Brevet FR2947000A1 — publié le 20101224

� Mécanisme de soupape, notamment d'admission ou d'échappement pour moteur à combustion � DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un mécanisme de soupape, notamment d'admission ou d'échappement, pour un moteur thermique ou moteur à combustion, par exemple un moteur à combustion interne. L'invention trouve à s'appliquer à tous types de moteurs à combustion, quel que soit le type de carburant utilisé, le type d'alimentation en carburant et/ou le type de combustion. ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION Un moteur à combustion, par exemple interne, de conception générale connue, comporte ainsi au moins un cylindre moteur dans lequel se déplace un piston qui est relié par une bielle à un vilebrequin de sortie. En partie haute, le cylindre, formé dans un bloc-cylindre(s), est fermé par une culasse qui délimite ainsi la chambre de combustion et dans laquelle sont agencés généralement au moins un conduit d'admission et au moins un conduit d'échappement. Chacun de ces deux conduits est muni d'une soupape, respectivement d'admission et d'échappement. Chaque soupape comporte, de manière connue, une tige de soupape et une tête de soupape qui est apte à reposer de manière étanche contre un siège annulaire tronconique de soupape appartenant à la culasse du moteur. La soupape est munie d'un ressort de rappel qui agit sur la queue de la soupape pour rappeler cette dernière en position de fermeture du conduit, aussi appelée position fermée de la soupape. 2 Pour provoquer l'ouverture de la soupape à l'encontre de l'effort de rappel qui est exercé par le ressort de soupape, il peut être prévu un culbuteur ou une came qui agit par exemple sur le tronçon d'extrémité libre de la tige ou queue de la soupape. L'action de la came ou du culbuteur sur la tige de la soupape provoque un déplacement de cette dernière selon l'axe de la tige de la soupape selon une course d'ouverture, et réciproquement de fermeture, qui est appelée la levée de la soupape. io De nombreux travaux et perfectionnement connus visent à améliorer les différents paramètres relatifs à l'alimentation de la chambre de combustion délimitée par le piston, le cylindre et la culasse en comburant et/ou en mélange comburant/carburant, et de même à améliorer l'évacuation des gaz brûlés à l'issue de la 15 combustion. En effet, par exemple dans le cas d'un moteur à combustion interne selon un cycle dit � à quatre temps �, lors de la descente du piston pendant la phase d'aspiration, la dépression qui en résulte permet de provoquer le déplacement de la colonne 20 d'air, faisant fonction de comburant, dans le conduit d'admission pour pénétrer dans le cylindre en passant dans l'espace annulaire délimité par le siège de soupape et la périphérie de la tête de la soupape. Lors de la remontée du piston après la phase motrice 25 d'explosion, les gaz brûlés s'évacuent sous très forte pression, de la même manière, au travers de l'ouverture annulaire délimitée par le siège de soupape et la périphérie annulaire de la soupape d'échappement. Les gaz d'échappement s'évacuent aussi grâce à la 30 remontée mécanique du piston qui pousse les gaz brûlés à évacuer par le conduit d'échappement. D'une manière générale, pour améliorer le rendement du cylindre, il est nécessaire que le cylindre puisse recevoir une 3 quantité maximale d'air comburant, mélangée ou non à du carburant, de manière à pouvoir augmenter le taux de compression et donc fournir une quantité maximale d'oxygène pour la combustion en évitant ainsi le phénomène de carburant imbrûlé. Un bon remplissage maximal en air comburant, associé bien entendu à une bonne maîtrise des autres paramètres tels que l'alimentation en carburant, permet de fournir une puissance optimale. io A titre d'exemple, le taux de remplissage d'un cylindre varie de 0,7 à 0,8 en fonction des conditions d'aspiration. Une solution pour améliorer les performances et l'aspiration consiste par exemple à prévoir une suralimentation des gaz admis dans le cylindre, par exemple en utilisant un 15 turbocompresseur qui permet de disposer de gaz admis à une pression supérieure à la pression atmosphérique en permettant ainsi de faire varier le taux de remplissage jusqu'à des valeurs comprises entre 1,2 et par exemple 1,3. La présente invention vise à proposer une nouvelle 20 solution à l'amélioration de la respiration d'un moteur thermique sans devoir faire appel nécessairement à des moyens de suralimentation. RESUME DE L'INVENTION 25 Dans ce but l'invention propose un mécanisme de soupape d'admission ou d'échappement pour un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première soupape externe (ou soupape primaire) 30 comportant une première tige externe de soupape et une première tête externe de soupape qui est annulaire et qui est apte à reposer de manière étanche contre un premier siège externe de soupape, appartenant par exemple à une culasse du moteur ; 4 - une deuxième soupape interne (ou soupape secondaire) comportant une deuxième tige interne de soupape et une deuxième tête interne de soupape qui est apte à reposer de manière étanche contre un deuxième siège interne de soupape formé dans la première tête externe de soupape ; - et des moyens de commande des déplacements des deux soupapes l'une par rapport à l'autre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les première et deuxième soupapes sont coaxiales, la io première tige de soupape est une tige externe creuse, et la deuxième tige de soupape est une tige interne qui est reçue à l'intérieur de la première tige creuse ; - la deuxième tige de soupape est montée coulissante axialement à l'intérieur de la première tige creuse ; 15 - la première soupape est équipée d'un premier ressort de rappel de cette soupape vers sa position fermée dans laquelle la première tête de soupape repose de manière étanche contre le premier siège de soupape, et la deuxième soupape est équipée d'un deuxième ressort de rappel de cette soupape vers sa 20 position fermée dans laquelle la deuxième tête de soupape repose de manière étanche contre le deuxième siège de soupape; - le deuxième ressort de rappel est interposé élastique-ment entre la deuxième soupape et la première soupape; - les moyens de commande des déplacements des deux 25 soupapes l'une par rapport à l'autre agissent sur les extrémités libres des tiges des première et deuxième soupapes ; - en variante, les moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins une came de commande qui comporte au moins un profil de came qui coopère avec 30 l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape (la deuxième soupape interne pouvant entraîner la première soupape externe au delà d'une certaine course axiale) ; - les moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins une came de commande des déplacements axiaux des deux soupapes qui comporte au moins un premier profil de came qui coopère avec l'extrémité libre de la 5 première tige de soupape et au moins un deuxième profil de came qui coopère avec l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape; - en variante les moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins un culbuteur qui coopère io avec l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape. (La deuxième soupape interne pouvant entraîner la première soupape externe au delà d'une certaine course axiale) ; - les moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins un premier culbuteur qui coopère 15 avec l'extrémité libre de la première tige de soupape et au moins un deuxième culbuteur qui coopère avec l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel : 25 - la figure 1 représente, à titre d'exemple non limitatif, un exemple de réalisation d'un mécanisme de soupape conforme aux enseignements de l'invention sur laquelle les deux soupapes sont illustrées chacune en position fermée ; et - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 sur 30 laquelle les deux soupapes sont représentées chacune en position ouverte. On a représenté de manière schématique à la figure 1, un mécanisme 10 de soupape, d'admission ou d'échappement qui est par exemple utilisé dans un moteur thermique à combustion interne. Un tel moteur de conception générale connue n'est pas représenté en détails. Sur les figures, seuls quelques composants ou parties du moteur associé à la soupape sont représentés. C'est ainsi que l'on a représenté aux figures, de manière schématique, une portion de culasse 12 dans laquelle est formé, de manière connue, un premier siège externe de soupape 14 de io forme annulaire tronconique concave. L'axe de révolution du siège 14 est l'axe vertical V, en considérant les figures. La culasse 12 porte aussi un composant, ici fixe par rapport à la culasse, qui est un premier guide externe de soupape 15 16 qui est une pièce tubulaire délimitant un alésage interne cylindrique d'orientation verticale 18 d'axe V. Pour la commande du mécanisme de soupape selon l'invention, la culasse est ici équipée, à titre d'exemple non limitatif, d'une came de commande 20, qui sera décrite par la 20 suite plus en détails, qui est portée par un arbre à cames (non représenté) qui entraîne la came 20 en rotation autour d'un axe horizontal H orthogonal à l'axe V. Conformément aux enseignements de l'invention, le mécanisme de soupape 10 comporte deux soupapes coaxiales 25 dont une première soupape externe, ou soupape primaire 22 et une deuxième soupape interne, ou soupape secondaire 24. La deuxième soupape interne 24 est de conception générale connue analogue à une soupape � classique � unique. La deuxième soupape 24 comporte ainsi une deuxième tige 30 de soupape 26 de forme générale cylindrique et d'axe V qui porte à l'une de ses extrémités, ici l'extrémité inférieure en considérant les figures, une deuxième tête de soupape 28 qui est en forme de 7 disque tronconique délimité latéralement par un profil tronconique annulaire convexe 30. A son extrémité supérieure opposée, la deuxième tige de soupape 26 comporte un tronçon d'extrémité libre 32 délimité par une face transversale d'extrémité libre 34 sur laquelle agit la came 20. La première soupape externe 22 présente une conception générale analogue à celle de la deuxième soupape interne 24. Toutefois, de manière à permettre le montage coaxial des io deux soupapes du mécanisme 10, la première tête externe de soupape 34 est constituée par un tronçon annulaire creux tronconique qui est délimité par une face latérale externe annulaire tronconique 36 convexe dont le profil est complémentaire de celui du premier siège de soupape 14 de 15 manière, comme représenté à la figure 1, à pouvoir coopérer de manière étanche avec ce dernier. La première tête de soupape externe 34 est aussi délimitée latéralement et intérieurement par une face latérale interne annulaire tronconique concave 38 dont le profil est complémen- 20 taire de celui de la face latérale externe 30 de la deuxième tête de soupape 28 de manière à constituer un deuxième siège interne de soupape 38 formé dans la première tête annulaire de soupape 34 et contre lequel la deuxième tête interne de soupape 28 est apte à reposer de manière étanche comme illustré à la figure 1. 25 La deuxième tige de soupape interne 40 est une tige tubulaire cylindrique creuse d'axe V qui est montée coulissante, et qui est guidée en coulissement dans le guide de soupape 16. Intérieurement, la deuxième tige de soupape tubulaire 40 délimite un cylindre concave 42 d'axe V de guidage de la 30 deuxième tige interne de soupape 26, la première tige de soupape 40 faisant ainsi aussi fonction de guide de soupape pour la deuxième soupape interne. 8 A sa partie supérieure, la deuxième tige tubulaire 40 porte, de manière solidaire en translation axiale, une coupelle supérieure 44 sur laquelle prend appui l'extrémité supérieure d'un premier ressort de soupape 46. Le premier ressort de soupape 46 est ici un ressort à boudin qui est monté coaxialement aux tiges des deux soupapes et qui est comprimé axialement entre la coupelle supérieure 44 et une coupelle inférieure 48 qui est montée fixe de manière solidaire sur le guide externe de soupape 16. io Ainsi, le ressort 46 est le premier ressort de rappel qui a pour fonction de rappeler élastiquement en permanence la première soupape externe 22 vers le haut en considérant les figures, c'est-à-dire vers sa position fermée illustrée à la figure 1. A sa partie supérieure, la première tige de soupape 15 externe tubulaire 40 se prolonge par un tronçon supérieur 50 évasé tubulaire et de plus grand diamètre, qui peut être réalisé de manière rapportée pour permettre le montage des composants, et qui délimite un logement interne cylindrique 52 d'axe vertical. Ce logement 52 reçoit un deuxième ressort à boudin de 20 compression 54 qui est le ressort de rappel de la deuxième soupape interne 28 vers sa position fermée illustrée à la figure 1. A cet effet, l'extrémité inférieure du deuxième ressort 54 prend appui axialement vers le bas contre le fond annulaire 56 du logement 52, tandis que l'extrémité supérieure du deuxième 25 ressort de rappel 54 prend appui contre une coupelle supérieure 58 qui est portée, de manière solidaire en translation axiale, par le tronçon d'extrémité libre 32 de la deuxième tige de soupape interne 26. Le deuxième ressort de rappel 54 a ainsi pour fonction de 30 rappeler en permanence de manière élastique la deuxième soupape interne 24 vers sa position haute fermée illustrée à la figure 1 en prenant appui indirectement sur la culasse du moteur au travers du tronçon supérieur 50 de la première tige de soupape externe 40 qui appartient à la première soupape externe 22 qui prend elle-même appui sur la culasse 12. Entre la première tête annulaire 34 et le corps de la première tige tubulaire creuse 40, il est prévu une série d'orifices débouchant 41 qui, en position fermée haute de la première soupape externe 34 sont situés au-dessus de la culasse 12 et qui sont aptes à mettre en communication l'espace 43 délimité entre les portions en vis-à-vis des deux têtes de soupapes et des deux tiges de soupapes, avec la zone externe entourant la périphérie io extérieure de la première tête de soupape externe 34. Pour commander les déplacements respectifs de chacune des deux soupapes 22 et 24 par rapport à la culasse 12 et l'une par rapport à l'autre, la came de commande 20 comporte ici un premier profil ou chemin de came 60 qui est ici double et qui agit 15 sur la face transversale supérieure d'extrémité annulaire 51 du tronçon supérieur 50 de la première tige externe tubulaire creuse 40. La came 20 comporte aussi un deuxième profil de came 62, agencé entre les deux parties du profil 60, qui coopère avec 20 la face transversale d'extrémité libre 34 de la deuxième tige de soupape interne 26. La conception des moyens de commande des deux soupapes du mécanisme, par exemple comme illustrée au moyen d'une came de commande 20 à profils multiples, permet une 25 commande sélective et distincte des déplacements relatifs des deux soupapes l'une par rapport à l'autre et par rapport à la culasse 12. La conception selon l'invention permet d'augmenter fortement la section de passage des gaz à l'admission lorsque le 30 mécanisme de soupape selon l'invention équipe un conduit d'admission et de la même manière d'augmenter fortement la section de passage pour la sortie des gaz à l'échappement i0 lorsque le mécanisme est utilisé pour la fermeture et l'ouverture d'un conduit d'échappement. En effet, la soupape � supplémentaire � que comporte le mécanisme de soupape selon l'invention par rapport à une soupape unique classique, peut s'ouvrir et se fermer comme sa soupape externe de support et/ou avoir sa propre loi d'ouverture avec avance et/ou retard par rapport à la loi d'ouverture et de fermeture de la soupape qui la porte. A titre d'exemple, pour un mécanisme de soupape équipant io un conduit d'admission, si le diamètre de la première soupape 22 est égal à environ 40 millimètres avec une levée maximale de 4 millimètres et un conduit associé d'un diamètre moyen de 30 millimètres, la section de passage au niveau de la soupape primaire externe est égale à environ 373 mm2 pour une section de 15 passage du conduit égale à 706 mm2. Si le diamètre de la soupape interne secondaire 24 est égal à 20 millimètres, on obtient une section de passage supplémentaire égal à environ 195 mm2, soit une nouvelle section de passage totale de 568 mm2, soit une augmentation de plus de 20 50%, et donc une diminution très importante des pertes de charges, sans devoir augmenter la hauteur de levée, ni la vitesse de déplacement de la soupape. Le même raisonnement et les mêmes calculs s'appliquent bien entendu dans le cas d'un mécanisme de soupape pour 25 l'échappement. L'amélioration de la � respiration � du cylindre qui est ainsi obtenue procure une augmentation de puissance très importante à cylindrée égale. La deuxième soupape interne ou soupape secondaire peut 30 être liée en déplacement et en commande avec la première soupape primaire, mais elle peut aussi être commandée de manière indépendante et décalée avec avance ou retard. Il Les déplacements respectifs des soupapes sont directement liés aux tracés des différents profils de cames ou aux commandes de levées des culbuteurs si, selon un mode de réalisation non représenté, les soupapes sont commandées indirectement par des mécanismes à culbuteurs. L'indépendance des tracés des profils de cames agissant directement ou indirectement sur les tiges des deux soupapes d'un mécanisme procure la plus grande indépendance de conception pour la commande des levées d'ouverture et de io fermeture des soupapes. A puissance égale, la conception du mécanisme de soupape selon l'invention peut permettre de réduire le nombre de soupapes équipant un même cylindre dans le cas des cylindres à soupapes multiples d'admission et/ou d'échappement en 15 procurant ainsi des économies importantes ainsi que des gains de poids. A section de passage égale, le mécanisme de soupape selon l'invention permet de réduire la levée de la soupape et ainsi de réduire la vitesse de déplacement de la tige et donc 20 d'augmenter la fiabilité. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En effet, par exemple, les moyens de commande peuvent n'agir que directement sur la deuxième soupape secondaire 25 interne et cette dernière peut agir mécaniquement indirectement sur la première soupape externe primaire. De même, les deux ressorts de rappel peuvent être indépendants, c'est-à-dire que chacun est interposé entre une partie fixe de la culasse et une partie mobile associée à la tige de 30 la soupape correspondante dont le ressort assure le rappel. Il est bien entendu possible de prévoir plusieurs mécanismes de soupape selon l'invention à l'admission et/ou à l'échappement. 12 L'invention trouve aussi à s'appliquer aux soupapes hydrauliques, aux soupapes équipant des compresseurs, etc. REVENDICATIONS1. Mécanisme (10) de soupape, notamment d'admission ou d'échappement pour un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première soupape externe (22) comportant une première tige de soupape (40) et une première tête externe de soupape (34) qui est annulaire et qui est apte à reposer de manière étanche contre un premier siège externe de soupape (14), appartenant par exemple à une culasse (12) du moteur ; - une deuxième soupape interne (24) comportant une deuxième tige interne de soupape (26) et une deuxième tête interne de soupape (28) qui est apte à reposer de manière étanche contre un deuxième siège interne de soupape (38) formé dans la première tête externe de soupape (34) ; - et des moyens (20) de commande des déplacements des deux soupapes l'une par rapport à l'autre. 2. Mécanisme (10) de soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première (22) et deuxième (24) soupapes sont coaxiales, en ce que la première tige de soupape est une tige externe creuse (40), et en ce que la deuxième tige de soupape (26) est une tige interne qui est reçue à l'intérieur de la première tige creuse (40). 3. Mécanisme (10) de soupape selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième tige de soupape (26) est montée coulissante axialement à l'intérieur (42) de la première tige creuse (40). 4. Mécanisme (10) de soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première soupape (22) est équipée d'un premier ressort (46) de rappel de cette soupape (22) vers sa position fermée dans laquelle la première tête de soupape (34, 36) repose de manière étanche contre le premier siège de soupape (14), et en ce que la deuxième soupape (24) est équipée d'un deuxième ressort (54) de rappel de cette soupape vers sa 14 position fermée dans laquelle la deuxième tête de soupape (28) repose de manière étanche contre le deuxième siège de soupape (38). 5. Mécanisme de soupape (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit deuxième ressort de rappel (54) est interposé élastiquement entre la deuxième soupape (24, 32, 58) et la première soupape (22, 50, 56). 6. Mécanisme (10) de soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande des déplacements des deux soupapes (22, 24) l'une par rapport à l'autre agissent sur les extrémités libres (34, 51) des tiges (40, 26) des première (22) et deuxième (24) soupapes. 7. Mécanisme selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins une came de commande (20) qui comporte au moins un profil de came (62) qui coopère avec l'extrémité libre (34) de la deuxième tige de soupape (26). 8. Mécanisme selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins une came (20) de commande des déplacements axiaux des deux soupapes qui comporte au moins un premier profil de came (60) qui coopère avec l'extrémité libre (51) de la première tige de soupape (40) et au moins un deuxième profil de came (62) qui coopère avec l'extrémité libre (34) de la deuxième tige de soupape (26). 9. Mécanisme selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins un culbuteur qui coopère avec l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape. 15 10. Mécanisme selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande des déplacements des deux soupapes comporte au moins un premier culbuteur qui coopère avec l'extrémité libre de la première tige de soupape et au moins un deuxième culbuteur qui coopère avec l'extrémité libre de la deuxième tige de soupape.