EP3418532A1 - Dispositif de réglage de taux de compression d'un moteur à combustion interne - Google Patents

Dispositif de réglage de taux de compression d'un moteur à combustion interne Download PDF

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EP3418532A1
EP3418532A1 EP18160194.9A EP18160194A EP3418532A1 EP 3418532 A1 EP3418532 A1 EP 3418532A1 EP 18160194 A EP18160194 A EP 18160194A EP 3418532 A1 EP3418532 A1 EP 3418532A1
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EP
European Patent Office
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coefficient
thermal expansion
lever
connecting rod
operating element
Prior art date
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Granted
Application number
EP18160194.9A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP3418532B1 (fr
Inventor
Jean-Pierre Millon
Jerome PAILLARD
Benoit Verbeke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP3418532A1 publication Critical patent/EP3418532A1/fr
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Publication of EP3418532B1 publication Critical patent/EP3418532B1/fr
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/045—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable connecting rod length
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the compression ratio of an internal combustion engine.
  • This device comprises a connecting rod whose head receives the axis of the crankshaft and whose foot cooperates with a mechanism for adjusting the position of the piston.
  • This adjustment mechanism comprises an eccentric having a bore for receiving the piston shaft.
  • the eccentric turns on itself under the action of a lever whose center of tilting is also the center of rotation of the eccentric.
  • the lever extends on either side of the eccentric and comprises a first end and a second end. These ends are respectively connected to two rods, each of these rods slides in a corresponding compression chamber and made in the body of the rod. The pressure difference in these chambers causes the rods to move in opposite directions, allowing the lever to tilt to one side or to the other side. The tilting of the lever causes the rotation of the eccentric and thus the change of position of the piston head.
  • the compression chambers are supplied with oil.
  • a pilot valve for example type 3/2, communicates with these chambers and controls the supply or discharge of each of them.
  • the pilot valve is not part of the connecting rod.
  • the pilot valve is controlled at each motor revolution to rotate in a non-rotating guide.
  • This device is relatively complicated and involves a contact of the pilot valve whose movement is rotatable, with a non-rotating guide. This can result in audible slipping noise of the valve in the guide, or significant friction between these two elements. This increases the risk of pilot valve failure and guide wear. Therefore, this eccentric adjustment mechanism is unreliable and requires regular operation monitoring, which generally complicates the eccentric adjustment mechanism.
  • an object of the invention is to provide a compressor compression rate adjustment device reliable and easy to implement.
  • the connecting rod and the operating element are respectively made of materials having different coefficients of thermal expansion.
  • the respective dimensions of these elements will vary differently under the effect of variation of the engine temperature. Thanks to the differential expansion or retraction between the connecting rod and the operating element, the operating element can act on the lever and tilt to the desired side. Following the tilting of the lever, the eccentric turns on itself and changes the position of the piston, and therefore changes the compression ratio.
  • the adjustment of the compression ratio therefore depends on a characteristic inherent in the connecting rod and the operating element, here the coefficient of thermal expansion. In this way, there is little or no external element to the rod to control the action of the operating element on the lever, which makes the device according to the invention more reliable and less complex compared to a device of the state of the art using controlled actuators.
  • the device according to the invention is particularly suitable for a diesel engine.
  • the device according to the invention can be designed to put the piston in a position conferring a high compression rate to the diesel engine from its start.
  • this is not possible for state-of-the-art devices since the pressurized oil supply system of these devices is not operational at the time of starting the engine. Therefore, at this moment, the devices of the state of the art give a low compression rate to the engine, which will delay or even make it impossible to start it.
  • the invention also relates to an internal combustion engine equipped with at least one compression ratio adjusting device comprising at least one of the preceding characteristics.
  • the invention also relates to a vehicle equipped with such an engine.
  • a compression rate adjusting device 1 comprises a piston 2 mounted on a connecting rod 3, an eccentric 4 cooperating with the connecting rod 3.
  • the piston 2 comprises a piston head 21 connected to a piston shaft 22.
  • the eccentric 4 causes the piston head 21 to move from top to bottom, and vice versa, in the vertical direction F1 illustrated in FIG. figure 1 .
  • the rod 3 comprises three main parts: the foot 31, the body 33 and the head 34.
  • the small end 31 comprises a vertical slot and a first opening whose axis is horizontal and perpendicular to said slot.
  • the first opening receives a main shaft 41 of the eccentric 4. Since the illustrated views on the Figures 1 to 4 are cutting views of the adjusting device 1, the vertical slot and the first opening are not clearly visible.
  • the big end 34 comprises a second opening 35 which receives a crankshaft axis of the engine.
  • the connecting rod body 33 connects the foot 31 to the small end 34.
  • the eccentric 4 is installed at the small end of the connecting rod 32. Precisely, the eccentric 4 comprises a main shaft 41 fitted in the first opening so that once installed in said opening, the main shaft 41 can turn around. himself.
  • the main shaft 41 comprises an eccentric bore 42, i.e. it is offset from a center I of the main shaft 41.
  • the eccentric bore 42 is shifted to the left by relation to the center I of the tree 41.
  • the eccentric bore 42 is adapted to receive the piston shaft 22. This is held frictionally fixed once engaged in the eccentric bore 42.
  • the eccentric 4 further comprises a lever 43 secured to the main shaft 41.
  • the lever 43 comprises a toothed internal bore 430 having a shape complementary to a toothed portion 410 of the main shaft 41.
  • the lever 43 is housed in the vertical slot at the small end of the rod.
  • the lever 43 also comprises an arm 431 extending to the right from the toothed bore 430.
  • an operating element 44 is connected to the lever 43 at an attachment point 441 situated on the arm 431, or else called a top attachment point 441.
  • the operating element 44 is a rod 443 housed in a housing 330 formed in the rod body 33. Said housing 330 opens outwardly of the connecting rod body 33.
  • the rod 443 is connected to the rod body 33 at a hooking point 442 located at the bottom of the room, or also called low attachment point 442.
  • the adjustment device 1 makes it possible to adjust the compression ratio by changing the position of the piston head 21.
  • the distance between the upper end 210 of the piston head 21 and the center O of the second opening of the bottom is measured in the vertical direction F1 illustrated in FIG. figure 1 .
  • the operating principle of the adjusting device 1 is based on a differential expansion between two components of the device to act on the lever 43 and rotate the main shaft 41 of the eccentric 4. These two elements are the element of maneuver 44, here the rod 443, and the connecting rod 3.
  • the rod 443 is made of a material having a coefficient of positive thermal expansion while the connecting rod 3 is made of a material having a coefficient of thermal expansion substantially zero.
  • coefficient of thermal expansion substantially zero a value very close to zero value, for example less than or equal to 2 x 10 -6 K -1 .
  • the connecting rod 3 has a coefficient of thermal expansion of zero.
  • the position of the piston head 21 therefore affects the dead volume of the cylinder.
  • the piston head 21 is in the maximum high position in which the distance between the upper end 210 of the piston head 21 and the center O of the second opening 35 of the bottom has its maximum value d max .
  • the dead volume in this case, has a minimum volume, which corresponds to the highest compression ratio ⁇ max .
  • the state of the engine corresponding to the figure 1 is its state before starting, that is to say that the temperature in the engine is approximately identical to the ambient temperature T amb .
  • the rod 443 being made of a material having a positive coefficient of expansion, is in a retracted state at room temperature, as illustrated in FIG. figure 1 .
  • the rod 443 barely comes out of its housing 330 and directs the arm 431 of the lever 43 downwards.
  • the arm 431 in this low configuration positions the main shaft 41 so as to place the eccentric bore 42 at the upper left relative to the center I of the main shaft 41.
  • the piston shaft 22, or more exactly the piston head 21 is placed in the maximum high position as illustrated in FIG. figure 1 .
  • the piston head 21 is in the maximum down position in which the distance between the upper end 210 of the piston head 21 and the center O of the second opening 35 of the bottom has its minimum value d min .
  • the engine has reached a maximum temperature T max .
  • the maximum temperature may exceed the threshold temperature T threshold corresponding to an upper limit thermal capacity of the engine. This case is possible during the phases of the overboost during which the engine torque is temporarily higher than the permissible torque in continuous mode.
  • the overboost is achievable on an atmospheric diesel engine, that is to say a diesel engine without a forced supply system of the engine air, for example a compressor.
  • the rod 443 When the engine temperature reaches the maximum temperature T max , the rod 443 also reaches its maximum length by expanding, which is shown in FIG. figure 2 . Thus, by lengthening to its maximum length, the rod 443 pushes the arm 431 of the lever 43 upwards.
  • the main shaft 41 of the eccentric 4 rotates on itself in a direction F2 counterclockwise and places the eccentric bore 42 in the lower left relative to the center I of the eccentric.
  • the piston head 21 is therefore located in the maximum down position, which is to maximize the dead volume and thus to obtain the minimum compression ratio 15.
  • the rod 443 decreases the compression ratio thereof to a minimum value 15.
  • the connecting rod 3 has a coefficient of thermal expansion close to zero, or even zero, the dimensions of the connecting rod 3 do not vary much.
  • the compression ratio In a first time of use of the engine, that is to say just after starting it, the expansion of the rod 443 being low, the compression ratio remains relatively high. This is very beneficial for a diesel engine that needs a high compression ratio at startup.
  • the rod 443 In a second period of use of the engine, that is to say while the engine reaches a normal operating temperature, the rod 443 expands and acts on the lever 43 so that it lowers the piston head 21. The compression ratio is thus decreased. The compression ratio can be further reduced if necessary by triggering the overboost phase during which the engine reaches the maximum temperature T max .
  • this is a device for adjusting the compression ratio continuously, the characteristics of this device are advantageously used during long periods of high load: the high temperatures encountered under these conditions make it possible, by further reducing the compression ratio, to reduce the combustion temperature and therefore push the limits of reliability of the engine.
  • the location of the arm 531 and the operating element 54 is different from that of the first example, since the operating element 54 of the second example is made of a material having a coefficient of negative thermal expansion. In contrast, the rod 3 remains insensitive to changes in the engine temperature.
  • the operating element 54 according to the second example has an elongate stem shape 543 similar to that of the first example.
  • the piston head 21 is in the maximum high position.
  • the engine temperature is the ambient temperature.
  • the arm 531 of the lever 53 is held at the top and the main shaft 41 is in a position in which the eccentric bore 42 is located at the top left of the figure 3 .
  • the piston head 21 is in its maximum high position conferring a maximum compression ratio ⁇ max to the engine.
  • the distance between the upper end 210 of the piston head 21 and the center O of the second opening has a maximum value d max .
  • the motor temperature now reaches the maximum value T max .
  • the maximum temperature T max may exceed the engine threshold temperature representing the upper limit thermal capacity of the engine.
  • the engine can reach the maximum temperature T max during the overboost phases.
  • the rod 543 shown on the figure 4 , is in a maximum retracted state. Indeed, having a negative coefficient of expansion, the rod 543 retracts as the temperature of the engine increases. When the engine reaches the maximum temperature T max , the rod 543 is retracted to its maximum. In this configuration, the rod 543 holds the arm 531 of the lever in a low position in which the eccentric bore 42 is located at the bottom left of the figure 4 . Thus, the piston head 21 is in its maximum low position conferring a minimum compression ratio ⁇ min to the engine.
  • the rod 543 is weakly retracted, the compression ratio remains relatively high.
  • the rod 543 retracts little by little by directing the arm 531 downward.
  • the piston head 21 is thus lowered and reduces the compression ratio.
  • the compression ratio can be further reduced by triggering the overboost phase.
  • the distance of the lever arm di is changed between this high attachment point and the center I of the eccentric.
  • the greater this distance di is, the smaller the rotation angle of the eccentric.
  • the smaller the distance di the greater the angle of rotation of the eccentric.
  • the angle of rotation of the eccentric has a direct impact on the position of the piston head, thus on the compression ratio of the engine.
  • the lower attachment point of the operating element in the connecting rod body can be shifted to the right or to the left in order to adjust the rotation angle of the eccentric depending on the compression ratio wish.
  • the operating element is made of a material having a substantially zero or even zero thermal expansion coefficient
  • the connecting rod body is made of a material having a coefficient of positive thermal expansion.
  • the invar for the operating element and the steel for the connecting rod are made of a material having a coefficient of positive thermal expansion.
  • the operating element and the connecting rod may both have a coefficient of thermal expansion of the same sign, negative or positive, provided to respect a difference, in absolute value, predefined between the coefficients.
  • This difference can be of the order of 140 x 10 -6 K -1 .
  • the operating element is an elongated rod in the direction of movement of the piston.
  • the operating element may consist of an alternating succession of parts having the same coefficient of non-zero thermal expansion and of parts having the same coefficient of thermal expansion substantially zero, said parts being substantially parallel to the direction of movement of the piston head.
  • substantially parallel to the direction of movement of the foot of the piston is meant that the angle formed between the axis of the part concerned and the direction of movement of the piston is in the range of [0 °; 20 °].
  • a first part 65 having a non-zero thermal coefficient is arranged vertically.
  • the first piece 65 is connected at its lower end 651 to the body of the rod.
  • the first piece 65 is connected to an intermediate piece 66 at its upper end 652.
  • the intermediate piece 66 has a coefficient of zero thermal expansion.
  • the intermediate piece 66 from its link 661 with the first piece 65, joins a second piece 67, identical to the first piece 65, of the same length, of the same material in its lower part 671.
  • the lower part 671 of the second part 67 is located at the same level as that of the first part 65.
  • the second part 67 extends vertically upwards from the link 662 at the bottom with the intermediate piece 66.
  • the upper end 672 of the second piece 67 is connected to the lever.
  • the second piece 67 may be different from the first piece 65 depending on the need for expansion and the shape constraints imposed by the mechanical environment. For example, they may not have the same length or be made from different materials.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de réglage (1) de taux de compression d'un moteur à combustion interne. Ce dispositif de réglage (1) comprenant:
- une bielle (3) comprenant un pied de bielle (31), une tête de bielle (34) destinée à recevoir un vilebrequin du moteur et un corps de bielle (33) reliant le pied (31) à la tête (34) ;
- un piston (2) comprenant un arbre de piston (22);
- un excentrique (4) comprenant
- un arbre principal (41) installé au niveau du pied de bielle (31) et comportant un alésage excentrique (42) recevant l'arbre de piston (22);
- un levier (43) coopérant avec l'arbre principal (41) de manière à faire tourner l'arbre principal (41) sur lui-même par le basculement du levier (43);
- au moins un élément de manoeuvre (44) étant relié d'une part au corps de bielle (33) et d'autre part au levier (43) de manière à faire basculer le levier (43) ;
Selon l'invention, la bielle (3) et l'élément de manoeuvre (44) sont respectivement réalisés dans des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents.

Description

  • L'invention se rapporte à un dispositif de réglage de taux de compression d'un moteur à combustion interne.
  • Il est connu, dans le domaine de véhicule automobile, de différents dispositifs conçus pour ajuster le taux de compression du moteur en fonction du régime et de la charge de ce dernier. Ces dispositifs consistent à modifier le rapport volumétrique entre le volume maximal du cylindre lorsque le piston est au point mort bas et le volume minimal lorsque le piston est au point mort haut. Ce rapport représente le taux de compression du moteur.
  • Parmi ces dispositifs, il y a les dispositifs qui modifient la hauteur du piston, c'est-à-dire la distance entre l'arbre de piston et la tête de la bielle sur laquelle est monté le piston. Ce dispositif comprend une bielle dont la tête reçoit l'axe du vilebrequin et dont le pied coopère avec un mécanisme d'ajustage de la position du piston.
  • Ce mécanisme d'ajustage comprend un excentrique comportant un alésage pour recevoir l'arbre de piston. L'excentrique tourne sur lui-même sous l'action d'un levier dont le centre de basculement est également le centre de rotation de l'excentrique. Le levier s'étend de part et d'autre de l'excentrique et comprend une première extrémité et une deuxième extrémité. Ces extrémités sont reliées respectivement à deux tiges, chacune de ces tiges coulisse dans une chambre de compression correspondante et réalisée dans le corps de la bielle. La différence de pression dans ces chambres fait déplacer les tiges suivant deux sens opposés, ce qui permet au levier de basculer vers un côté ou vers l'autre côté. Le basculement du levier entraîne la rotation de l'excentrique et donc le changement de position de la tête du piston.
  • Selon un exemple du mécanisme d'ajustage excentrique, les chambres de compression sont alimentées en huile. Afin de modifier la pression dans ces chambres, une valve de pilotage, par exemple de type 3/2, communique avec ces chambres et commande l'alimentation ou la décharge de chacune d'entre elles.
  • Cependant, la valve de pilotage ne fait pas partie de la bielle. De plus, la valve de pilotage est commandée à chaque tour moteur pour effectuer une rotation dans un guide non tournant. Ce dispositif est relativement compliqué et implique un contact de la valve de pilotage dont le mouvement est rotatif, avec un guide non tournant. Il peut en résulter un bruit de glissement audible de la valve dans le guide, voire de frottement important entre ces deux éléments. Cela augmente le risque de défaillance de la valve de pilotage et d'usure du guide. Par conséquent, ce mécanisme d'ajustage excentrique est peu fiable et requiert un suivi de fonctionnement régulier, ce qui complexifie de manière générale le mécanisme d'ajustage excentrique.
  • Ainsi, un objectif de l'invention est de proposer un dispositif de réglage de taux de compression du moteur fiable et simple à mettre en place.
  • A cet effet, un premier objet de l'invention est un dispositif de réglage de taux de compression d'un moteur à combustion interne, comprenant :
    • une bielle comprenant un pied de bielle, une tête de bielle destinée à recevoir un vilebrequin du moteur et un corps de bielle reliant le pied à la tête;
    • un piston comprenant un arbre de piston;
    • un excentrique comprenant
    • un arbre principal installé au niveau du pied de bielle et comportant un alésage excentrique recevant l'arbre de piston;
    • un levier coopérant avec l'arbre principal de manière à faire tourner l'arbre principal sur lui-même par le basculement du levier;
    • au moins un élément de manoeuvre étant relié d'une part au corps de la bielle et d'autre part au levier de manière à faire basculer le levier.
  • Selon l'invention, la bielle et l'élément de manoeuvre sont respectivement réalisés dans des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents.
  • Ainsi, les dimensions respectives de ces éléments vont varier différemment sous l'effet de variation de la température du moteur. Grâce au différentiel de dilatation ou de rétractation entre la bielle et l'élément de manoeuvre, l'élément de manoeuvre peut agir sur le levier et le faire basculer vers le côté souhaité. Suite au basculement du levier, l'excentrique tourne sur lui-même et modifie la position du piston, et donc modifie le taux de compression.
  • Le réglage du taux de compression dépend donc d'une caractéristique inhérente à la bielle et à l'élément de manoeuvre, ici le coefficient de dilatation thermique. De cette manière, il y a peu, voire il n'y a pas d'élément extérieur à la bielle pour commander l'action de l'élément de manoeuvre sur le levier, ce qui rend le dispositif selon l'invention plus fiable et moins complexe par rapport à un dispositif de l'état de l'art utilisant des actionneurs pilotés.
  • En outre, le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à un moteur Diesel. En effet, le dispositif selon l'invention peut être conçu de sorte à mettre le piston dans une position conférant un fort taux de compression au moteur Diesel dès son démarrage. Cela n'est cependant pas possible pour les dispositifs de l'état de l'art, car le système d'alimentation en huile sous pression de ces dispositifs n'est pas opérationnel au moment du démarrage du moteur. Par conséquent, à ce moment, les dispositifs de l'état de l'art confèrent un faible taux de compression au moteur, ce qui va retarder voire rendre impossible le démarrage de celui-ci.
  • Le dispositif de réglage de taux de compression selon l'invention peut optionnellement comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la différence en valeur absolue entre le coefficient de dilatation thermique de la bielle et le coefficient de dilatation thermique de l'élément de manoeuvre est entre 10 x 10-6 K-1 et 160 x 10-6 K-1; cette différence permet un fonctionnement optimal du dispositif de réglage selon l'invention;
    • le coefficient de dilatation thermique de la bielle est supérieur au coefficient de dilatation thermique de l'élément de manoeuvre; à titre d'exemple, la bielle a un coefficient de dilatation thermique nul et l'élément de manoeuvre au un coefficient de dilatation thermique négatif;
    • alternativement, le coefficient de dilatation thermique de l'élément de manoeuvre est supérieur au coefficient de dilatation thermique de la bielle; par exemple, l'élément de manoeuvre a un coefficient de dilatation thermique positif tandis que la bielle a un coefficient de dilatation thermique nulle;
    • l'élément de manoeuvre est une succession alternée de pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique non nul et de pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique sensiblement nul, lesdites pièces étant sensiblement parallèles à une direction de déplacement d'une tête de piston; ainsi, cet agencement permet d'augmenter le coefficient de dilatation général de l'élément de manoeuvre en exploitant astucieusement ses pièces constitutives ayant un coefficient plus faible que celui que l'on souhaite; il s'agit également d'un moyen simple et peu coûteux pour obtenir un élément de manoeuvre avec le coefficient de dilatation thermique souhaité;
    • à titre d'exemple, l'élément de manoeuvre comprend deux pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique non nul et séparées par une pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul, la première pièce à coefficient de dilatation thermique non nul étant reliée au corps de la bielle et la deuxième pièce à coefficient de dilatation thermique non nul étant reliée au levier;
    • alternativement, dans le cas où la bielle possède un coefficient de dilatation non nul et l'élément de manoeuvre possède un coefficient de dilatation nul, l'élément de manoeuvre comprend deux pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique sensiblement nul et séparées par une pièce à coefficient de dilatation thermique non nul, la première pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul étant reliée au corps de bielle et la deuxième pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul étant reliée au levier.
    • le levier comprend plusieurs points d'accrochage, la distance respective entre ces points d'accrochage et le centre de l'arbre principal de l'excentrique étant différente; l'élément de manoeuvre est relié au levier à un de ces points d'accrochage; ainsi, on peut régler la longueur du bras de levier, mesurée à partir du point d'accrochage et le centre de l'arbre principal, pour diminuer ou augmenter l'effet de la dilatation de l'élément de manoeuvre sur l'angle de rotation de l'excentrique, donc sur le changement de la position du piston, ou plus précisément de la position de la tête de piston;
    • le dispositif de réglage selon l'invention comprend un organe de commande de la dilatation de la pièce à plus forte dilatation parmi l'élément de manoeuvre et la bielle; à titre d'exemple, cet organe de commande est une résistance électrique; ainsi, on peut commander de manière plus précise la dilatation de l'élément de manoeuvre ou de la bielle; cet organe de commande est utilisé de préférence dans un moteur à essence.
  • L'invention concerne également un moteur à combustion interne équipé d'au moins un dispositif de réglage de taux de compression comprenant au moins une des caractéristiques précédentes. L'invention concerne aussi un véhicule équipé d'un tel moteur.
  • D'autres caractéristiques et avantages innovants ressortiront de la description ci-après, fournie à titre indicatif et nullement limitative, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 représente, de manière schématique, une vue de coupe d'un dispositif de réglage de taux de compression selon un premier exemple de réalisation de l'invention; ledit dispositif étant en une position pour laquelle le taux de compression est maximal;
    • la figure 2 représente, de manière schématique, le dispositif de réglage de la figure 1 dans une position pour laquelle le taux de compression est minimal;
    • la figure 3 représente, de manière schématique, un deuxième exemple du dispositif de réglage de taux de compression selon l'invention; ledit dispositif étant en une position pour laquelle le taux de compression est maximal;
    • la figure 4 représente, de manière schématique, le dispositif de réglage de la figure 3 dans une position pour laquelle le taux de compression est minimal;
    • la figure 5 représente, de manière schématique, un autre mode de réalisation d'un élément de manoeuvre; ledit élément de manoeuvre faisant partie du dispositif de réglage selon l'invention.
  • Dans la suite du document, sauf indication contraire, les termes « haut », « bas », « inférieur », « supérieur » correspondent au haut et au bas des figures 1 à 5 telles qu'elles sont présentées. Par ailleurs, les termes « gauche» et « droite » correspondent à la gauche et à la droite des figures 1 à 5 telles qu'elles sont présentées.
  • En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de réglage 1 de taux de compression comprend un piston 2 monté sur une bielle 3, un excentrique 4 coopérant avec la bielle 3. Le piston 2 comprend une tête de piston 21 relié à un arbre de piston 22. L'excentrique 4 fait déplacer la tête de piston 21 du haut vers le bas, et inversement, selon la direction verticale F1 illustrée sur la figure 1.
  • La bielle 3 comprend trois parties principales : le pied 31, le corps 33 et la tête 34. Le pied de bielle 31 comprend une fente verticale et une première ouverture dont l'axe est horizontal et perpendiculaire à ladite fente. La première ouverture reçoit un arbre principal 41 de l'excentrique 4. Etant donné que les vues illustrées sur les figures 1 à 4 sont des vues de coupe du dispositif de réglage 1, la fente verticale et la première ouverture n'y sont pas clairement visibles.
  • La tête de bielle 34 comprend une deuxième ouverture 35 qui reçoit un axe de vilebrequin du moteur. Le corps de bielle 33 relie le pied 31 à la tête de bielle 34.
  • L'excentrique 4 est installé au niveau du pied de bielle 32. Précisément, l'excentrique 4 comprend un arbre principal 41 emmanché dans la première ouverture de manière qu'une fois installé dans ladite ouverture, l'arbre principal 41 peut tourner autour de lui-même.
  • L'arbre principal 41 comprend un alésage excentrique 42, c'est-à-dire qu'il est décalé d'un centre I de l'arbre principal 41. Dans cet exemple, l'alésage excentrique 42 est décalé vers la gauche par rapport au centre I de l'arbre principal 41. L'alésage excentrique 42 est conçu pour recevoir l'arbre de piston 22. Celui-ci est tenu fixe par friction une fois engagé dans l'alésage excentrique 42.
  • L'excentrique 4 comprend en outre un levier 43 solidarisé avec l'arbre principal 41. Selon l'invention et dans cet exemple, le levier 43 comprend un alésage interne denté 430 ayant une forme complémentaire à une portion dentée 410 de l'arbre principal 41. Le levier 43 est logé dans la fente verticale au niveau du pied de bielle. Le levier 43 comprend également un bras 431 s'étendant vers la droite à partir de l'alésage denté 430.
  • Un élément de manoeuvre 44 est relié au levier 43 à un point d'accrochage 441 situé sur le bras 431, ou encore appelé point d'accrochage haut 441. Selon l'invention et dans cet exemple, l'élément de manoeuvre 44 est une tige 443 logée dans un logement 330 réalisé dans le corps de bielle 33. Ledit logement 330 débouche vers l'extérieur du corps de bielle 33. La tige 443 est reliée au corps de bielle 33 à un point d'accrochage 442 situé au fond de la chambre, ou encore appelé point d'accrochage bas 442.
  • Le dispositif de réglage 1 selon l'invention permet de régler le taux de compression en changeant la position de la tête de piston 21. Dans cet exemple, pour quantifier le changement de la position de la tête de piston 21, on regarde la distance d entre l'extrémité supérieure 210 de la tête de piston 21 et le centre O de la deuxième ouverture du bas. Cette distance d est mesurée selon la direction verticale F1 illustrée à la figure 1.
  • Le principe de fonctionnement du dispositif de réglage 1 se base sur un différentiel de dilatation entre deux éléments constitutifs du dispositif pour agir sur le levier 43 et faire tourner l'arbre principal 41 de l'excentrique 4. Ces deux éléments sont l'élément de manoeuvre 44, ici la tige 443, et la bielle 3.
  • Dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2, la tige 443 est réalisée en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique positif tandis que la bielle 3 est réalisée dans un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul. On entend par «coefficient de dilatation thermique sensiblement nul» une valeur très proche de valeur nulle, par exemple inférieure ou égale à 2 x 10-6 K-1. De préférence, la bielle 3 a un coefficient de dilatation thermique nul.
  • A titre d'exemple, la bielle 3 peut être réalisée en Invar (Cth_Invar= 1,2 x 10-6 K-1) et la tige 443 en acier (Cth_acier= 12 x 10-6 K-1).
  • Le taux de compression ε est calculé comme suit ε = V + v v
    Figure imgb0001
    • avec V : le volume de la cylindrée, c'est-à-dire le volume de la chambre de combustion entre le point mort haut et le point mort bas du cylindre;
    • v : le volume mort du cylindre, c'est-à-dire le volume du cylindre lorsque le piston est au point mort haut.
  • Ainsi, plus le volume mort est faible, plus le taux de compression est élevé. Inversement, plus le volume mort est important, plus le taux de compression est faible.
  • La position de la tête de piston 21 affecte donc le volume mort du cylindre.
  • Sur la figure 1, la tête de piston 21 est en position haute maximale dans laquelle la distance entre l'extrémité supérieure 210 de la tête de piston 21 et le centre O de la deuxième ouverture 35 du bas a sa valeur maximale dmax. Ainsi, le volume mort, dans ce cas, a un volume minimal, ce qui correspond au taux de compression le plus élevé εmax.
  • A titre d'exemple, pour une valeur de dmax environ de 120 mm, on a un taux de compression maximal εmax aux alentours de 21.
  • L'état du moteur correspondant à la figure 1 est son état avant le démarrage, c'est-à-dire que la température dans le moteur est à peu près identique à la température ambiante Tamb.
  • La tige 443, étant réalisée en un matériau présentant un coefficient de dilatation positif, est dans un état rétracté à la température ambiante, comme illustré à la figure 1. Dans l'état rétracté, la tige 443 sort à peine de son logement 330 et dirige le bras 431 du levier 43 vers le bas. Le bras 431 dans cette configuration basse positionne l'arbre principal 41 de manière à placer l'alésage excentrique 42 en haut à gauche par rapport au centre I de l'arbre principal 41. Ainsi, l'arbre de piston 22, ou plus exactement la tête de piston 21, est placée dans la position haute maximale comme illustré à la figure 1.
  • Sur la figure 2, la tête de piston 21 est en position basse maximale dans laquelle la distance entre l'extrémité supérieure 210 de la tête de piston 21 et le centre O de la deuxième ouverture 35 du bas a sa valeur minimale dmin.
  • Dans cette configuration, le moteur a atteint une température maximale Tmax. A noter que la température maximale peut dépasser la température seuil Tseuil correspondant à une capacité thermique limite supérieure du moteur. Ce cas de figure est possible pendant les phases de l'« overboost » pendant lesquelles le couple du moteur est temporairement plus élevé que le couple admissible en régime continu. L'overboost est réalisable sur un moteur Diesel atmosphérique, c'est-à-dire un moteur Diesel dépourvu d'un système d'alimentation forcée du moteur en air, par exemple un compresseur.
  • Pendant les phases d'overboost, les gaz injectés, notamment par un turbocompresseur, sont pressés fortement afin d'atteindre un meilleur remplissage des cylindres. Le couple produit par le moteur est augmenté temporairement et on va au-delà du seuil admissible du moteur en termes de capacité thermique. Le moteur chauffe ainsi au-delà de sa température seuil Tseuil pour atteindre la température maximale Tmax. En abaissant le taux de compression du moteur, le système de taux de compression variable par dilatation permet d'augmenter la durée de « l'overboost » pour un même couple maximal, ou d'augmenter le couple maximal pour une même durée de « l'overboost », en diminuant la température atteinte du moteur pour un même couple produit. Ceci est la valeur ajoutée du système selon l'invention, pour cette condition particulière de fonctionnement.
  • Plus le moteur chauffe, plus la tige 443 dans cet exemple est allongée. Lorsque la température du moteur atteint la température maximale Tmax, la tige 443 atteint également sa longueur maximale en se dilatant, ce qui est représenté à la figure 2. Ainsi, en s'allongeant jusqu'à sa longueur maximale, la tige 443 pousse le bras 431 du levier 43 vers le haut. L'arbre principal 41 de l'excentrique 4 tourne sur lui-même selon un sens F2 contraire des aiguilles d'une montre et place l'alésage excentrique 42 en bas à gauche par rapport au centre I de l'excentrique. La tête de piston 21 est située donc en position basse maximale, ce qui consiste à maximiser le volume mort et ainsi à obtenir le taux de compression minimal 15.
  • En résumé, selon l'invention et dans cet exemple, en se dilatant proportionnellement à l'augmentation de la température du moteur, la tige 443 diminue le taux de compression de celui-ci jusqu'à une valeur minimale 15.
  • Par exemple, pour une valeur de dmin environ de 118 mm, on a un taux de compression minimal εmin aux alentours de 15.
  • Dans cet exemple, puisque la bielle 3 a un coefficient de dilatation thermique proche de zéro, voire égal au zéro, les dimensions de la bielle 3 ne varient presque pas.
  • Dans un premier temps d'utilisation du moteur, c'est-à-dire juste après le démarrage de celui-ci, la dilatation de la tige 443 étant faible, le taux de compression reste relativement élevé. Cela est très bénéfique pour un moteur Diesel qui a besoin d'un fort taux de compression au démarrage. Dans un deuxième temps d'utilisation du moteur, c'est-à-dire pendant que le moteur atteint une température de fonctionnement normal, la tige 443 se dilate et agit sur le levier 43 pour que celui-ci fasse baisser la tête de piston 21. Le taux de compression est ainsi diminué. On peut diminuer davantage le taux de compression en cas de besoin en déclenchant la phase d'overboost pendant laquelle le moteur atteint la température maximale Tmax.
  • S'agissant d'un dispositif de réglage de taux de compression en continu, on profite avantageusement des caractéristiques de ce dispositif lors de longues phases en forte charge : les fortes températures rencontrées dans ces conditions permettent, par la réduction supplémentaire du taux de compression, de réduire la température de combustion et donc de repousser les limites de fiabilité du moteur.
  • En référence aux figures 3 et 4, il s'agit d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif de réglage selon l'invention. Dans cet exemple, l'agencement entre l'excentrique 4 et la bielle 3 reste identique au premier mode de réalisation sauf le fait que le bras 531 du levier 53 et l'élément de manoeuvre 54 sont maintenant situés à gauche des figures 3 et 4.
  • Les éléments qui sont identiques au premier mode de réalisation gardent les mêmes références.
  • L'emplacement du bras 531 et de l'élément de manoeuvre 54 est différent de celui du premier exemple, car l'élément de manoeuvre 54 du deuxième exemple est réalisé en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique négatif. En revanche, la bielle 3 reste insensible aux variations de la température du moteur.
  • L'élément de manoeuvre 54 selon le deuxième exemple a une forme de tige 543 allongée semblable à celle du premier exemple.
  • Sur la figure 3, la tête de piston 21 est en position haute maximale. La température du moteur est la température ambiante. A cette température, la tige 543, étant réalisée en un matériau avec un coefficient de dilatation négatif, par exemple en Tungstate de Zirconium (Cth= -7,2 x 10-6 K-1), a une longueur maximale comme illustré à la figure 3. Le bras 531 du levier 53 est maintenu en haut et l'arbre principal 41 est dans une position dans laquelle l'alésage excentrique 42 est situé en haut à gauche de la figure 3. Ainsi, la tête de piston 21 est dans sa position haute maximale conférant un taux de compression maximal εmax au moteur. Comme dans la figure 1, la distance entre l'extrémité supérieure 210 de la tête de piston 21 et le centre O de la deuxième ouverture a une valeur maximale dmax.
  • Sur la figure 4, la température du moteur atteint désormais la valeur maximale Tmax. Comme expliqué précédemment, la température maximale Tmax peut dépasser la température seuil du moteur représentant la capacité thermique limite supérieure du moteur. Le moteur peut atteindre la température maximale Tmax pendant les phases d'overboost.
  • La tige 543, représentée sur la figure 4, est dans un état rétracté maximal. En effet, en ayant un coefficient de dilatation négatif, la tige 543 se rétracte au fur et à mesure que la température du moteur augmente. Lorsque le moteur atteint la température maximale Tmax, la tige 543 est rétractée à son maximum. Dans cette configuration, la tige 543 maintient le bras 531 du levier dans une position basse dans laquelle l'alésage excentrique 42 est situé en bas à gauche de la figure 4. Ainsi, la tête de piston 21 est dans sa position basse maximale conférant un taux de compression minimal εmin au moteur.
  • Par le même principe de fonctionnement que celui du premier exemple de réalisation, dans un premier temps, après le démarrage du moteur, la tige 543 étant faiblement rétractée, le taux de compression reste relativement élevé. Au cours de l'augmentation de la température du moteur jusqu'à atteindre la température de fonctionnement normal, la tige 543 se rétracte peu à peu en dirigeant le bras 531 vers le bas. La tête de piston 21 est ainsi abaissée et fait diminuer le taux de compression. On peut diminuer davantage le taux de compression en déclenchant la phase « overboost ».
  • Bien entendu, un homme du métier peut modifier le dispositif de réglage en fonction de la caractéristique du moteur sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
  • Par exemple, on peut modifier la position des points d'accrochage haut de l'élément de manoeuvre. Ainsi, on modifie la distance du bras de levier di entre ce point d'accrochage haut et le centre I de l'excentrique. Pour la même longueur de dilatation ou de rétractation de l'élément de manoeuvre, plus cette distance di est importante, plus l'angle de rotation de l'excentrique est faible. Inversement, plus cette distance di est faible, plus l'angle de rotation de l'excentrique est important. L'angle de rotation de l'excentrique a un impact direct sur la position de la tête de piston, donc sur le taux de compression du moteur.
  • De façon similaire, le point d'accrochage bas de l'élément de manoeuvre dans le corps de bielle peut être décalé vers la droite ou vers la gauche afin d'ajuster l'angle de rotation de l'excentrique en fonction du taux de compression souhaité.
  • Dans un autre exemple de réalisation, l'élément de manoeuvre est réalisé en un matériau présentant un coefficient de dilation thermique sensiblement nul, voire nul, tandis que le corps de bielle est réalisé en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique positif. Par exemple, l'invar pour l'élément de manoeuvre et l'acier pour la bielle.
  • Dans un autre exemple, l'élément de manoeuvre et la bielle peuvent avoir tous les deux un coefficient de dilatation thermique du même signe, négatif ou positif, à condition de respecter une différence, en valeur absolue, prédéfinie entre les coefficients. Cette différence peut être de l'ordre de 140 x 10-6K-1.
  • Bien entendu, en fonction de la composition de l'élément de manoeuvre et de la bielle, l'homme du métier peut modifier l'agencement entre ces deux éléments et/ou la position de l'alésage de l'excentrique dans l'arbre principal en vue d'obtenir le taux de compression souhaité.
  • Par ailleurs, on peut augmenter le différentiel de dilatation entre l'élément de manoeuvre et la bielle en réchauffant la pièce à plus forte dilatation parmi ces deux pièces par un moyen externe, notamment par une résistance électrique. Alternativement, un courant électrique peut circuler au sein de la pièce à forte dilatation au cas où cette pièce serait conductrice.
  • Dans les exemples illustrés aux figures 1 à 4, l'élément de manoeuvre est une tige allongée suivant la direction de déplacement du piston. Dans un autre exemple de l'invention, l'élément de manoeuvre peut être constitué d'une succession alternée de pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique non nul et de pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique sensiblement nul, lesdites pièces étant sensiblement parallèles à la direction de déplacement de la tête du piston. Par « sensiblement parallèles à la direction de déplacement de le pied du piston », on entend que l'angle formé entre l'axe de la pièce concernée et la direction de déplacement du piston est dans la fourchette de [0°; 20°].
  • Sur la figure 5, une première pièce 65 présentant un coefficient thermique non nul est disposée verticalement. La première pièce 65 est reliée, à son extrémité inférieure 651, au corps de la bielle. La première pièce 65 est reliée à une pièce intermédiaire 66 à son extrémité supérieure 652. La pièce intermédiaire 66 présente un coefficient de dilatation thermique nul. La pièce intermédiaire 66, à partir de sa liaison 661 avec la première pièce 65, rejoint une deuxième pièce 67, identique à la première pièce 65, de même longueur, d'un même matériau dans sa partie inférieure 671. Dans l'exemple illustré, la partie inférieure 671 de la deuxième pièce 67 est située au même niveau que celle de la première pièce 65. Puis, la deuxième pièce 67 s'étend verticalement vers le haut à partir de la liaison 662 en bas avec la pièce intermédiaire 66. L'extrémité supérieure 672 de la deuxième pièce 67 est reliée au levier.
  • Un tel agencement permet d'obtenir un coefficient de dilation thermique global de l'élément de manoeuvre supérieur à celui de chacune des première et deuxième pièces.
  • Dans un autre exemple de réalisation, dans le cas où la bielle 3 possède un coefficient de dilatation non nul et l'élément de manoeuvre 44, 54 ou 64 possède un coefficient de dilatation nul, on peut alors considérer les pièces 65 et 67 avec un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul et la pièce 66 avec un coefficient de dilatation thermique non nul.
  • La deuxième pièce 67 peut être différente de la première pièce 65 selon le besoin en dilatation et les contraintes de formes imposées par l'environnement mécanique. Par exemple, elles peuvent ne pas avoir la même longueur ou être réalisées à partir de matériaux différents.

Claims (11)

  1. Dispositif de réglage (1; 1') de taux de compression d'un moteur à combustion interne, ledit dispositif de réglage (1; 1') comprenant :
    - une bielle (3) comprenant un pied de bielle (31), une tête de bielle (34) destinée à recevoir un vilebrequin du moteur et un corps de bielle (33) reliant le pied (31) à la tête (34) ;
    - un piston (2) comprenant un arbre de piston (22) ;
    - un excentrique (4) comprenant
    - un arbre principal (41) installé au niveau du pied de bielle (31) et comportant un alésage excentrique (42) recevant l'arbre de piston (22) ;
    - un levier (43 ; 53) coopérant avec l'arbre principal (41) de manière à faire tourner l'arbre principal (41) sur lui-même par le basculement du levier (43; 53) ;
    - au moins un élément de manoeuvre (44 ; 54; 64) étant relié d'une part au corps de bielle (33) et d'autre part au levier (43; 53) de manière à faire basculer le levier (43; 53) ;
    le dispositif de réglage (1; 1') étant caractérisé en ce que la bielle (3) et l'élément de manoeuvre (44; 54; 64) sont respectivement réalisés dans des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents.
  2. Dispositif de réglage (1; 1') selon la revendication 1 caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique de la bielle (3) est supérieur au coefficient de dilatation thermique de l'élément de manoeuvre (44; 54; 64).
  3. Dispositif de réglage (1; 1') selon la revendication 1 caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique de l'élément de manoeuvre (44; 54; 64) est supérieur au coefficient de dilatation thermique de la bielle (3).
  4. Dispositif de réglage (1; 1') selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'élément de manoeuvre (64) est une succession alternée de pièces (65, 67) ayant un même coefficient de dilatation thermique non nul et de pièces (66) ayant un même coefficient de dilatation thermique sensiblement nul, lesdites pièces (65, 66, 67) étant sensiblement parallèles à une direction de déplacement (F1) d'une tête de piston (21).
  5. Dispositif de réglage (1 ; 1') selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément de manoeuvre (64) comprend deux pièces (65, 67) ayant un même coefficient de dilatation thermique non nul et séparées par une pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul (66), la première pièce (65) à coefficient de dilatation thermique non nul étant reliée au corps de bielle (33) et la deuxième pièce (67) à coefficient de dilatation thermique non nul étant reliée au levier (43 ; 53).
  6. Dispositif de réglage (1 ; 1') selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément de manoeuvre comprend deux pièces ayant un même coefficient de dilatation thermique sensiblement nul et séparées par une pièce à coefficient de dilatation thermique non nul, la première pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul étant reliée au corps de bielle et la deuxième pièce à coefficient de dilatation thermique sensiblement nul étant reliée au levier.
  7. Dispositif de réglage (1; 1') selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le levier (43; 53) comprend plusieurs points d'accrochage, la distance respective entre ces points d'accrochage et le centre (I) de l'arbre principal (41) de l'excentrique (4) étant différente, et l'élément de manoeuvre (44; 54) étant relié au levier (43; 53) à un de ces points d'accrochage (441; 541).
  8. Dispositif de réglage (1; 1') selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un organe de commande de la dilatation de la pièce à plus forte dilatation parmi l'élément de manoeuvre (44; 54) et la bielle (3).
  9. Dispositif de réglage (1; 1') selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'organe de commande de la dilatation est une résistance électrique.
  10. Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de réglage (1 ; 1') de taux de compression selon l'une des revendications précédentes.
  11. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend le moteur selon la revendication précédente.
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