Brevet FR3022299A1 — publié le 20151218

MOTEUR THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE A TAUX DE COMPRESSION VARIABLE [0001] L'invention concerne les moteurs thermiques à combustion interne de véhicule automobile comprenant un mécanisme de transmission d'effort entre au moins un piston et un arbre moteur lequel mécanisme est constitué notamment d'un balancier ou levier d'entrainement et d'un assemblage de liaison entre ledit au moins un balancier et l'arbre moteur lequel assemblage transforme au moins un mouvement de balancement du balancier en un mouvement rotatif de l'arbre moteur. [0002] Un moteur thermique à combustion interne à quatre temps possède généralement un mécanisme bielle-manivelle permettant de transformer le mouvement alternatif du piston en un mouvement de rotation continue. On définit le taux de compression d'un moteur comme étant le rapport entre le volume maximal lorsque le piston est au PMB - Point Mort Bas - et le volume minimal lorsque le piston est au PMH - Point Mort Haut -. Le volume minimal correspond au volume de la chambre de combustion dans la culasse ou dans le piston auquel s'ajoutent les interstices tels que volumes morts et épaisseur du joint de culasse. Le volume maximal correspond au volume minimal auquel s'ajoute la cylindrée, la cylindrée étant égale à la surface du piston multipliée par la course (u*(Alésage)2/4)*Course. Avec une architecture bielle-manivelle conventionnelle, le taux de compression e reste constant durant le fonctionnement du moteur. [0003] Le rendement thermodynamique théorique d'un moteur à combustion interne peut être calculé en prenant comme hypothèse un cycle théorique, classiquement le cycle de Beau de Rochas pour les moteurs à allumage commandé et le cycle Diesel pour les moteurs diesel. Le rendement théorique thermodynamique dépend notamment du taux de compression. Théoriquement, plus le taux de compression est élevé et plus le rendement thermodynamique est élevé et donc le rendement global du moteur est élevé. Par contre dans la réalité, pour les moteurs à allumage commandé, ce taux de compression est limité par le phénomène du cliquetis, qui est une apparition à forte charge de bruits métalliques provenant d'une combustion « anormale » résultant de la propagation à haute fréquence des ondes de combustion. Ce phénomène, qui est destructif pour le moteur par endommagement de la segmentation, du piston et de la bielle, doit être évité. Le cliquetis est favorisé notamment par un taux de compression élevé, une température d'admission des gaz frais élevée, une forte charge à faible régime, un faible indice d'octane, ou encore un grand alésage. Donc un phénomène qui limite le taux de compression dans les moteurs, notamment à allumage commandé, outre la tenue des composants, est ce phénomène de cliquetis. Outre ce phénomène, les constructeurs ont aussi montré qu'une augmentation du taux de compression a pour effet d'augmenter les pertes aux parois. [0004] Si on arrive à avoir un taux de compression variable sur toute la plage de fonctionnement moteur, on bénéficie alors d'un meilleur rendement thermodynamique, soit une meilleure consommation de carburant, et on peut contrôler mieux le phénomène de cliquetis. [0005] Avec l'architecture des moteurs thermiques conventionnels du type à bielle et à manivelle, et du fait que le volume minimal et le volume maximal restent constants durant la plage de fonctionnement du moteur, on a un taux de compression constant sur toute la plage de fonctionnement du moteur, ce qui pénalise le rendement thermodynamique sur une grande partie du fonctionnement du moteur. [0006] Une adaptation du taux de compression à chaque zone de fonctionnement permettrait d'optimiser le rendement thermodynamique théorique et le rendement de cycle de plusieurs points. [0007] De nombreux systèmes à taux de compression variable ont été proposés. Bien que les problématiques et que les objectifs thermodynamiques soient toujours les mêmes, c'est-à-dire l'amélioration du rendement thermodynamique, ces systèmes présentent des contraintes mécaniques liées à leur complexité. Ainsi les systèmes actuels ont un impact sur la taille et le poids du moteur. Pour certains les modifications se limitent aux pistons ou bielles mais pour d'autres c'est la culasse ou le carter qui doivent être modifiés. Avec ces systèmes la complexité est augmentée et la fiabilité amoindrie du fait des liaisons et des pièces supplémentaires. Les vibrations, acyclismes et efforts sont accrus car dans certains cas il y a augmentation de la masse en mouvement. Les contraintes d'intégration comme le coût, la nécessité de contrôles accus, notamment de stabilité, de temps de réponse, rendent ces systèmes coûteux à mettre en place. [0008] Le but de l'invention est de proposer un moteur à taux de compression variable qui soit efficace en termes de rendement tout en étant fiable mécaniquement et simple à mettre en oeuvre. [0009] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile, comprenant au moins deux cylindres de combustion et un piston dans chaque cylindre, au moins un balancier et des bielles disposées chacune entre un piston respectif et ledit au moins un balancier de telle sorte qu'un mouvement de va-et-vient du piston est transformé en mouvement de balancement dudit au moins un balancier, un arbre moteur et un assemblage de liaison entre ledit au moins balancier et l'arbre moteur lequel assemblage de liaison transforme au moins un mouvement de balancement dudit au moins un balancier en un mouvement rotatif de l'arbre moteur, ledit assemblage de liaison comportant un arbre de transmission effectuant un mouvement de rotation alternative, caractérisé en ce que l'arbre de transmission comporte deux tronçons coaxiaux et un organe de déphasage angulaire disposé entre les deux tronçons coaxiaux de sorte que les deux tronçons coaxiaux présentent une position angulaire autour de leur axe géométrique commun qui est variable au cours du fonctionnement du moteur. [0010] Avantageusement, actionnement hydraulique. [0011] Avantageusement, actionnement électrique. [0012] Avantageusement, actionnement mécanique. [0013] Avantageusement, l'organe de déphasage angulaire est un déphaseur à l'organe de déphasage angulaire est un déphaseur à l'organe de déphasage angulaire est un déphaseur à l'organe de déphasage angulaire est un déphaseur à actionnement pneumatique [0014] Avantageusement, le moteur comporte au moins deux balanciers et un engrenage assujettissant les positions desdits au moins deux balanciers l'une à l'autre. [0015] Avantageusement, le moteur comporte au moins deux roues dentées dont une seule roue comporte un axe rotatif transmettant un effort vers l'arbre moteur. [0016] Avantageusement, ledit axe rotatif transmettant un effort vers l'arbre moteur est ledit arbre de transmission. [0017] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur. [0018] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée laquelle représente un moteur selon un mode de réalisation de l'invention. [0019] Le moteur représenté à la figure unique comporte un volant moteur 1, une manivelle 2 solidaire du volant moteur 1, un coupleur 3, un suiveur 4, et un axe de transmission 5 portant une roue dentée faisant partie d'un engrenage 6. Ce moteur comporte également deux balanciers lesquels sont référencés 7 et 7a sur la figure, et deux bielles 8 et 8a reliant à chaque fois un piston 9, 9a au balancier correspondant. [0020] Dans cette architecture, le vilebrequin est remplacé par un système comportant un balancier 7, 7a sous la forme d'un bras de levier où l'effort de combustion est transmis à travers le piston 9, 9a via la bielle 8, 8a jusqu'au balancier 7, 7a. Ce système monté notamment sur le même axe 5 que celui du suiveur 4 d'un mécanisme de type bascule à manivelle - ou crank rocker selon la terminologie anglophone - permet de transformer le mouvement alternatif du piston 9, 9a en un mouvement de basculement du suiveur 4 puis via le coupleur 3 et la manivelle 2 en un mouvement de rotation continue du volant moteur 1. Le suiveur 4 entraine le coupleur 3 qui, lui, entraîne la manivelle 2. En choisissant les bonnes longueurs du suiveur 4, du coupleur 3 et de la manivelle 2, on transforme le mouvement de basculement ou rotation non continue transmis du piston à l'arbre 5 en un mouvement de rotation continue qui permet de tourner la manivelle 2 et d'entrainer le volant moteur 1. L'effort de combustion est ainsi transmis du piston 9, 9a vers le balancier 7, 7a à travers la bielle 8, 8a. Les deux pistons 9 et 9a se déplacent dans le même sens grâce aux roues dentées de l'engrenage 6 qui tournent dans un sens inverse l'une de l'autre. [0021] Le présent mécanisme comporte en outre un déphaseur angulaire 10 disposé sur l'arbre de transmission 5. L'arbre 5 est constitué de deux tronçons coaxiaux lesquels présentant un phasage angulaire mutuel qui est variable par l'action du déphaseur 10. Le déphaseur 10 monté sur le même arbre 5 est ainsi relié au suiveur 4 du mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker » et bascule d'un même angle que le suiveur 4. Le présent déphaseur angulaire 10 est donc ici disposé entre le mécanisme à quatre barres et le système comprenant le balancier et l'engrenage, soit ici entre le mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker » et un palier de rotation d'une roue dentée de l'engrenage 6. [0022] Le fait de déphaser l'angle entre le l'axe de rotation des balanciers 7 et 7a et le suiveur 4 a pour impact de varier la hauteur des deux pistons 9 et 9a et donc du volume mort, c'est-à-dire le volume de la chambre de combustion lorsque le piston est au point mort haut, ce qui permet de changer le taux de compression indépendamment de la cylindrée, la cylindrée étant égale au produit de l'alésage par la course. La course est quant à elle égale au produit de la longueur du balancier 7, 7a par son angle de basculement qui est lui défini par l'architecture du mécanisme à quatre barres ou mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker ». [0023] La sortie du couple c'est -à-dire le mouvement de rotation continue de la manivelle 2 ou du volant moteur 1 peut être choisie indépendamment des axes de rotation des deux balanciers 7, 7a. La sortie finale se situe à une distance L = r1 choisie selon la conception du mécanisme et avec 360° de liberté autour des axes de basculement respectifs des balanciers 7, 7a. Cela permet de choisir la sortie du couple vers la boîte de vitesse avec plus de choix et de degré de liberté et donc on arrive à optimiser le centre de gravité et l'intégration du groupe motopropulseur dans le véhicule. [0024] On exposera ci-dessous la conception du mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker ». Le présent mécanisme de type bascule à manivelle dit « crankrocker » est composé de quatre barres. Trois barres sont des barres réelles, respectivement la manivelle 2 reliée au volant moteur 1 et qui effectue donc un mouvement de rotation continue, la barre constituée par le coupleur 3 et qui transmet le couple de basculement du suiveur 4 à la manivelle 2, et la barre constituée par le suiveur 4 et qui transmet l'effort de combustion provenant du balancier 7 au coupleur 3. La barre fixe et fictive est définie comme étant une barre reliant le centre de rotation du suiveur 4 au centre de rotation de la manivelle 2. En choisissant une bonne configuration on obtient un mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker » qui permet de transformer un mouvement de rotation en un mouvement de basculement. Ici on adopte cette configuration mais dans le sens inverse, c'est-à-dire, à partir du couple ou effort de basculement, on produit un couple rotatif sur la manivelle 2. [0025] Deux conditions sont souhaitables pour ce mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker ». Une condition souhaitable de montage ou d'assemblage est que la longueur de la barre fictive soit inférieure à la somme des trois barres réelles. Une deuxième condition souhaitable est que la loi de Grashoff soit respectée, à savoir qu'une des barres, la plus courte, puisse effectuer une rotation continue, la somme des longueurs de la manivelle 2 et de la barre fictive étant inférieure à la somme des longueurs du coupleur 3 et du suiveur 4. La barre la plus courte est la manivelle 2. Donc on aura le mécanisme de type bascle à manivelle dit « crank-rocker » dans lequel la manivelle 2 effectue un mouvement de rotation continue autour de son point de rotation et dans lequel le suiveur 4 oscille autour de son point de rotation. Les positions extrêmes du suiveur oscillant 4 sont obtenues lorsque la manivelle 2 et le coupleur 3 sont alignés. Le déphaseur 10 permet de varier le volume mort sans varier la course du piston, donc à iso- cylindrée. [0026] On adopte donc ici un mécanisme à quatre barres permettant de transformer le mouvement oscillant provenant de la combustion des cylindres à travers le balancier en un mouvement de rotation. L'adoption de l'engrenage 6 accroit encore l'adaptabilité du présent moteur à différentes configurations du véhicule. L'engrenage 6 permet de transformer le mouvement des deux pistons 9 et 9a en un même mouvement de rotation alternative d'un seul arbre de transmission, ici l'arbre de transmission 5. L'adoption d'un engrenage dans un tel dispositif s'avère plus généralement avantageuse pour transformer différents types de cinématiques d'un couple de pistons en un même mouvement rotatif continu. En effet, bien que l'on ait décrit ici une couple de pistons se déplaçant de manière identique l'un à l'autre, selon une variante un engrenage par exemple à trois roues dentées permet d'accoupler les mouvements de deux pistons se déplaçant en opposition de phase. L'adoption d'un engrenage permet en outre une liberté encore accrue dans le positionnement du suiveur 4, du coupleur 3 et de la manivelle 2 et permet donc une liberté de positionnement encore accentuée de la sortie de puissance du moteur et de la boite de vitesse associée. [0027] Dans le présent mode de réalisation, on supprime donc le vilebrequin et on le remplace par un mécanisme composé d'un balancier et d'un mécanisme à quatre barres permettant de transformer le mouvement oscillant provenant de la combustion des cylindres à travers le balancier en un mouvement de rotation. Ce mécanisme est avantageux pour optimiser le rendement thermodynamique d'un moteur thermique à combustion interne. [0028] En installant un tel déphaseur hydraulique ou mécanique, on arrive à réaliser un taux de compression variable sans toucher à la cylindrée du moteur, De plus un tel déphaseur ne crée pas d'accroissement d'encombrement dans le sens Z de la hauteur du moteur, où l'on souhaite pouvoir obtenir des dimensions les plus faibles possibles. [0029] On obtient ainsi un taux de compression variable sans modifier la cylindrée unitaire du moteur et sans changer ou ajouter un grand nombre de composants au moteur, ce qui permet d'avoir un contrôle plus facile du moteur et de réduire plus facilement sa consommation. Par la variation du taux de compression, on améliore la consommation et on réduit l'émission 002. On améliore encore la consommation du fait que la masse est réduite, avec réduction de la hauteur du moteur et la suppression du vilebrequin. [0030] La présente architecture moteur permet de mettre très facilement en oeuvre un taux de compression variable sans imposer une cylindrée variable. Elle remplace le vilebrequin par un balancier qui est relié à un à mécanisme à quatre barres fonctionnant en mode de bascule à manivelle dit « crank-rocker ». L'effort de combustion est transmis du piston au balancier à travers la bielle. Par ajout d'un déphaseur, par exemple mécanique ou hydraulique ou pneumatique ou électrique, on arrive à changer l'angle 0 sans changer la course du piston qui est dépendante du mécanisme de type bascule à manivelle dit « crank-rocker ». REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile, comprenant au moins deux cylindres de combustion et un piston (9,9a) dans chaque cylindre, au moins un balancier (7,7a) et des bielles (8,8a) disposées chacune entre un piston respectif (9,9a) et ledit au moins un balancier (7,7a) de telle sorte qu'un mouvement de va-et-vient du piston (9,9a) est transformé en mouvement de balancement dudit au moins un balancier (7,7a), un arbre moteur (1) et un assemblage de liaison (2,3,4,5,6) entre ledit au moins balancier (7,7a) et l'arbre moteur (1) lequel assemblage de liaison (2,3,4,5,6) transforme au moins un mouvement de balancement dudit au moins un balancier (7,7a) en un mouvement rotatif de l'arbre moteur (1), ledit assemblage de liaison (2,3,4,5,6) comportant un arbre de transmission (5) effectuant un mouvement de rotation alternative, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (5) comporte deux tronçons coaxiaux et un organe de déphasage angulaire (10) disposé entre les deux tronçons coaxiaux de sorte que les deux tronçons coaxiaux présentent une position angulaire autour de leur axe géométrique commun qui est variable au cours du fonctionnement du moteur. 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de déphasage angulaire (10) est un déphaseur à actionnement hydraulique. 3. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de déphasage angulaire (10) est un déphaseur à actionnement électrique. 4. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de déphasage angulaire (10) est un déphaseur à actionnement mécanique. 5. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de déphasage angulaire (10) est un déphaseur à actionnement pneumatique 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux balanciers (7,7a) et un engrenage (6) assujettissant les positions desdits au moins deux balanciers (7,7a) l'une à l'autre. 7. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux roues dentées (6) dont une seul roue comporte un axe rotatif transmettant un effort vers l'arbre moteur (1). 8. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit axe rotatif transmettant un effort vers l'arbre moteur (1) est ledit arbre de transmission (5). 9. Véhicule automobile comprenant un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.