Brevet FR2965321A1 — publié le 20120330

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MUNI D'UN ARBRE D'EQUILIBRAGE [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion interne, et en particulier l'équilibrage des forces alternatives générées par l'équipage mobile comprenant les vilebrequins, les pistons et les bielles. [0002] Les moteurs à combustion interne comprennent un ou plusieurs cylindres disposés en ligne, à plat, ou en V. Du fait du fonctionnement cyclique du moteur à combustion interne, le mouvement de l'équipage mobile est à l'origine de vibrations cycliques et de bruits qu'il est important de limiter. Parmi ces différentes implantations de moteurs, les moteurs à nombre impair de cylindres en ligne, en général trois ou cinq, posent des difficultés particulières d'équilibrage. En effet, les efforts de pilon d'ordre 1, 2 et 4, sont nuls et ceux d'ordre 6 sont extrêmement faibles et ne sont pas équilibrés en général. Par contre, le moteur est soumis à un couple de galop également appelé couple de tangage, d'ordre 1, 2 et 4. [0003] Pour les véhicules automobiles, la majeure partie des moteurs fabriqués comporte quatre cylindres. La lutte contre la pollution atmosphérique a par ailleurs conduit les constructeurs automobiles à développer des véhicules à plus faible consommation de carburant. En vue de réduire les frottements et la consommation des moteurs, il est prévu qu'un nombre croissant de moteurs produits présente une cylindrée et un nombre de cylindres plus réduits. Il est notamment prévu de développer un grand nombre de moteurs à trois cylindres, pour lesquels les problématiques d'équilibrage sont accrues. L'équilibrage s'avère notamment primordial pour des moteurs à explosion spontanée, dits moteurs Diesel. [0004] On connaît des dispositifs d'équilibrage avec des arbres dits de Lanchester qui permettent d'équilibrer sur les moteurs à quatre cylindres en ligne, notamment l'effort de pilon d'ordre 2 et sur les moteurs à nombre impair de cylindres le couple de galop d'ordre 1. [0005] Ces dispositifs d'équilibrage peuvent comprendre deux arbres contra-rotatifs, entraînés par chaîne et engrenages ou par courroie. Toutefois, de tels dispositifs sont lourds, encombrants, coûteux et accroissent le nombre de pièces du moteur. L'entraînement des arbres d'équilibrage nécessite notamment de rallonger le vilebrequin pour y implanter une poulie ou un engrenage d'entraînement de l'arbre d'équilibrage. Par conséquent, le gain d'encombrement en longueur d'un moteur à trois cylindres par rapport à un moteur à 4 cylindres (de même cylindrée unitaire et un alésage et une course identiques) est inférieur à I'entraxe cylindre, et est donc moindre que ce qui peut être théoriquement envisagé. Le gain d'encombrement par suppression d'un cylindre peut alors s'avérer particulièrement limité. [0006] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un moteur à combustion interne, comprenant : [0007] -un vilebrequin ; [0008] -un arbre à cames de commande de soupape entraîné en rotation par le vilebrequin ; [0009] -un arbre d'équilibrage entraîné en rotation par le vilebrequin selon un sens de rotation opposé à celui du vilebrequin ; [0010] -l'arbre à cames est creux ; [0011] -l'arbre d'équilibrage est monté à rotation à l'intérieur de l'arbre à cames et entraîné en rotation par l'arbre à cames. [0012] Selon une variante, l'arbre d'équilibrage traverse l'arbre à cames de part en part selon son axe de rotation. [0013] Selon encore une variante, l'arbre d'équilibrage comprend une masselotte disposée en saillie longitudinalement par rapport à l'arbre à cames. [0014] Selon une autre variante, l'arbre d'équilibrage comprend des masselottes disposées longitudinalement en saillie de part et d'autre de l'arbre à cames. [0015] Selon une autre variante, l'arbre à cames comporte des paliers hydrodynamiques de guidage en rotation de l'arbre d'équilibrage. [0016] Selon encore une autre variante, l'arbre à cames comporte à une extrémité axiale une poulie ou un engrenage entraîné par le vilebrequin, le moteur comprenant en outre un mécanisme de réduction logé dans la poulie ou engrenage, le mécanisme de réduction accouplant l'engrenage ou la poulie à l'arbre d'équilibrage de sorte que le sens de rotation de l'arbre d'équilibrage soit opposé à celui du vilebrequin. [0017] Selon une variante, le mécanisme de réduction entraîne l'arbre d'équilibrage à une vitesse de rotation double de celle de l'arbre à cames avec un sens de rotation opposé. [0018] Selon une autre variante, le mécanisme de réduction est un engrenage épicyclo'idal, comportant un planétaire intérieur solidaire de l'arbre d'équilibrage, un planétaire extérieur solidaire de la poulie ou engrenage, au moins un satellite s'engrenant sur les planétaires intérieur et extérieur, et un porte satellite fixé au moteur et sur lequel le satellite est monté à rotation. [0019] Selon encore une variante, le satellite comporte des première et deuxième dentures décalées axialement et présentant des diamètres distincts, la première denture engrenant sur le planétaire extérieur et la deuxième denture engrenant sur le planétaire intérieur. [0020] Selon encore une autre variante, le moteur comprend un mécanisme accouplant l'arbre à cames au vilebrequin avec un calage angulaire variable. [0021 ] Selon une autre variante, la poulie et l'arbre à cames sont montés avec un débattement angulaire l'un par rapport à l'autre, et le mécanisme comprend une chambre délimitée par une paroi solidaire de l'arbre à cames et par une paroi solidaire de la poulie, la chambre présentant un orifice d'introduction d'un fluide de façon à modifier la géométrie de la chambre en modifiant le calage angulaire entre lesdites parois. [0022] Selon encore une autre variante, le moteur comporte seulement trois pistons accouplés au vilebrequin par l'intermédiaire de bielles respectives. [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un moteur à combustion interne selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe schématique agrandie au niveau de la culasse du moteur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de côté du mécanisme d'entraînement de l'arbre d'équilibrage ; - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une variante de incluant un calage de distribution variable ; ^ la figure 5 est une vue en coupe transversale de la variante de la figure 4. [0024] L'invention propose un moteur à combustion interne muni d'un arbre à cames creux. Le moteur comporte un arbre d'équilibrage monté à rotation à l'intérieur de l'arbre à cames et entraîné en rotation par cet arbre à cames. [0025] Un tel moteur permet d'optimiser son encombrement en longueur (selon l'axe de rotation du vilebrequin) puisqu'un même organe d'entraînement du vilebrequin pourra entraîner à la fois l'arbre d'équilibrage et l'arbre à cames. De plus, un tel moteur présente un encombrement réduit selon d'autres axes, puisque l'arbre d'équilibrage est logé pour l'essentiel à l'intérieur de l'arbre à cames. Un tel moteur permet également d'utiliser un nombre réduit de composants ce qui optimise son coût de fabrication. [0026] La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne 1 selon l'invention. Un tel moteur à combustion interne 1 comprend de façon connue en soi un vilebrequin 100 s'étendant selon un axe longitudinal 108 et monté à rotation dans un carter moteur 105 autour de cet axe 108. Le vilebrequin 100 est pour l'essentiel logé à l'intérieur du carter moteur 105. Le vilebrequin 100 est destiné à être accouplé aux roues motrices d'un véhicule par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses non illustrée. Le vilebrequin 100 comprend des manetons 107 excentrés par rapport à l'axe de rotation 108. Des pistons 101 sont connectés au vilebrequin 100 par l'intermédiaire de bielles 104. Les bielles 104 sont ainsi montées à rotation autour de manetons 107 respectifs. Les pistons 100 sont montés coulissants dans des chambres de combustion 106 du carter moteur 105. En l'occurrence, le moteur à combustion interne 1 est un moteur à trois cylindres. Une culasse 110 est rapportée sur le carter moteur 105 et loge un dispositif d'admission vers les chambres de combustion 106. Le dispositif d'admission comprend notamment un arbre à cames 120 dont les cames entraînent l'ouverture et la fermeture de soupapes 102 de façon synchronisée avec la rotation du vilebrequin. L'arbre à cames 120 est entraîné en rotation dans le même sens que le vilebrequin 100. La vitesse de rotation du vilebrequin 100 est le double de celle de l'arbre à cames 120. Dans l'exemple illustré, l'arbre à cames 120 est entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une poulie crantée 150 fixée à son extrémité, d'une poulie crantée 103 fixée à une extrémité du vilebrequin 100, et d'une courroie crantée 152 enroulée sur les poulies 103 et 150. [0027] La figure 2 est une vue en coupe agrandie au niveau de la culasse 110 du moteur à combustion interne 1. Pour des raisons de lisibilité, le carter de la culasse 110 n'est pas illustré. La poulie crantée 150 est encastrée sur une extrémité longitudinale de l'arbre à cames 120. L'encastrement peut être réalisé par tous moyens appropriés, par exemple par vissage, emmanchement ou soudage. La poulie crantée 150 comporte une gorge crantée 151 s'engrenant avec la courroie 152. La poulie 150 permet ainsi au vilebrequin 100 d'entraîner l'arbre à cames 120 en rotation de façon synchrone. En utilisant des poulies 150 et 103 de diamètres appropriés, le vilebrequin 100 entraîne l'arbre à cames 120 de sorte que la vitesse de rotation du vilebrequin 100 soit le double de celle de l'arbre à cames 120. [0028] L'arbre à cames 120 est logé dans la culasse 110 et s'étend selon un axe 109 parallèle à l'axe 108. L'arbre à cames 120 comporte de façon connue en soi des cames 121 destinées à actionner les soupapes 102. L'arbre à cames 120 est creux et comporte un alésage 124 s'étendant sur toute sa longueur. L'arbre à cames 120 est monté à rotation autour de l'axe 109 dans la culasse 110. [0029] Un arbre d'équilibrage 130 traverse de part en part l'arbre à cames 120. L'arbre d'équilibrage 130 traverse ainsi l'alésage 124 et comporte un arbre 133 logé à l'intérieur de l'alésage 124. L'arbre d'équilibrage 130 est monté à rotation à l'intérieur de l'arbre à cames 120. L'arbre à cames 120 comporte avantageusement des paliers 122 et 123, par exemple des paliers hydrodynamiques, afin de guider l'arbre d'équilibrage 130 en rotation. L'arbre d'équilibrage 130 comprend au moins une masse excentrée par rapport à l'axe 109. L'arbre d'équilibrage 130 comprend notamment une masselotte 131 en saillie longitudinalement par rapport à l'arbre à cames 120. La masselotte 131 est disposée à une extrémité de l'arbre 133 et est en saillie radialement par rapport à l'arbre 133. La masselotte 131 est excentrée par rapport à l'axe 109. L'arbre d'équilibrage 130 comprend également une autre masselotte 132 rapportée. La masselotte 132 est rapportée sur l'arbre 133 à l'opposée de la masselotte 131. La masselotte 132 est en saillie radialement par rapport à l'arbre 133 et est excentrée par rapport à l'axe 109. Les masselottes 131 et 132 forment des balourds décalés angulairement à 180°. De façon générale, l'homme du métier saura définir une ou plusieurs masselottes sur l'arbre d'équilibrage 130 de façon à équilibrer des vibrations selon des axes et des phasages appropriés par rapport au vilebrequin 100. [0030] L'arbre d'équilibrage 130 est entraîné en rotation par l'arbre à cames 120, selon un sens de rotation opposé à celui du vilebrequin 100. L'arbre d'équilibrage 130 est entraîné à une vitesse de rotation égale à celle du vilebrequin 100, mais avec un sens de rotation opposé. La vitesse de rotation de l'arbre d'équilibrage 130 est donc le double de celle de l'arbre à cames 120. [0031] L'entraînement de l'arbre d'équilibrage 130 par l'arbre à cames 120 est avantageusement réalisé par l'intermédiaire d'un mécanisme de réduction. Le mécanisme de réduction est avantageusement logé dans la poulie 150, ce qui réduit l'encombrement longitudinal du moteur 1. La poulie 150 forme ainsi un organe d'entraînement par le vilebrequin 100 commun à l'arbre à cames 120 et à l'arbre d'équilibrage 130. À cet effet, un volume 153 est ménagé à l'intérieur de la poulie 150. Le mécanisme de réduction entraîne l'arbre d'équilibrage 130 selon un sens de rotation opposé à celui du vilebrequin 100. [0032] Avantageusement, le mécanisme de réduction est réalisé au moyen d'un train d'engrenage épicyclo'idal 140. Ainsi, l'entraînement en rotation de l'arbre d'équilibrage 130 peut être réalisé au moyen d'un mécanisme particulièrement compact et aisément logeable dans le volume. L'engrenage épicyclo'idal 140 comporte un planétaire extérieur (ou couronne) 141 formé par une denture intérieure de la courroie crantée 150. Le train épicyclo'idal 140 comporte par ailleurs un planétaire intérieur 149 solidaire de l'arbre d'équilibrage 130. Le planétaire intérieur 149 est réalisé sous la forme d'une denture extérieure ménagée sur une extrémité de l'arbre 133. L'engrenage épicyclo'idal 140 comprend de plus des satellites 144 (en l'occurrence 3), s'engrenant à la fois sur le planétaire intérieur 149 et sur le planétaire extérieur 141. Les satellites 144 sont montés à rotation sur un porte satellite 145. Le porte satellite 145 est fixé par rapport au moteur 1, de sorte que les axes des satellites sont fixes. Le porte satellite 145 peut par exemple être fixé sur le carter moteur 105 ou sur la culasse 110, des alésages 146 permettant notamment une fixation par vissage. Les satellites 144 présentent une première denture 142 et une deuxième denture 143. Les dentures 142 et 143 sont décalées longitudinalement. La denture 142 s'engrène sur le planétaire extérieur 141, la denture 143 s'engrenant sur le planétaire intérieur 149. Les dentures 142 et 143 présentent des diamètres distincts. Le rapport de réduction de l'engrenage épicycloïdal 140 est défini de sorte que la vitesse de rotation de l'arbre d'équilibrage 130 soit le double de celle de l'arbre à cames 120. [0033] Selon un exemple, le planétaire extérieur 141 pourra comporter 75 dents, la denture 142 pourra comporter 25 dents, la denture 143 pourra comporter 20 dents, et le planétaire intérieur 149 pourra comporter 30 dents. [0034] Bien que le mode de réalisation illustré décrive un entraînement par courroie crantée, l'entraînement synchrone de l'arbre à cames 120 et de l'arbre d'équilibrage 130 par le vilebrequin 100 peut également être réalisé par l'intermédiaire d'une cascade de pignons. Dans ce cas, la poulie 150 est remplacée par un engrenage externe. L'entraînement synchrone de l'arbre à cames 120 et de l'arbre d'équilibrage 130 par le vilebrequin 100 peut également être réalisé par chaîne. [0035] Dans l'exemple illustré, l'arbre d'équilibrage 130 est monté dans un arbre à cames d'admission 120. On peut bien entendu également monter l'arbre d'équilibrage 130 dans un arbre à cames d'échappement. [0036] Bien que la poulie crantée 150 soit fixée à l'arbre à cames 120 dans le mode de réalisation illustré, peut également envisager d'interposer un dispositif de déphasage de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin, afin de pouvoir décaler angulairement cette poulie 150 par rapport à l'arbre à cames 120. Ainsi, on peut réaliser un dispositif de variation de calage de l'arbre à cames, tant pour l'arbre à cames d'admission que pour l'arbre à cames d'échappement. en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. [0037] Les figures 4 et 5 illustrent schématiquement la structure d'un arbre à came, d'un arbre d'équilibrage et d'une poulie d'entraînement selon une variante disposant d'un dispositif de déphasage 160 de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin. La poulie crantée 150 est montée pivotante sur une extrémité longitudinale de l'arbre à cames 120. [0038] Comme dans la variante précédente : - la poulie crantée 150 comporte une gorge crantée 151 s'engrenant avec la courroie 152 ; - l'arbre à cames 120 s'étend selon un axe et est monté à rotation autour de cet axe dans la culasse. L'arbre à cames 120 comporte des cames 121 actionnant les soupapes 102. L'arbre à cames 120 est creux et comporte un alésage 124 s'étendant sur toute sa longueur ; - l'arbre d'équilibrage 130 comporte un arbre 133 traversant de part en part l'alésage 124 de l'arbre à cames 120. L'arbre d'équilibrage 130 est monté à rotation par rapport à l'arbre à cames 120 ; -l'arbre d'équilibrage 130 comprend une masselotte 131 en saillie longitudinalement par rapport à l'arbre à cames 120. La masselotte 131 est disposée à une extrémité de l'arbre 133 et est en saillie radialement par rapport à l'arbre 133. La masselotte 131 est excentrée par rapport à l'axe; -l'arbre d'équilibrage 130 comprend également une autre masselotte 132 rapportée. La masselotte 132 est rapportée sur l'arbre 133 à l'opposée de la masselotte 131. La masselotte 132 est en saillie radialement par rapport à l'arbre 133 et est excentrée par rapport à l'axe; -l'entraînement de l'arbre d'équilibrage 130 par l'arbre à cames 120 est réalisé par l'intermédiaire le mécanisme de réduction à train épicyclo'idal 140 logé dans le volume 153 de la poulie 150. Le train épicyclo'idal 140 présente les mêmes caractéristiques que dans la variante précédente. [0039] Le calage variable des arbres à cames 120 par rapport au vilebrequin est réalisé au moyen du dispositif de déphasage 160. Le dispositif 160 modifie la position angulaire relative entre la poulie 150 et l'arbre à came 120. La poulie 150 présente plusieurs ergots 155 en saillie radialement vers l'intérieur. Le dispositif 160 comprend par ailleurs une roue à aubes. La roue à aubes est reliée par une liaison encastrée avec l'arbre à cames 120, par exemple par vissage. La roue à aubes comprend un moyeu central 161 depuis lequel s'étendent radialement des aubes 162. Les aubes 162 sont en même nombre que les ergots 155 et en vis-à-vis. La roue à aubes et la poulie sont montées pivotantes l'une par rapport à l'autre avec un certain débattement angulaire. [0040] La combinaison des aubes 162 et des ergots 155 délimite des chambres à volume variable 163. La face centripète des ergots 155 assure également le guidage en rotation de la roue 150 et l'étanchéité des chambres 163. Les chambres 163 sont alimentées par une alimentation en huile. La pression d'huile définit la taille de la cavité, et ainsi le positionnement angulaire de l'arbre à came 120 par rapport à la poulie 150. La pression d'huile dans les cavités 163 est ainsi contrôlée par un calculateur de contrôle moteur, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. [0041] Les chambres 163 alternent avec des chambres 164 avec lesquelles elles sont placées en opposition. Ces chambres 164 peuvent comprendre un ressort de rappel entre les ergots 155 et les aubes 162, un fluide compressible, ou un fluide incompressible dont le remplissage est commandé par le calculateur de contrôle moteur. [0042] Dans l'exemple illustré, le dispositif de déphasage 160 est actionné hydrauliquement. On peut cependant également envisager d'autres types d'actionnement du dispositif de déphasage, par exemple par l'intermédiaire d'un moteur électrique ou par l'intermédiaire d'une commande mécanique. [0043] L'arbre d'équilibrage 130 est directement entraîné par la poulie 150 par l'intermédiaire du train épicyclo'idal 140. Ainsi, le calage angulaire de l'arbre d'équilibrage 130 par rapport au vilebrequin 100 reste toujours constant. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne (1), comprenant : - un vilebrequin (100); -un arbre à cames (120) de commande de soupape entraîné en rotation par le vilebrequin (100) ; - un arbre d'équilibrage (130) entraîné en rotation par le vilebrequin selon un sens de rotation opposé à celui du vilebrequin ; caractérisé en ce que : -l'arbre à cames (120) est creux ; - l'arbre d'équilibrage (130) est monté à rotation à l'intérieur de l'arbre à cames et entraîné en rotation par l'arbre à cames. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel l'arbre 15 d'équilibrage (130) traverse l'arbre à cames de part en part selon son axe de rotation. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, dans lequel l'arbre d'équilibrage (130) comprend une masselotte (131) disposée en saillie 20 longitudinalement par rapport à l'arbre à cames (120). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, dans lequel l'arbre d'équilibrage (130) comprend des masselottes (131,132) disposées longitudinalement en saillie de part et d'autre de l'arbre à cames. 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre à cames (120) comporte des paliers hydrodynamiques (122,123) de guidage en rotation de l'arbre d'équilibrage. 30 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre à cames (120) comporte à une extrémité axiale une poulie (150) ou un engrenage entraîné par le vilebrequin (100), le moteur comprenant en outre un mécanisme de réduction (140) logé dans la poulie ou engrenage, le mécanisme de réduction accouplant l'engrenage ou 35 la poulie à l'arbre d'équilibrage de sorte que le sens de rotation de l'arbre d'équilibrage soit opposé à celui du vilebrequin. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, dans lequel le mécanisme de réduction (140) entraîne l'arbre d'équilibrage (130) à une 40 vitesse de rotation double de celle de l'arbre à cames (120) avec un sens de rotation opposé. 25 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le mécanisme de réduction (140) est un engrenage épicycloïdal, comportant un planétaire intérieur (149) solidaire de l'arbre d'équilibrage, un planétaire extérieur (141) solidaire de la poulie ou engrenage, au moins un satellite (144) s'engrenant sur les planétaires intérieur et extérieur, et un porte satellite (145) fixé au moteur et sur lequel le satellite (144) est monté à rotation. 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, dans lequel le satellite (144) comporte des première et deuxième dentures (142,143) décalées axialement et présentant des diamètres distincts, la première denture engrenant sur le planétaire extérieur (141) et la deuxième denture engrenant sur le planétaire intérieur (149). 10. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un mécanisme (160) accouplant l'arbre à cames (120) au vilebrequin (100) avec un calage angulaire variable. 11. Moteur à combustion interne selon la revendication 10 et l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans laquelle la poulie (150) et l'arbre à cames (120) sont montés avec un débattement angulaire l'un par rapport à l'autre, et dans laquelle le mécanisme (160) comprend une chambre (163) délimitée par une paroi solidaire de l'arbre à cames (120) et par une paroi solidaire de la poulie (150), la chambre (163) présentant un orifice d'introduction d'un fluide de façon à modifier la géométrie de la chambre en modifiant le calage angulaire entre lesdites parois. 12. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte seulement trois pistons (101) accouplés au vilebrequin (100) par l'intermédiaire de bielles respectives.30