pièce de poussée 6 est liée au carter 16. Une cavité de lubrification 8 est ménagée entre le piston 10 et la chemise du cylindre 9. L'étanchéité de la cavité de lubrification 8 est assurée grâce à trois segments par rapport à la chambre de combustion et grâce à deux segments par rapport au volume de pré compression 14. Une circulation de lubrifiant est assurée entre la cavité de lubrification 8 et une bâche hydraulique extérieure au carter 16, non représentée. Cette circulation de lubrifiant est réalisée grâce à un circuit hydraulique aller et retour qui transite par le carter 16 au niveau des paliers, par le vilebrequin 17, par la bielle 15 et par le piston 10. Des joints assurent l'étanchéité du circuit hydraulique à chaque interface entre ces pièces. La figure 2 illustre un moyen de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Un champ de force 22 s'applique entre la pièce de poussée 6 et la zone de réception 5. Ledit champ de forces 22 est composé de forces qui s'exercent directement entre la pièce de poussée 6 et la zone de réception 5. La disposition et les fonctionnalités de la pièce de poussée 6 et de la zone de réception 5 permettent de limiter l'intensité du champ de forces 22 de sorte que les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6 et dans la zone de réception 5 soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. Le montage de la soupape d'admission 4 est illustré sur la figure 3. La soupape d'admission 4 comporte une tige 23 qui coulisse dans un fourreau de guidage 21. De l'huile de lubrification est prélevée sur la cavité de lubrification 8, par des canalisations non représentées, pour lubrifier l'interface entre la tige 23 et le fourreau de guidage 21. L'étanchéité de cette huile de lubrification par rapport à la chambre de combustion est assurée par un joint torique 25 et par rapport au volume de pré compression 14 par un second joint torique non représenté. Un siège de soupape 24 est inséré dans le piston 10. La figure 3 montre également des segments 20 du piston 10. L'amortissement de la soupape 4 en fin de fermeture est réalisé par la compression de gaz dans une chambre annulaire 19 grâce à l'obturation par un épaulement 18. L'amortissement est réalisé à l'aide d'une conception du même type pour la fin de l'ouverture. Pour le premier mode préféré de réalisation représenté sur les figures 4 et 8, la pièce de poussée 6a est solidaire du carter 16 du moteur. Cette pièce de poussée 6a et la zone de réception 5a solidaire de la soupape d'admission 4 ont des fonctions électromagnétiques qui permettent d'établir un champ de forces 22 électromagnétique entre ces deux pièces. Le moteur est au voisinage du point mort bas sur les figures 4 et 8. La soupape d'admission 4 est fermée sur la figure 4 et ouverte sur la figure 8. Un dispositif électronique de commande et de puissance, non représenté, permet d'établir de façon maîtrisée un champ de forces 22 entre la pièce de poussée 6a et la zone de réception 5a afin d'ouvrir la soupape d'admission 4 au voisinage du point mort bas du piston 10 et permet également de limiter l'intensité dudit champ de forces 22 de sorte que les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6a et dans la zone de réception 5a soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. Le dimensionnement est réalisé de sorte que le champ de force 22 devienne suffisamment faible pour provoquer la fermeture de la soupape d'admission 4 pendant l'accélération du piston 10 depuis son point mort bas. La soupape d'admission 4 est ensuite maintenue fermée par la pression dans la chambre de combustion, des gaz frais puis des gaz de combustion, jusqu'à l'ouverture de la soupape d'échappement 3. Le dispositif d'ouverture de la soupape d'échappement 3 n'est pas représenté. Ce dernier peut être mécanique, pneumatique ou électromagnétique. Deux variantes de réalisation sont représentées sur les figures 6, 7, 9 et 10. La pièce de poussée 6b, 6c est solidaire du carter 16 du moteur 1. La pièce de poussée 6b, 6c et la zone de réception 5b, 5c ont des fonctions pneumatiques. Le piston 10 est situé entre les points morts haut et bas sur les figures 6 et 7, et au point mort bas sur les figures 9 et 10. Une cavité d'amortissement 7b, 7c contient de l'air. La cavité d'amortissement 7b est placée dans la pièce de poussée 6b pour la variante représentée sur les figures 6 et 9, et placée dans le piston 10 pour la variante représentée sur les figures 7 et 10. A l'approche du point mort bas, cette cavité d'amortissement 7b, 7c se ferme et l'air qu'elle contient se trouve comprimé entre la pièce de poussée 6b, 6c et la zone de réception 5b, 5c. Par voie de conséquence, un champ de forces 22 pneumatique s'établit et s'applique entre la pièce de poussée 6b, 6c et la zone de réception 5b, 5c. Le dimensionnement et le positionnement de la pièce de poussée 6b, 6c et de la zone de réception 5b, 5c sont réalisés pour que l'intensité du champ de forces 22 soit suffisant pour ouvrir la soupape d'admission 4 tout en étant limité de sorte que les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6b, 6c et dans la zone de réception 5b, 5c soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. Le jeu entre la pièce de poussée 6b, 6c et la zone de réception 5b, 5c est un moyen de maîtrise par conception de l'intensité du champ de forces 22. En effet, ce jeu induit une fuite d'air qui limite la pression de compression dans la cavité d'amortissement 7b, 7c. La pièce de poussée 6b, 6c, la zone de réception 5b, 5c et la cavité d'amortissement 7b, 7c ont une fonction d'amortisseur qui permet de stopper la soupape 4 avant le point mort bas. Pour la variante représentée sur les figures 5 et 11, une pièce de poussée 6d est articulée sur le carter 16 du moteur 1. La pièce de poussée 6d a une fonction de culbuteur. Une zone de réception 5d est solidaire de la soupape d'admission 4. La zone de réception 5d et la pièce de poussée 6d ont des propriétés anti-usure et de faible coefficient de frottement au niveau de leur surface qui entre en contact au cours du fonctionnement du moteur 1. Un actionneur électromagnétique 27 commandé par un dispositif électronique de commande et de puissance, non représenté, permet de faire pivoter la pièce de poussée 6d. Au voisinage du point mort bas, l'actionneur électromagnétique 27 fait pivoter la pièce de poussée 6d afin d'établir de façon maîtrisée un champ de forces 22 mécanique entre la pièce de poussée 6d et la zone de réception 5d. L'intensité du champ de force 22 mécanique est contrôlée afin d'ouvrir la soupape d'admission 4 et de limiter les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6d et dans la zone de réception 5d à des niveaux inférieurs aux limites élastiques de leurs matériaux respectifs. Selon une autre variante, non représentée, un arbre à came permet de faire pivoter la pièce de poussée 6d. Le retour de la pièce de poussée 6d est assuré par un ressort. Le calage de l'arbre à came est réalisé de sorte que l'action de la came commence à avoir un effet en ouverture sur la soupape d'admission 4 lorsque le piston 10 est au point mort bas. En conséquence, la pièce de poussée 6d prend appui sur la pièce de réception 5d, pour commencer l'ouverture de la soupape d'admission 4, lorsque cette la soupape d'admission 4 est immobile, après qu'elle ait été décélérée par le piston 10. Ce calage permet donc de maîtriser l'intensité du champ de forces 22 mécanique afin de limiter les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6d et dans la zone de réception 5d à des niveaux inférieurs aux limites élastiques de leurs matériaux respectifs. Pour toutes les variantes de réalisation selon l'invention, le moteur peut fonctionner en mode deux temps en continu ou avec des cycles désactivés. Les cycles désactivés permettent de diminuer la consommation de carburant lorsqu'une puissance faible est requise par l'utilisateur, comparativement à la puissance nominale du moteur. Cette désactivation est obtenue en stoppant l'alimentation du carter 16 en comburant ou en stoppant l'alimentation en carburant. La quantité d'air admis peut être régulée, pour toutes les variantes selon l'invention, par la régulation de l'air admis dans le carter 16. Les versions électromagnétiques offrent en sus la possibilité de réguler l'air admis par la régulation de l'ouverture de la soupape d'admission 4 en amplitude et/ou en durée. Selon l'invention, une variante consiste à placer deux soupapes dont les tiges 23 traversent l'axe du piston 10, de part et d'autre la bielle 15. Une autre série de variantes selon l'invention consiste à placer une soupape d'admission 4 de sorte que sa tige 23 soit en dehors de l'axe du piston 10 et en dehors de la trajectoire de la bielle 15. Cette conception permet de placer entre une, deux, trois ou quatre soupapes dans le piston 10. Dans les variantes selon l'invention, où plusieurs soupapes 4 sont à commande électromagnétique, chacune des soupapes 4 peut être ouverte avec des amplitudes et des durées différentes entre chaque soupape 4. Ce fonctionnement offre plus de latitude pour optimiser le moteur en fonction de l'application. Possibilités d'application industrielle La présente invention peut s'appliquer à tous les moteurs à piston alternatif, à 30 remplissage par le carter 16. Pour les moteurs à deux temps, la présente invention peut être appliquée afin d'allonger significativement leur durée de vie, tout en minimisant la consommation d'huile. La présente invention permet également d'élargir la plage de 35 fonctionnement possible en mode de combustion homogène par auto inflammation. 20 25 5 10 15 25 30 35 REVENDICATIONS1) Procédé appliqué à un moteur 1 à combustion interne avec remplissage du comburant par le carter 16, comprenant au moins un cylindre 9 avec une chambre de combustion, un équipage mobile comportant un piston 10 déplaçable en translation sous l'action d'une bielle 15 liée par un axe audit piston 10 et raccordée à un maneton d'un vilebrequin 17, ledit piston 10 effectuant une course entre un point mort haut et un point mort bas en laissant subsister, lorsque le piston est au point mort haut, un volume de pré compression 14 au dessous et un volume mort au dessus dudit piston 10, au moins une soupape d'admission 4 placée dans ledit piston 10 à laquelle correspond une pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d liée au carter 16 du moteur 1, ladite soupape d'admission 4 étant solidaire d'une zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d qui permet de transmettre l'effort de levée de soupape caractérisé en ce qu'il consiste à établir de façon maîtrisée un champ de forces 22 qui s'applique entre ladite pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d et ladite zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d pour ouvrir ladite soupape d'admission 4 et à limiter l'intensité dudit champ de forces 22 de sorte que les contraintes mécaniques induites dans ladite pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d et dans ladite zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ de forces 22 est établi de façon électromagnétique. 3) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ de forces 22 est établi grâce à la compression d'un gaz dans une fonction d'amortisseur 4) Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 3 caractérisé en ce que le moteur 1 fonctionne, au moins sur une plage, en mode de combustion homogène par auto inflammation. 5) Moteur à combustion interne avec remplissage du comburant par le carter 16, comprenant au moins un cylindre 9 avec une chambre de combustion, un équipage mobile comportant un piston 10 déplaçable en translation sous l'action d'une bielle 15 liée par un axe audit piston 10 et raccordée à un maneton d'un vilebrequin 17, ledit piston 10 effectuant une course entre un point mort haut et un point mort bas en laissant subsister, lorsque le piston est au point mort haut, un volume de pré compression 14 au dessous et un volume mort au dessus dudit piston 10, au moins une soupape d'admission 4 placée dans ledit piston 10 à laquelle correspond une pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d liée au carter 16 du moteur 1, ladite soupape d'admission 4 étant solidaire d'une zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d qui permet de transmettre l'effort de levée de soupape caractérisé en ce que la disposition et les fonctionnalités de la pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d et de la zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d permettent de générer une champ de forces 22 composé de forces qui s'exercent directement entre la pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d et la zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d et permettent également de limiter l'intensité du champ de forces 22 de sorte que les contraintes mécaniques induites dans la pièce de poussée 6, 6a, 6b, 6c, 6d et dans la zone de réception 5, 5a, 5b, 5c, 5d soient inférieures aux limites élastiques des matériaux respectifs de ces pièces. 6) Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pièce de poussée 6a est solidaire du carter 16, cette pièce de poussée 6a et la zone de réception 5a ayant des fonctions électromagnétiques. 7) Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pièce de poussée 6b, 6c est solidaire du carter 16, la pièce de poussée 6b, 6c et la zone de réception 5b, 5c solidaire de la soupape d'admission 4 ayant des fonctions pneumatiques. 8) Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pièce de poussée 6 et la zone de réception 5 ont une fonction d'amortisseur pour la soupape d'admission 4. 25 9) Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pièce de poussée 6d est articulée sur le carter 16, la pièce de poussée 6d ayant une fonction de culbuteur. 30 10) Moteur selon la revendication 9 caractérisé en ce que un arbre à came permet de faire pivoter la pièce de poussée 6d afin d'ouvrir la soupape d'admission 4. 10 15 20