Brevet FR2958333A1 — publié le 20111007

Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons. Une des premières caractéristique des moteurs à combustion interne à pistons est le taux de compression. Celui-ci est défini par le rapport entre le volume de mélange quand le piston est au point mort bas et le volume de la chambre de combustion. Les moteurs sont conçus de manière à ce que le rendement soit maximum donc avec un taux de compression maximum. Cependant, lorsque le mélange est trop compressé, il s'auto-enflamme, ce qui entraine un phénomène de cliquetis. Cela veut dire que, à chaque moteur correspond une puissance et une vitesse de rotation donnée pour un rendement maximum. Dès que ces conditions sont différentes, le rendement chute. En ville par exemple, le moteur fonctionne souvent au ralenti, très loin de sa charge optimale, et donc avec un mauvais rendement que l'on peut constater par une consommation élevée. Faire varier ce rapport volumétrique en fonction de la charge, notamment quand la charge est partielle ou a haut régime quand le cylindre est insuffisamment rempli permet d'augmenter le rendement du moteur. Il existe quelques systèmes dont les plus connus sont le SVC de SAAB ainsi que le moteur MCE-5. Le rendement du moteur dépend aussi de la pression en fin de combustion qui doit être nulle ou très faible. Dans les zones de faibles charges, cette pression est souvent trop élevée, le moteur s'éloigne du cycle thermodynamique théorique ce qui donne un rendement faible. Le rapport volumétrique géométrique qui se défini par le rapport existant entre le volume au dessus du piston quand la soupape d'admission se ferme sur le volume de la chambre de combustion est en général fixe. Il existe cependant quelques systèmes, par exemple le V-TEC ou le VVT. Plus la puissance demandée à un moteur est importante plus sa vitesse de rotation doit augmenter. Dans ce cas, l'avance à l'ouverture de l'admission et de l'échappement doit augmenter ainsi que le retard à la fermeture de l'admission et de l'échappement. Si ces paramètres sont fixes, comme c'est le cas de la plupart des moteurs, alors le moteur a beaucoup de puissance uniquement dans la plage de vitesse de rotation pour laquelle il est prévu. C'est la raison pour laquelle, la puissance fait souvent défaut à faible vitesse pour la plupart des véhicules. Il existe cependant quelques systèmes par exemple le valvetronic. C'est pour améliorer de façon significative le rendement global et les performances du moteur thermique à combustion interne, à piston, que les dispositifs selon l'invention prévoient que tout moteur qui en est doté présente des particularités qui le distinguent d'un moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur en ce que, selon un mode particulier de réalisation: * le moteur adopte automatiquement le rapport volumétrique au travail qui lui est demandé, tenant compte des conditions de régime qui lui sont imposées par modification de la hauteur de la culasse et du bloc cylindre. Ce dispositif permet de faire évoluer le moteur vers l'injection directe d'essence du fait que l'angle entre l'injecteur et le vilebrequin reste constant. * Le rapport volumétrique géométrique se modifie en cours de fonctionnement du moteur afin d'éliminer les problèmes de pompage par l'intermédiaire des vérins rotatifs hydrauliques insérer entre les soupapes et les cames de la distribution. Dans ce cas le moteur exploite une course de détente plus longue que la course utilisée pour compresser le gaz. Le diagramme de détente étant alors tronqué plus tard que sur un moteur de même cylindrée. * l'ouverture et la fermetures des soupapes d'admission et d'échappement sont retardées ou avancées pour permettre au moteur de fonctionner dans 25 de meilleurs conditions. * Le dispositif permet aussi de diminuer le temps d'ouverture simultanée des soupapes d'admission et d'échappement pour avoir plus de puissance à haut régime. * Le dispositif permet d'augmenter le temps d'ouverture simultané des 30 soupapes d'admission et d'échappement à bas régime pour augmenter le couple du moteur. * La puissance maximale du moteur est accrue notamment par amélioration du remplissage des cylindres à régime élevé. * Le rendement maximum du moteur peut être obtenu sur une plage de régime élargie. * Les pertes par pompage son réduites sur l'essentiel de la plage de puissance du moteur. * A basse cylindrée, le temps nécessaire à la compression des gaz est réduite, ceci limite le temps de confinement des gaz propice au déclenchement d'effets indésirables de détonation. Pour atteindre ces résultats, l'invention comporte les caractéristiques suivantes : * Un dispositif permettant de faire varier le rapport volumétrique durant le fonctionnement du moteur. Ledit système agissant par modification de la hauteur de l'ensemble culasse bloc cylindre par rapport au vilebrequin, ce qui permet d'avoir une chambre de combustion de volume variable. * un système de contrôle de la cylindrée effective du moteur. Ledit système opérant par refoulement dans la tubulure d'admission, une partie des gaz admis dans le cylindre du moteur grâce au concours du vérin rotatif hydraulique. En fonctionnement à cylindrée réduite la fermeture de la soupape d'admission est retardée de façon significative afin que le piston refoule durant son ascension dans le cylindre une partie des gaz admis et que la compression des gaz ait lieu plus tard durant la course ascensionnelle du piston. * Un système qui permet de mieux remplir les cylindres en profitant des pressions dynamiques en fermant la soupape d'admission après l'arrivée du piston au point mort bas. * Un dispositif qui permet de mieux évacuer les gaz brulés par une avance à l'ouverture de l'échappent. * Un système qui permet le croisement des soupapes dont le résultat est un retard à l'échappement et une avance à l'admission ce qui a pour effet de faciliter l'aspiration des gaz frais avec les gaz brûlés ce qui augmente ainsi le remplissage du cylindre. * Un système donnant un retard à la fermeture des soupapes d'échappement pour permettre de faire baisser la pression en fin d'échappement de même que la température, diminuant ainsi l'effet de surpression en début d'admission. * Un système pour anticiper l'ouverture des soupapes d'admission pour permettre de se trouver dans une configuration de soupape avec une grande surface d'ouverture au moment où s'initie le début de l'admission. Ceci a pour effet d'admettre une plus grande masse de gaz. * Un système pour permettre une puissance maximale par le croisement des soupapes correspondant à un retard de fermeture de la soupape d'échappement et d'une avance d'ouverture de la soupape d'admission. le dispositif selon l'invention comporte les caractéristiques suivantes : Une culasse et un bloc cylindre se déplaçant longitudinalement dans le bloc moteur. Un bloc moteur fixe qui englobe le vilebrequin les bielles, les pistons, la poulie de vilebrequin pour la distribution, la courroie de distribution, la ou les poulies qui donnent le mouvent aux arbres à cames. Un ou des joints de oldham pour permettre de transmettre le mouvement de rotation depuis la/les poulies de distribution dont le support est fixe par rapport au vilebrequin vers le/les arbres à cames fixés sur la culasse qui est mobile. Des vérins rotatifs hydrauliques simple ou double effets sur les soupapes d'admission et /ou d'échappement pour avancer l'ouverture et/ou augmenter 20 la course et/ou retarder la fermeture des soupapes. Selon un mode particulier de réalisation, le fonctionnement nécessite des sondes transmettant divers paramètres de fonctionnement du moteur. Un ou plusieurs calculateurs effectuant le traitement des dits paramètres Un dispositif d'asservissement qui permet d'agir sur la position des cames 25 de commande de variation de la hauteur de la culasse et du bloc cylindre tenant compte du résultat du traitement des paramètres en provenance des dites sondes. Un dispositif d'asservissement qui permet d'agir sur les soupapes par l'intermédiaire des vérins rotatifs hydrauliques tenant compte du résultat 30 du traitement des paramètres en provenance des dites sondes. Il se caractérise: a) en ce que la bielle, le piston, le vilebrequin assurent les mêmes fonctions que les mêmes éléments de tout moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur. b) En ce que la culasse et le bloc cylindre assurent les mêmes fonctions que la culasse et le bloc cylindre de tout moteur tel que défini selon les règles de l'art antérieur. Seul diffère leur mode de liaison au bloc moteur. c) En ce que chaque moteur peut comporter un ensemble de cames sens 5 rétrograde et de came sens direct ou plusieurs ensembles. d) En ce que les dites cames sens rétrograde et sens direct peuvent avoir des paliers qui permettent leurs fixations au bloc moteur. e) En ce que les dites cames sens rétrograde et sens direct passent dans des alésages à travers l'ensemble culasse bloc cylindre pour l'éloigner ou 10 la rapprocher du vilebrequin. f) en ce que le dispositif qui permet d'agir sur la position de la culasse et du bloc cylindre comprend selon une caractéristique de l'invention au moins un vérin hydraulique qui peut être à tige traversante ou tout autre système permettant d'imprimer un mouvement de rotation en sens 15 rétrograde et en sens direct aux cames. g) En ce que le/les arbres à cames avec les cames, les soupapes assurent les mêmes fonctions tel que défini selon les règles de l'art antérieur. Seul différence, l'adjonction de vérins rotatifs hydrauliques entre les dites cames et les dites soupapes. 20 h) En ce que les dits vérins interposés entre les soupapes et les cames ne modifient pas nécessairement le mouvement donné aux soupapes par les cames. i) en ce que les vérins rotatifs hydrauliques peuvent avoir des réserves d'huile sous pression pour donner le mouvement de retour du bras vers la 25 came lorsque les dits vérins rotatifs hydrauliques ne sont plus actifs. j) En ce que chaque soupape ne possède pas nécessairement un vérin rotatif hydraulique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lectures de la description qui va suivre, faite en relation avec 30 les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un moteur avec une soupape et son vérin rotatif hydraulique, les cames sens rétrograde et sens 6 direct ainsi qu'une nervure du bloc moteur qui devient le demi palier supérieur pour résister aux efforts de l'explosion et un demi palier inférieur amovible fixé sur la nervure par deux boulons.Selon une variante du dispositif selon l'invention, le passage à travers les vervures (17) se font à l'aide du palier(19) dans lequel la clavette(23) peut se déplacer. La figure 2 représente la came (21). Le figure 3 représente la came (22) ainsi que la clavette (23). la figure 4 est une vue partielle de l'extrémité du moteur avec les systèmes 10 commandant la rotation des cames et le capot (44). La figure 5 représente la bride (16) La figure 6 représente le palier (19) La figure 7 représente les cames 21 et 22 assemblés ainsi que leurs dispositifs donnant les rotations. 15 Comme on peut le voir sur les figures, le dispositif selon l'invention vient s'insérer dans un environnement bien connu de l'art antérieur: les moteurs à pistons. On peut reconnaître notamment sur ces figures le piston (24) , la bielle(12). le vilebrequin (18), la bougie (27), la chambre d'explosion (26) la soupape 20 (9) , la came (3). On voit que la chemise (25) fait partie de l'ensemble culasse bloc cylindre (10) , sur Le bloc moteur (20) est fixé le vilebrequin (18). La fonction de ces organes est, selon l'invention, inchangée eut égard à l'état antérieur de la technique. Le dispositif selon l'invention comporte essentiellement un vérin rotatif 25 hydraulique (1) fixé sur l'ensemble culasse bloc cylindre (10) , capable de faire pivoter le bras (6). Un bras oscillant (5) fixé sur le bras (6) est poussé par un ressort (7) pour que le galet (4) reste en contact avec la came (3). Le réservoir d'huile sous pression (29) provoque la remontée du bras(6) quand le distributeur (28) n'est pas alimenté électriquement. La 30 butée (8) limite la course du bras (6) pour éviter de détériorer la soupape (9) . La butée (2) limite la course du bras oscillant (5) pour que la came (3) transmette (si nécessaire) le mouvement à la soupape (9) Le dispositif selon l'invention comporte en outre des cames tournant en sens rétrograde (14) et (21) ainsi que des cames tournant en sens direct 7 (15) et (22). Un pignon (35) fixé à la came (21) reçois son mouvement de la crémaillère (32) maintenu en translation par des guides (30) et (33). Un autre pignon (34) fixé sur la came (22) reçois son mouvement de la crémaillère (31) maintenu en translation par les guides (30) et (33). Pour l'autre coté du moteur, le pignon (39) fixé à la came (15) reçois son mouvement de la crémaillère (43) maintenu en translation par les guides (37) et (41). De même, le pignon (38) fixé à la came (14) reçois son mouvement de la crémaillère (36) maintenu en translation par les guides (37) et (41). Les crémaillères (31), (32), (36), (43) reçoivent le mouvement de translation du vérin hydraulique à tige traversante (42).Des nervures (17) du bloc moteur deviennent des demi palier supérieur des cames (15) et (21) pour résister aux efforts de l'explosion et des demi paliers inférieurs amovibles(16) sont fixés sur les nervures par des boulons. Le dispositif selon l'invention peut également comporter divers accessoires (non représentés) tels que des sondes et un système permettant d'assujettir Les vérins rotatifs hydrauliques (1) aux résultats du traitement des informations en provenance desdites sondes. De même le dispositif peut comporter un système permettant d'assujettir le vérin hydraulique à tige traversante(42) aux résultats du traitement des informations en provenance desdites sondes. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant: La modification du rapport volumétrique du moteur s'opère comme suit: le vérin à tige traversante (42) qui contrôle le déplacement des crémaillères (31), (32), (36), (43) reçoit l'ordre de déplacer lesdites crémaillères (31), (32), (36), (43) de commande des cames (14), (15), (21), (22) par l'intermédiaire des pignons (34), (35), (38), (39). Cet ordre est matérialisé par exemple, par l'introduction dans le vérin hydraulique (42) d'un certain volume d'huile sous pression en provenance d'une pompe (non représentée) le dit volume ayant au préalable été calculé par le ou les dispositifs (non représentés) effectuant le traitement des informations en provenance de sondes paramétriques du moteur (non représentées). Le mouvement de rotation des dits pignons (34), (35), (38), (39) va se transmettre aux cames (14), (15), (21), (22) ce qui a pour effet de déplacer 8 verticalement l'ensemble culasse bloc cylindre (10). Le dit déplacement provoque une augmentation ou une diminution du volume de la chambre d'explosion (26). Le fonctionnement du mécanisme de commande variable des soupapes selon l'invention est le suivant: Le vérin rotatif hydraulique (1) dont le bras (6) est interposé entre la came (3) et la soupape (9) reçoit l'ordre d'ouvrir la dite soupape (9). Cet ordre est matérialisé selon l'exemple particulier de réalisation du dispositif selon l'invention, par un signal électrique donné au distributeur (28) qui va permettre l'introduction dans le vérin rotatif hydraulique (1) d'un certain volume d'huile sous pression en provenance d'une pompe (non représentée), le dit volume ayant au préalable été calculé par le ou les dispositifs (non représentés) effectuant la traitement des informations en provenance de sondes paramétriques du moteur (non représentées). Le bras (6) va appuyer sur la soupape (9) pour l'ouvrir. Dans ce cas, le bras oscillant (5) poussé par le ressort (7) va garder le contact avec la came (3). Si la quantité d'huile sous pression introduite dans le vérin rotatif hydraulique (1) est importante, le bras (6) viendra en butée contre la culasse en (8) pour éviter de détériorer la soupape (9). Lorsque le signal électrique donné au distributeur (28) cesse, 20 le bras (6) relié au vérin rotatif hydraulique (1) remonte sous l'action du réservoir d'huile sous pression (29) La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit: elle est au contraire, susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS1) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons caractérisé en ce qu'il comporte: un système permettant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volumétrique du moteur, ledit système agissant en translation par modification de la hauteur de l'ensemble culasse-bloc cylindre par rapport au vilebrequin sans modifier la couse du piston, un mécanisme de commande variable des soupapes permettant de contrôler le rapport volumétrique géométrique du moteur qui opère par refoulement d'une partie des gaz admis à l'intérieur du cylindre du moteur dans la tubulure d'admission, qui augmente le remplissage des cylindres, qui évacue mieux les gaz brulés et qui fait baisser la pression en fin d'échappement grâce à l'ouverture et la fermetures des soupapes d'admission et d'échappement retardées ou avancée, ledit mécanisme agissant par un bras interposé entre la soupape et la came de la distribution, ledit bras étant relié à un vérin rotatif, son fonctionnement nécessitant des sondes transmettant divers paramètres du moteur, un ou plusieurs calculateurs ou dispositif effectuant le traitement desdits paramètres et des dispositifs d'asservissement. 2) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 1 caractérisée en ce que le système permet-tant de contrôler durant son fonctionnement le rapport volumétrique du moteur comprend a) des cames pivotant en sens rétrograde (14) (21) situées à l'intérieur des cames (15) (22) qui pivotent en sens direct maintenues dans des logements cylindriques de l'ensemble culasse bloc cylindre (10) b) des palier constitués de nervures (17) et de brides amovibles (16) aménagées dans le bloc moteur pour tenir les cames (14) (15) (21) (22). c) des clavettes (13) (23) pour lier en rotation les éléments formant les cames (14) (22) 3) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 2 caractérisée en ce que les cames (15) (21) (14) (22) ont un pignon à leur extrémité (34) (35) (38) (39) pourcommander leur rotation. 4) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 3 caractérisé en ce que le système qui contrôle la rotation des pignons (34) (35) (38) (39) est constitué de crémaillères (31) (32) (36) (43) 5) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou le mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 4 caractérisé en ce que le mécanisme qui contrôle le mouvement de translation des crémaillères est constitué d'un vérin hydraulique à tige traversante (42) 6) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la commande variable des soupapes s'applique aux soupapes d'admission comportant a) un vérins hydrauliques (1) dont le bras (6) vient s'interposer entre la soupape (9) et la came (3) permettant de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouverture de ladite soupape par rapport au vilebrequin. b) un bras oscillant (5) pivotant sur le bras (6) poussé par un ressort (7) et un galet (4) qui garde en permanence le contact avec la came (3). 7) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la commande variable des soupapes s'applique aux soupapes d'échappement comportant a) un vérins hydrauliques(1) dont le bras(6) vient s'interposer entre la soupape (9) et la came (3) permettant de modifier le décalage angulaire du point de fermeture et d'ouverture de ladite soupape par rapport au vilebrequin. b) un bras oscillant (5) pivotant sur le bras (6) poussé par un ressort (7) et un galet (4) qui garde en permanence le contact avec la came (3). 8) Dispositifs permettant de faire varier le rapport volumétrique et/ou mécanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques à pistons selon la revendication 6 caractérisée en ce que la commande variable des soupapes peut être actionnée ou pas actionnée durant le fonctionnement du moteur.