EP1520970B1

EP1520970B1 - Actionneur hydraulique pour moteur à combustion interne et moteur à combustion interne comportant au moins un tel actionneur hydraulique

Info

Publication number: EP1520970B1
Application number: EP04292347A
Authority: EP
Inventors: Aurélien Huss; Olivier Venuti
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE602004000901D1; FR2860551B1; FR2860551A1; DE602004000901T2; EP1520970A1; ES2264098T3; ATE326623T1

Description

La présente invention concerne un actionneur hydraulique pour moteur à combustion interne à rapport volumétrique et à cylindrée variables et un moteur à combustion interne équipé d'au moins un tel actionneur hydraulique.
Le rapport volumétrique d'un moteur à combustion interne étant défini comme le rapport entre les volumes de chambre de combustion d'un cylindre au point mort bas et au point mort haut, le choix du rapport volumétrique est un compromis entre le rendement à bas régime et basse charge, c'est à dire à une faible puissance demandée, et l'apparition de cliquetis dans des conditions de fonctionnement plus chargé.
Il est intéressant de faire varier le rapport volumétrique en fonction des conditions d'utilisation du moteur. A cet effet, on connaît des dispositifs qui concernent le déphasage de la distribution avec comme effet la réduction du rapport effectif relativement au taux géométrique de base.
La variation de volume mort et/ou de volume balayé a fait l'objet de nombreuses propositions, mais qui n'ont pas été suivies d'exploitations industrielles en grande série connues.
Les familles de solutions proposées sont en substance les suivantes :

modification du volume mort côté culasse par un piston additionnel,
longueur de bielle variable,
piston "gonflable",
distance axe de vilebrequin - plan de joint de culasse variable,
course variable.

Ces diverses propositions aboutissent à une variation limitée de la cylindrée dans une proportion inférieure à 25% et présentent divers inconvénients.
Par ailleurs, on connaît dans le FR-A-2 807 105 un moteur à combustion interne, à rapport volumétrique et à cylindrée variables, qui comprend au moins un cylindre dans lequel peut se déplacer un piston entre un point mort haut et un point mort bas.
Ce moteur comprend également des moyens pour faire varier la position du point mort haut entre des limites prédéterminées, afin de faire varier simultanément la course du piston, la position du point mort bas et corrélativement le rapport volumétrique et la cylindrée en fonction des conditions d'utilisation du moteur.
Ces moyens comprennent une bielle articulée d'une part sur le piston du moteur et d'autre part sur une bielle principale qui tourne sur un vilebrequin et qui est également articulée sur une bielle formant balancier, associée à un organe de réglage de la position de ladite bielle commandant les positions des points morts haut et bas.
Dans le JP 62041970 on connaît un actionneur ou la position du piston est reglée lors d'un effort exercé sur le piston par l'ensemble des bielles.
L'invention a pour but de proposer un actionneur hydraulique associé à cet ensemble de bielles articulées et qui permet de faire varier rapidement la position du point mort haut et la position du point mort bas ainsi que de maintenir ces points morts haut et bas à une position fixe, tout en consommant un minimum d'énergie.
L'invention a donc pour objet un actionneur hydraulique pour moteur à combustion interne à rapport volumétrique et à cylindrée variables, caractérisé en ce qu'il comprend, dans un corps, un piston relié à un ensemble de bielles articulées à un piston du moteur et délimitant dans ledit corps une chambre inférieure et une chambre supérieure remplies de fluide et des moyens de maintien du piston à une position fixe ou de réglage de la position de ce piston dans le corps par passage sélectif du fluide entre les deux chambres sous l'effet de la différence de pression dans lesdites chambres lors d'un effort exercé sur le piston de cet actionneur par l'ensemble de bielles, la surface active du piston dans la chambre inférieure étant inférieure à la surface active dudit piston dans la chambre supérieure.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :

les moyens de réglage comprennent :
- un premier passage ménagé dans le piston et comportant une première extrémité débouchant dans la chambre inférieure et une seconde extrémité débouchant dans la chambre supérieure et munie d'un clapet taré,
- un second passage ménagé dans le piston et comportant une première extrémité débouchant dans la chambre inférieure et munie d'un clapet taré et une seconde extrémité débouchant dans le premier passage entre la première extrémité et le clapet du premier passage, et
- des organes de commande de l'écoulement du fluide entre les chambres par lesdits clapets,
les organes de commande comprennent :
- une première tige disposée dans le premier passage et agissant sur le clapet du premier passage, ladite première tige comportant un canal axial de passage du fluide de la chambre inférieure vers la chambre supérieure,
- une seconde tige disposée dans l'axe de la première tige et reliée à un système d'actionnement, et
- un poussoir disposé entre lesdites tiges et déplaçable à l'encontre de ressorts de rappel par la seconde tige entre une position de fermeture du canal de la première tige et dans laquelle le clapet du premier passage est ouvert et une position d'ouverture de ce canal et dans laquelle le clapet du premier passage est fermé,
le clapet du premier passage est maintenu appliqué par un ressort de compression contre un siège ménagé dans ce premier passage pour commander l'écoulement du fluide de la chambre inférieure vers la chambre supérieure,
le clapet du second passage est maintenu appliqué par un ressort de compression contre un siège ménagé dans le second passage pour commander l'écoulement du fluide de la chambre supérieure vers la chambre inférieure,
les ressorts de rappel du poussoir comprennent un premier ressort interposé entre la face inférieure du piston et ce poussoir et un second ressort interposé entre le fond du canal de la tige et ledit poussoir,
la chambre inférieure est raccordée à une pompe de gavage en fluide.

L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne, comprenant au moins un cylindre dans lequel peut se déplacer un piston entre un point mort haut et un point mort bas et des moyens pour faire varier la position du point mort haut entre des limites prédéterminées afin de faire varier simultanément la course du piston, la position du point mort bas et corrélativement le rapport volumétrique et la cylindrée en fonction des conditions d'utilisation du moteur, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un actionneur hydraulique tel que précédemment mentionné, relié audit piston par un ensemble de bielles articulées.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

la Fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un piston d'un moteur à combustion interne équipé d'un actionneur hydraulique conforme à l'invention permettant de régler le rapport volumétrique et la cylindrée de ce moteur,
les Figs. 2 et 3 sont des vues schématiques en élévation similaires à la Fig. 1 montrant respectivement la position du point mort haut et la position du point mort bas du piston pour un taux de compression fort et une course faible de ce piston,
les Figs. 4 et 5 sont des vues schématiques en élévation similaires à la Fig. 2 montrant respectivement la position du point mort haut et la position du point mort bas du piston pour un taux de compression faible et une course forte de ce piston,
la Fig. 6 est une vue schématique en coupe axiale de l'actionneur hydraulique conforme à l'invention,
les Figs. 7, 8 et 9 sont des vues schématiques à plus grande échelle et en coupe axiale montrant le fonctionnement des clapets de cet actionneur hydraulique.

Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un cylindre 1 d'un moteur à combustion interne dans lequel un piston 2 peut exécuter des courses entre un point mort haut et un point mort bas. Le piston 2 est lié à une bielle 3 dite bielle esclave, articulée d'une part sur le piston 2 et d'autre part sur une bielle principale 4 qui tourne sur un vilebrequin 5. La bielle principale 4 est également articulée par un axe 6 sur une bielle 7 formant balancier, associée à un dispositif de réglage de la position de cette bielle 7 et qui comprend un actionneur hydraulique désigné dans son ensemble par la référence 20.
A son extrémité opposée à l'axe 6, la bielle 7 formant balancier est reliée à l'actionneur hydraulique 20 par une articulation 9. La bielle principale 4 comporte un bras court 4a et un bras long 4b solidaire d'un corps tubulaire 4c qui peut tourner sur un maneton 10 faisant partie intégrante du vilebrequin 5. Le bras court 4a assure la liaison entre le maneton 10 et l'axe 11 de la bielle 3, tandis que le bras long 4b assure la liaison entre le maneton 10 et l'axe 6 d'articulation sur la bielle 7 formant balancier.
L'ensemble de bielles 3, 4 et 7 ainsi que l'actionneur hydraulique 20 sont logés dans un carter de cylindres 12.
L'actionneur 20 doit permettre de maintenir le point d'articulation 9 de la bielle 7 formant balancier à une position fixe ainsi que de déplacer ce point d'articulation 9 rapidement vers un point de consigne prédéterminé dans les deux sens, c'est à dire vers le haut ou vers le bas, et selon une course partielle ou totale et une dynamique inférieure à une seconde. A chaque position du point d'articulation 9 commandé par l'actionneur 20 correspond une position de la bielle 7 formant balancier, de la bielle principale 4, du vilebrequin 5, de la bielle 3 et du piston 2.
Les Figs. 2 et 3 illustrent les positions extrêmes du piston 2 pour un taux de compression fort et une course faible. La Fig. 2 montre l'état de l'ensemble de bielles 3, 4 et 7 et du piston 2 au point mort haut et la Fig. 3 montre les mêmes éléments au point mort bas de ce piston 2.
Les Figs. 4 et 5 illustrent respectivement les positions extrêmes du piston 2 pour un taux de compression faible et une course forte du piston 2. La Fig. 4 montre l'état de l'ensemble de bielles 3, 4 et 7 et du piston 2 au point mort haut et la Fig. 5 montre les mêmes éléments au point mort bas de ce piston 2.
En se reportant maintenant aux Figs. 6 et 7, on va décrire plus en détail l'actionneur hydraulique 20. Cet actionneur hydraulique 20 est formé par un corps 21 à l'intérieur duquel est monté déplaçable en translation un piston 22 relié à la bielle 7 formant balancier par le point d'articulation 9. Le piston 22 est muni à sa périphérie d'un joint d'étanchéité 23 et il délimite à l'intérieur du corps 21 une chambre inférieure 24 et une chambre supérieure 25 qui sont remplies d'un fluide.
La surface active 22a du piston 22 dans la chambre inférieure 24 est inférieure à la surface active 22b dudit piston 22 dans la chambre supérieure 25 (Fig. 6).
D'une manière générale, l'actionneur hydraulique 20 comporte des moyens de maintien du piston 22 à une position fixe ou de réglage de la position de ce piston 22 dans le corps 21 par passage sélectif du fluide entre les deux chambres 24 et 25 sous l'effet de la différence de pression dans lesdites chambres 24 et 25 lors d'un effort exercé sur le piston 22 de cet actionneur 20 par l'ensemble de bielles 3, 4 et 7.
Les moyens comprennent un premier passage 30 ménagé dans le piston 22 et qui comporte une première extrémité 30a débouchant dans la chambre inférieure 24 et une seconde extrémité 30b débouchant dans la chambre supérieure 25. Cette seconde extrémité 30b est pourvue d'un clapet taré 31.
Ces moyens comprennent aussi un second passage 32 ménagé dans le piston 22 et qui comporte une première extrémité 32a débouchant dans la chambre inférieure 24 et munie d'un clapet taré 33. Ce passage 32 comporte une seconde extrémité 32b débouchant dans le premier passage 30 entre la première extrémité 30a et le clapet 31. Enfin, les moyens comprennent également des organes de commande de l'écoulement du fluide entre les chambres 24 et 25 par les clapets 31 et 33 et qui sont désignés par la référence générale 40.
Les organes de commande 40 sont formés par une première tige 41 disposée dans le premier passage 30 et dont le diamètre extérieur correspond sensiblement au diamètre dudit passage 30. Cette première tige 41 comporte un canal axial 42 de passage du fluide de la chambre inférieure 24 vers la chambre supérieure 25, comme on le verra ultérieurement. La première tige 41 est destinée à agir sur le clapet 31.
Les organes de commande 40 comprennent, d'une part, une seconde tige 43 disposée dans l'axe de la première tige 41 et reliée à un système d'actionnement, non représenté, et, d'autre part, un poussoir 44 disposé entre les tiges 41 et 43 et qui est déplaçable à l'encontre de ressorts de rappel 35 et 46 par ladite seconde tige 43 entre une position de fermeture du canal 42 de la première tige 41 et une position d'ouverture de ce canal 42.
La seconde tige 43 est guidée dans un orifice 45 ménagé dans le corps 21 et le système d'actionnement de cette seconde tige 43 pour la déplacer verticalement vers le haut ou vers le bas est constitué par tout système approprié, comme par exemple un système à pignon et crémaillère, commandé par un moteur électrique.
Le clapet 31 du premier passage 30 est maintenu appliqué contre un siège 36 ménagé dans le premier passage 30 par un ressort de compression 37 pour commander l'écoulement du fluide de la chambre inférieure 24 vers la chambre supérieure 25.
Le clapet 33 du second passage 32 est maintenu appliqué contre un siège 47 ménagé dans le second passage 32 par un ressort de compression 48 pour commander l'écoulement du fluide de la chambre supérieure 25 vers la chambre inférieure 24.
Les ressorts de rappel associés au poussoir 44 comprennent un premier ressort 35 interposé entre la face 22a du piston 22 et ce poussoir 44 pour maintenir ledit poussoir 44 contre l'extrémité de la seconde tige 43 et un second ressort 46 interposé entre le fond du canal 42 et le poussoir 44 de façon à maintenir l'extrémité supérieure de la tige 41 contre le clapet 31.
En position de repos, comme montré à la Fig. 7, un espace est ménagé entre l'extrémité inférieure de la tige 41 et le poussoir 44.
Ainsi que montré à la Fig. 6, la chambre inférieure 24 est raccordée à une pompe 50 de gavage en fluide de cette chambre inférieure 24.
L'actionneur 20 maintient le point d'articulation 9 ou déplace ce point d'articulation 9 et de ce fait la position du point mort haut et la position du point mort bas du piston 2 dans le cylindre 1 par l'intermédiaire de l'ensemble de bielles 3, 4 et 7 selon deux directions opposées, ce point d'articulation 9 étant soumis à un effort alternatif fortement dissymétrique par ledit ensemble.
Pour cela, pour maintenir le piston 22 ou pour commander indifféremment en montée ou en descente la position du piston 22 dans le corps 21 lors d'un effort exercé sur ce piston 22 par l'ensemble de bielles 3, 4 et 7, différents cas de fonctionnement de cet actionneur 20 peuvent se présenter.
Pour déplacer le piston 22 vers le haut, c'est à dire dans le sens de la montée, le système d'actionnement, non représenté, soulève la seconde tige 43 qui elle-même soulève la première tige 41 par l'intermédiaire du poussoir 44 qui obture le canal axial 42 ainsi que montré à la Fig. 8. Cette première tige 41 ouvre le clapet 31 qui se soulève de son siège 36.
Dans le cas où l'effort sur le piston 22 est positif, c'est à dire dirigé vers le haut par l'intermédiaire de l'ensemble de bielles 3, 4 et 7, la pression dans la chambre supérieure 25 augmente et devient supérieure à la pression dans la chambre inférieure 24. Sous l'effet de la différence de pression créée par cet effort entre les chambres 24 et 25, le fluide passe de la chambre supérieure 25 vers la chambre inférieure 24 par le clapet 31 qui est ouvert et par le clapet 33 qui s'ouvre sous l'effet de la pression du fluide exercée dans le second passage 32. Durant cette phase, le piston 22 remonte dans le corps 21, permettant ainsi de déplacer la position du piston 2 dans le cylindre 1 par l'intermédiaire de l'ensemble de bielles 3, 4 et 7.
Lorsque l'effort exercé sur le piston 22 est négatif, c'est à dire dirigé vers le bas, la pression dans la chambre inférieure 24 augmente. Comme la pression dans cette chambre inférieure 24 est supérieure à celle de la chambre supérieure 25, le clapet 33 reste plaqué sur son siège 47, ce qui empêche le passage du fluide entre la chambre inférieure 24 et la chambre supérieure 25.
Le piston 22 reste donc dans sa position.
Ainsi, un effort alternatif sur le piston 22 permet de faire monter ce piston 22 par saccades.
Pour déplacer le piston 22 vers le bas, c'est à dire dans le sens de la descente, le système d'actionnement, non représenté, descend la seconde tige 43, ce qui a pour effet de libérer le poussoir 44 et l'entrée du canal 42. Le clapet 31 est plaqué sur son siège 36 sous l'effet du ressort de compression 37.
Lorsque l'effort exercé par l'ensemble de bielles 3, 4 et 7 sur le piston 22 est positif, c'est à dire dirigé vers le haut, le clapet 31 reste plaqué sur son siège 36 car la pression dans la chambre supérieure 25 est supérieure à celle régnant dans la chambre inférieure 24. Le piston 22 ne se déplace pas.
Lorsque l'effort sur le piston 22 est négatif, c'est à dire dirigé vers le bas, la pression dans la chambre inférieure 24 augmente, si bien que le fluide passe par le canal axial 42 de la première tige 41, soulève le clapet 31 de son siège 36 et débouche dans la chambre supérieure 25 (Fig. 9). L'augmentation de la pression dans la chambre supérieure 25 et à la différence des surfaces actives 22a et 22b du piston 22 font que la force exercée sur la surface 22b est supérieure à celle exercée sur la surface 22a provoque la descente du piston 22 dans le corps 21.
Mais, le plus souvent, les efforts exercés sur le piston 22 vers le bas sont inférieurs aux efforts exercés sur ledit piston 22 vers le haut.
La pompe de gavage 50 fonctionne pratiquement en permanence et agit comme un ressort de pré-charge.
Pour faciliter la descente du piston 22 dans le cas où les efforts sont dirigés vers le bas, le meilleur compromis sera choisi entre le rapport des sections, la pression de gavage et le tarage du clapet 23.
C'est également en agissant sur ces paramètres que le meilleur compromis sera trouvé entre la vitesse de montée et la vitesse de descente du piston 22 et de la bielle 7, car si l'on favorise l'une, on dégrade l'autre et réciproquement.
Pour maintenir le piston 22 dans le corps 21 dans une position fixe, lorsque l'effort exercé sur ce piston 22 est dirigé vers le haut, le clapet 31 est maintenu plaqué sur son siège 36 par la pression du fluide dans la chambre supérieure 25 si bien qu'aucun fluide ne passe entre les chambres 24 et 25 et le piston 22 demeure dans la même position.
Lorsque l'effort exercé sur le piston 22 est dirigé vers le bas, le clapet 33 est maintenu plaqué sur son siège 47 par la pression du fluide dans la chambre inférieure 24 et le poussoir 44 obture le canal axial 42 de la première tige 41 et dans ce cas également aucun fluide ne circule entre les chambres 24 et 25 et le piston 22 demeure dans la même position.
L'actionneur hydraulique selon l'invention permet de maintenir le piston de cet actionneur dans une position fixe, et de ce fait le point d'articulation dudit piston avec l'ensemble de bielles, ou de faire varier la position de ce piston et la position de ce point d'articulation vers un point de consigne déterminé selon une dynamique inférieure à une seconde afin de faire varier la position du point mort haut du piston du moteur à combustion interne entre des limites prédéterminées et par conséquent de faire varier simultanément la course de ce piston, la position du point mort bas et corrélativement le rapport volumétrique et la cylindrée en fonction des conditions d'utilisation du moteur.
Par ailleurs, l'énergie dépensée par cet actionneur ne sert que pour le gavage du système et non pour faire un travail et compte tenu de la faible section des tiges de commande, l'énergie dépensée pour le déplacement de ces tiges de commande est très faible.
L'actionneur hydraulique selon l'invention peut s'appliquer à tout système mécanique subissant le même type d'efforts et plus particulièrement à toute architecture de moteur.

Claims

Actionneur hydraulique pour moteur à combustion interne à rapport volumétrique et à cylindrée variables, caractérisé en ce qu'il comprend, dans un corps (21), un piston (22) relié, par un ensemble de bielles articulées (3, 4, 7), à un piston (2) du moteur et délimitant, dans ledit corps (21), une chambre inférieure (24) et une chambre supérieure (25) remplies de fluide et des moyens de maintien du piston (22) à une position fixe ou de réglage de la position de ce piston (22) dans le corps (21) par passage sélectif du fluide entre les deux chambres (24, 25) sous l'effet de la différence de pression dans lesdites chambres (24, 25) lors d'un effort exercé sur le piston (22) de cet actionneur par l'ensemble de bielles (3, 4, 7), la surface active (22a) du piston (22) dans la chambre inférieure (24) étant inférieure à la surface active (22b) dudit piston (22) dans la chambre supérieure (25).
Actionneur hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent :
- un premier passage (30) ménagé dans le piston (22) et comportant une première extrémité (30a) débouchant dans la chambre inférieure (24) et une seconde extrémité (30b) débouchant dans la chambre supérieure (25) et munie d'un clapet taré (31),

- un second passage (32) ménagé dans le piston (22) et comportant une première extrémité (32a) débouchant dans la chambre inférieure (24) et munie d'un clapet taré (33) et une seconde extrémité (32b) débouchant dans le premier passage (30) entre la première extrémité (30a) et le clapet (31) dudit premier passage (30), et

- des organes (40) de commande de l'écoulement du fluide entre les chambres (24, 25) par lesdits clapets (31, 33).
Actionneur hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes (40) de commande comprennent :
- une première tige (41) disposée dans le premier passage (30) et agissant sur le clapet (31) de ce premier passage (30), ladite première tige (41) comportant un canal axial (42) de passage du fluide de la chambre inférieure (24) vers la chambre supérieure (25),

- une seconde tige (43) disposée dans l'axe de la première tige (41) et reliée à un système d'actionnement, et

- un poussoir (44) disposé entre lesdites tiges (41, 43) et déplaçable à l'encontre de ressorts de rappel (35, 46) par la seconde tige (43) entre une position de fermeture du canal (42) et dans laquelle le clapet (31) du premier passage (30) est ouvert et une position d'ouverture de ce canal (42) et dans laquelle le clapet (31) du premier passage est fermé.
Actionneur hydraulique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le clapet (31) du premier passage (30) est maintenu appliqué par un ressort de compression (37) contre un siège (36) ménagé dans le premier passage (30) pour commander l'écoulement du fluide de la chambre inférieure (24) vers la chambre supérieure (25).
Actionneur hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le clapet (33) du second passage (32) est maintenu appliqué par un ressort de compression (48) contre un siège (47) ménagé dans le second passage (32) pour commander l'écoulement du fluide de la chambre supérieure (25) vers la chambre inférieure (24).
Actionneur hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ressorts de rappel du poussoir (44) comprennent un premier ressort (35) interposé entre la face inférieure (22a) du piston (22) et le poussoir (44) et un second ressort (46) interposé entre le fond du canal (42) de la tige (41) et ledit poussoir (44).
Actionneur hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre inférieure (24) est raccordée à une pompe (50) de gavage en fluide.
Moteur à combustion interne, comprenant au moins un cylindre (1) dans lequel peut se déplacer un piston (2) entre un point mort haut et un point mort bas et des moyens pour faire varier la position du point mort haut entre des limites prédéterminées afin de faire varier simultanément la course du piston (2), la position du point mort bas et corrélativement le rapport volumétrique et la cylindrée en fonction des conditions d'utilisation du moteur, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un actionneur hydraulique (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, relié audit piston (2) par un ensemble de bielles articulées (3, 4, 7).