Brevet FR3040436A1 — publié le 20170303

ENSEMBLE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE COMPORTANT UN SYSTEME DE VARIATION DU RAPPORT VOLUMETRIQUE [0001] La présente invention porte sur un ensemble pour moteur à combustion interne comportant un système de variation du taux de compression. [0002] Actuellement, la plupart des moteurs à combustion interne sont équipés d'un système bielle-manivelle à cinématique constante et non variable. Le rapport volumétrique du moteur résulte de la cinématique des éléments mobiles et de la géométrie des éléments fixes concernés, tels que carter, cylindres, vilebrequin, culasse, piston, bielle, et soupapes. Le rapport volumétrique n'est donc pas modifiable en fonctionnement. [0003] Le rapport volumétrique fixé est défini pour obtenir le meilleur compromis entre la consommation, les performances, et la durabilité en tenant compte d'une large gamme de carburants. Toutefois, le rendement thermomécanique résultant de ce compromis est généralement non optimal. En outre, les risques de combustion anormale pour les moteurs à essence sont importants et fréquents, en particulier avec les carburants à bas indice d'octane recherche (ou en anglais RON pour « research octan number »), et cela provoque des sur-sollicitations sur les composants du moteur. Pour les moteurs suralimentés, ces sur-sollicitations conduisent à renforcer la tenue mécanique des éléments afin d'assurer la fiabilité et la durabilité du moteur, ce qui entraine des surcoûts et une augmentation de la masse des moteurs. Autrement dit, dans la mesure où il est impossible de faire varier le rapport volumétrique du moteur en fonction de la charge, du régime de rotation, et du carburant utilisé (indice octane), le moteur fonctionne dans des conditions non optimales. [0004] Le document W02014162043 enseigne l'utilisation d'un excentrique afin de faire varier le rapport volumétrique. Cet excentrique se déplace angulairement à l'intérieur du pied de bielle à l'aide d'un système de poussée hydraulique. Toutefois, l'intégration d'un tel système à proximité du pied de bielle implique un alésage des pièces, ce qui induit alors une fragilité de ces pièces très sollicitées mécaniquement. [0005] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un ensemble pour moteur à combustion interne comportant : - un vilebrequin muni d'un maneton, et 3040436 2 - un système de variation de rapport volumétrique du moteur à combustion interne comprenant un excentrique monté rotatif autour dudit maneton, caractérisé en ce que ledit excentrique est configuré de telle façon qu'une rotation dudit excentrique autour dudit maneton est apte à être réalisée par une inversion de couple de 5 l'excentrique par rapport à une tête de bielle. [0006] Ainsi grâce à cette inversion de couple l'excentrique, il est possible de s'affranchir d'un système de poussée hydraulique pour générer la rotation de l'excentrique dans la tête de bielle. L'invention permet ainsi d'optimiser le fonctionnement du moteur sur toute sa plage d'utilisation en adaptant le rapport volumétrique et l'avance à l'allumage aux 10 conditions d'utilisation, tels que le type de carburants, les températures, et les demandes de couple maximal. Les principaux gains obtenus sont : - une augmentation du rendement thermomécanique avec un abaissement du niveau de consommation du carburant et des émissions de dioxyde de carbone, - une augmentation des performances du moteur, notamment les courbes de couple et de 15 puissance, par un choix optimal de l'avance à l'allumage sans risque de combustion anormale, - une augmentation de la durabilité du moteur et la simplification de la conception des composants par réduction de l'occurrence des sollicitations exceptionnelles liées aux phénomènes de super-cliquetis lors d'utilisation de carburants à bas taux d'octane. 20 Cette invention permet également de standardiser les moteurs à essence ou diesel destinés à des pays de commercialisation où les indices d'octane ou de cétane sont dispersés ou faibles. [0007] Selon une réalisation, ledit ensemble comprend un dispositif de détection magnétique pour détecter une position angulaire dudit excentrique. 25 [0008] Selon une réalisation, ledit dispositif de détection magnétique comporte: - au moins un ergot magnétique positionné sur l'excentrique, et - au moins un capteur magnétique correspondant implanté sur une paroi d'un carter cylindre dudit moteur, ledit capteur magnétique étant apte à envoyer un signal relatif à une position angulaire dudit excentrique vers un calculateur moteur. 30 [0009] Selon une réalisation, ledit dispositif de détection comporte deux ergots magnétiques associés chacun à un capteur magnétique, chaque ergot est positionné à une extrémité d'un flasque dudit excentrique. 3040436 3 [0010] Selon une réalisation, ledit excentrique possède deux positions stables autour du maneton. [0011] Selon une réalisation, un écart angulaire entre les positions stables est de l'ordre de 90 degrés. 5 [0012] Selon une réalisation, ledit ensemble comprend un dispositif de verrouillage intégré dans un corps d'une bielle pour verrouiller l'excentrique dans une des positions stables. [0013] Selon une réalisation, ledit dispositif de verrouillage comporte un pion mobile en translation entre une première position verrouillée dans laquelle le pion est engagé à 10 l'intérieur d'une première ouverture ménagée dans un premier flasque de l'excentrique et une deuxième position verrouillée dans laquelle le pion est engagé à l'intérieur d'une deuxième ouverture ménagée dans un deuxième flasque de l'excentrique. [0014] Selon une réalisation, ledit dispositif de verrouillage comporte : - une chambre hydraulique à volume variable intégrée dans le corps de bielle fermée par 15 une portion du pion formant piston, et - un organe élastique, configurés de telle façon qu'un déplacement dudit pion d'une position verrouillée à l'autre résulte soit d'une pression appliquée dans la chambre hydraulique, soit d'une pression exercée par l'organe élastique. 20 [0015] L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble tel que défini précédemment. [0016] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 25 [0017] La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un ensemble pour moteur comportant un système de variation de rapport volumétrique et un dispositif de verrouillage selon la présente invention; [0018] Les figures 2a et 2b sont des vues en perspective d'un excentrique de la figure 1 respectivement dans un étant assemblé et non assemblé; 3040436 4 [0019] Les figures 3a à 3d sont des représentations graphiques du couple de l'excentrique en fonction d'un angle de rotation du vilebrequin, pour différentes conditions de fonctionnement d'un moteur à essence; avec combustion; [0020] Les figures 4a à 4d sont des représentations graphiques du couple de 5 l'excentrique en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin, pour différentes conditions de fonctionnement du moteur; sans combustion; [0021] Les figures 5a et 5b sont des vues en coupe d'un ensemble pour moteur thermique selon la présente invention illustrant notamment les conduits du fluide ménagés respectivement à l'intérieur du vilebrequin et du maneton; 10 [0022] Les figures 6a et 6b sont des vues en coupe du dispositif de verrouillage de l'excentrique intégré dans le corps de bielle selon la présente invention; [0023] Les figures 7a et 7b sont des vues de face illustrant les deux positions stables de l'excentrique des figures 2a et 2b; [0024] La figure 8 montre une vue de face d'un ensemble pour moteur thermique muni 15 d'un dispositif de verrouillage et d'un dispositif de détection de la position angulaire de l'excentrique monté dans un carter cylindre selon la présente invention. [0025] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0026] La figure 1 montre un système 1 de variation de rapport volumétrique permettant 20 de faire fonctionner un moteur à combustion interne à un rapport volumétrique élevé ou diminué. Le moteur à combustion interne comprend au moins un cylindre, de préférence trois ou quatre cylindres, dans chacun desquels un piston réalise des mouvements rectilignes alternatifs. Des bielles 2 assurent la transformation des mouvements rectilignes alternatifs des pistons en mouvements circulaires d'un vilebrequin 3. A cet effet, chaque 25 bielle 2 ayant un corps 20 comporte une première extrémité 21, appelée pied de bielle, reliée au piston correspondant et une deuxième extrémité 22, appelée tête de bielle, montée sur un maneton 4 correspondant du vilebrequin 3. Chaque maneton 4 d'axe X est issu d'un flasque 6 s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport à l'axe X. En outre, le système 1 de variation de rapport volumétrique modifie également la course du 30 piston, ce qui permet de modifier la cylindrée du moteur. 3040436 5 [0027] Par ailleurs, le système 1 de variation de rapport volumétrique comprend un excentrique 5 monté rotatif sur chaque maneton 4. Chaque excentrique 5, bien visible en figures 2a et 2b, comporte un corps ayant une face externe excentrique 50 destinée à coopérer avec la tête de bielle 22. La face interne 57 de l'excentrique 5 est en contact 5 avec la périphérie externe 40 du maneton 4 correspondant. A cette interface, entre la face interne 57 de l'excentrique 5 et la périphérie externe 40 du maneton 4, des coussinets pourront être montés ou un traitement de surface par projection pourra être prévu. La face interne 57 de l'excentrique 5 présente un axe sensiblement confondu avec l'axe X du maneton 4, tandis que la face externe 50 de l'excentrique 5 est excentrée par rapport à cet 10 axe X. [0028] Le corps de chaque excentrique 5 est en l'occurrence formé par deux parties 51, 52 assemblées entre elles. Chaque partie 51, 52 présente sensiblement la forme d'un demi-anneau. Ces demi-anneaux 51, 52 sont destinés à venir se plaquer chacun sur la moitié de la circonférence 40 du maneton 4. En variante, le corps de l'excentrique 5 est 15 monobloc, c'est-à-dire qu'il est réalisé en une seule partie. Dans ce cas, le montage de l'excentrique 5 est réalisé à l'aide d'un vilebrequin 3 démontable et/ou sur un monocylindre. [0029] La rotation de l'excentrique 5 autour du maneton 4 est obtenue par une inversion du couple de l'excentrique 5 par rapport à la tête de bielle 22 durant un cycle moteur, 20 correspondant à deux tours de vilebrequin 3. Le couple de l'excentrique 5 résulte de l'effort de la tête de bielle 22 sur le maneton 4. Les efforts de la tête de bielle 22 correspondent principalement à des forces de compression ou de traction vues par la bielle 2 : en fonction de la charge, la bielle 2 est soumise premièrement à une force de compression suite à la compression du mélange puis à la combustion, ce qui a pour effet de soumettre 25 l'excentrique 5 à un couple dans un premier sens. Par ailleurs, la bielle 2 est soumise à une force de traction suite à l'effet d'inertie de l'ensemble formé par le piston et la bielle 2, ce qui a pour effet de soumettre l'excentrique 5 à un couple dans un deuxième sens. Ainsi, le couple induit par la cinématique du système bielle-manivelle sur l'excentrique 5 provoque le déplacement de l'excentrique 5 dans la tête de bielle 22. 30 [0030] Les figures 3a à 3d sont des exemples de représentations graphiques du couple de l'excentrique en fonction d'un angle de rotation du vilebrequin, pour différentes conditions de fonctionnement d'un moteur essence, avec combustion. Zéro degré correspond à la position point mort haut du piston dans le cylindre. Les figures 3a et 3b ont 3040436 6 été obtenues pour un régime de 1000 tr/min tandis que les figures 3c et 3d ont été obtenues pour un régime de 6000 tr/min. Les figures 3a et 3c ont été obtenues pour un rapport volumétrique maximal, alors que les figures 3b et 3d ont été obtenues pour un rapport volumétrique minimal. Les figures 4a à 4d sont des représentations graphiques 5 correspondantes du couple de l'excentrique obtenues dans un mode de fonctionnement sans combustion. [0031] Les graphiques des figures 3a à 4d mettent en évidence, que l'inversion du couple de l'excentrique 5 est systématique sur un cycle moteur. En effet, que ce soit sous charge, à vide, avec combustion, sans combustion, et avec un rapport volumétrique 10 minimal ou maximal, le couple de l'excentrique 5 s'inverse systématiquement, ce qui permet à l'excentrique 5 de se déplacer sur toute sa plage angulaire de déplacement. Ainsi, l'excentrique 5 peut alternativement passer, autour du maneton 4, d'une position stable 251, 252 à une autre. [0032] Un dispositif de verrouillage 100 à commande hydraulique permet d'arrêter et de 15 verrouiller le déplacement angulaire de l'excentrique 5 par rapport à la tête de bielle 22 lorsque l'excentrique 5 se situe dans une des positions stables 251, 252. [0033] A cet effet, le dispositif de verrouillage 100 comporte un pion 110 intégré dans le corps de bielle 20 et mobile en translation suivant un axe parallèle à l'axe X du maneton 4. Le pion 110 se déplace entre une première position verrouillée, montrée en figure 6a, dans 20 laquelle le pion 110 est engagé à l'intérieur d'une première ouverture 55 ménagée dans un premier flasque 53 de l'excentrique 5 et une deuxième position verrouillée, montrée en figure 6b, dans laquelle le pion 110 est engagé à l'intérieur d'une deuxième ouverture 56 ménagé dans un deuxième flasque 54 de l'excentrique 5. En l'occurrence, les flasques 53, 54 munis chacun d'une ouverture 55, 56 présentent une forme de portions d'anneau en 25 vis-à-vis l'une de l'autre délimitant une gorge pour autoriser la mise en place de la tête de bielle 22 autour de la face externe 50 de l'excentrique 5. [0034] Le dispositif de verrouillage 100 comporte en outre une chambre hydraulique 150 intégrée dans le corps de bielle 20. La chambre hydraulique 150 à volume variable est fermée d'une part par le corps de bielle 20, et d'autre part par une collerette du pion 110 30 formant piston 111. La chambre 150 est alimentée en fluide de lubrification via un conduit 180 ménagé dans le corps de bielle 20, le vilebrequin 3, le maneton 4 et l'excentrique 5 (cf. figure 5a et 5b). En outre, un organe élastique 120, prenant en l'occurrence la forme d'un ressort, permet le déplacement du pion 110 d'une position verrouillée à l'autre. 3040436 7 [0035] Le déplacement du pion 110 résulte alors soit de la pression appliquée dans la chambre hydraulique 150, soit de la pression exercée par l'organe élastique 120. Ainsi, comme cela est illustré par la figure 6a, lorsque la chambre hydraulique 150 est pleine et que la pression en huile à l'intérieure de la chambre hydraulique 150 est supérieure à un 5 seuil défini, le ressort 120 est comprimé par le piston 111, et le pion 110 est poussé vers l'ouverture 55 ménagée dans le flasque 53 de l'excentrique 5, verrouillant ainsi une première position stable 251, 252. Lorsque la chambre hydraulique 150 n'est plus alimentée, le piston 111 est en position de repos et le ressort 120 se décomprime, ce qui a pour effet de désengager le pion 110 de l'ouverture 55 permettant alors la rotation de 10 l'excentrique 5. Lorsque la pression en huile de la chambre hydraulique 150 est inférieure à un seuil défini (cf. figure 6b), le ressort 120 décomprimé pousse le pion 110 vers l'ouverture 56 ménagée dans l'autre flasque 54 de l'excentrique 5, et verrouillant ainsi l'autre position stable 251, 252 de l'excentrique 5. Dans une variante de réalisation, les deux ouvertures 55, 56 sont ménagées sur un même flasque 53 ou 54. 15 [0036] De préférence, un dispositif de détection 200 montré sur la figure 8 permet de détecter la position angulaire de l'excentrique 5. A cet effet, le dispositif de détection 200 comprend un ergot magnétique 201, 202 intégré sur chaque extrémité de flasque 53, 54 (cf. figures 2a et 2b). Un capteur magnétique 211 associé à chaque ergot 201, 202 est implanté sur la paroi 220 du carter cylindres du moteur. 20 [0037] Ainsi, lorsque l'excentrique 5 est dans la première position stable 251, l'ergot 201, se trouve à proximité et dans le champ de détection d'un premier capteur magnétique 211 implanté par exemple du côté de l'admission. Lorsque l'excentrique 5 est dans la deuxième position stable 252, l'ergot 202 se trouve à proximité d'un deuxième capteur magnétique (non représenté) implanté par exemple du côté de l'échappement. 25 [0038] Les signaux retournés par les capteurs 211 sont traités par le calculateur moteur qui valide alors l'état de position de l'excentrique 5 et donc le rapport volumétrique du cylindre concerné. Cette validation se fait, par exemple, après chaque changement de consigne de la commande hydraulique du système 1, puis en mode de surveillance pendant le fonctionnement moteur. Chaque cylindre est équipé de ce dispositif de 30 détection 200. Ainsi, pour un moteur possédant trois cylindres, on prévoit six capteurs magnétiques 211 et huit capteurs 211 pour un moteur à quatre cylindres. REVENDICATIONS: 1. Ensemble pour moteur à combustion interne comportant : - un vilebrequin (3) muni d'un maneton (4), et - un système de variation de rapport volumétrique (1) du moteur à combustion interne comprenant un excentrique (5) monté rotatif autour dudit maneton (4), caractérisé en ce que ledit excentrique (5) est configuré de telle façon qu'une rotation dudit excentrique (5) autour dudit maneton (4) est apte à être réalisée par une inversion de couple de l'excentrique (5) par rapport à une tête de bielle (22). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détection magnétique (200) pour détecter une position angulaire dudit excentrique (5). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection magnétique (200) comporte: - au moins un ergot magnétique (201, 202) positionné sur l'excentrique (5), et - au moins un capteur magnétique (211) correspondant implanté sur une paroi d'un carter cylindre (220) dudit moteur, ledit capteur magnétique (211) étant apte à envoyer un signal relatif à une position angulaire dudit excentrique (5) vers un calculateur moteur. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection (200) comporte deux ergots magnétiques (201, 202) associés chacun à un capteur magnétique (211), chaque ergot (201, 202) est positionné à une extrémité d'un flasque (53, 54) dudit excentrique (5). 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit excentrique (5) possède deux positions stables (251, 252) autour du maneton (4). 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un écart angulaire entre les positions stables (251, 252) est de l'ordre de 90 degrés. 7. Ensemble selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de verrouillage (100) intégré dans un corps (20) d'une bielle (2) pour verrouiller l'excentrique (5) dans une des positions stables '(251, 252). 3040436 9 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dispositif de verrouillage (100) comporte un pion (110) mobile en translation entre une première position verrouillée dans laquelle le pion (110) est engagé à l'intérieur d'une première ouverture (55) ménagée dans un premier flasque (53) de l'excentrique (5) et une 5 deuxième position verrouillée dans laquelle le pion (110) est engagé à l'intérieur d'une deuxième ouverture (56) ménagée dans un deuxième flasque (54) de l'excentrique (5). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dispositif de verrouillage (100) comporte : - une chambre hydraulique (150) à volume variable intégrée dans le corps de bielle 10 (20) fermée par une portion du pion (110) formant piston (111), et - un organe élastique (120), configurés de telle façon qu'un déplacement dudit pion (110) d'une position verrouillée à l'autre résulte soit d'une pression appliquée dans la chambre hydraulique (150), soit d'une pression exercée par l'organe élastique (120). 15 10. Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.