FR3040437B1 - Ensemble pour moteur a combustion interne comprenant un systeme de variation de rapport volumetrique - Google Patents

Abstract

L'invention porte principalement sur un ensemble pour moteur à combustion interne comportant : - un vilebrequin muni d'un maneton (4), et - un système de variation de rapport volumétrique (1) d'un moteur à combustion interne comprenant : - un excentrique (5) monté rotatif autour dudit maneton (4), caractérisé en ce que ledit système (1) de variation de rapport volumétrique comporte en outre un actionneur hydraulique (10) intégré audit maneton (4) pour commander un déplacement en rotation dudit excentrique (5).

Description

ENSEMBLE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE COMPRENANT UN SYSTEME DE VARIATION DE RAPPORT VOLUMETRIQUE

[0001] La présente invention porte sur un ensemble pour moteur à combustion interne comprenant un système de variation de rapport volumétrique.

[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] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un ensemble pour moteur à combustion interne comportant : - un vilebrequin muni d’un maneton, et - un système de variation de rapport volumétrique d’un moteur à combustion interne comprenant : - un excentrique monté rotatif autour dudit maneton, caractérisé en ce que ledit système de variation de rapport volumétrique comporte en outre un actionneur hydraulique intégré audit maneton pour commander un déplacement en rotation dudit excentrique.

[0005] 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 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 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.

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.

[0006] Selon une réalisation, ledit actionneur hydraulique comporte une palette séparant deux chambres hydrauliques à l’intérieur dudit maneton.

[0007] Selon une réalisation, ladite palette est ménagée sur une face interne de l’excentrique.

[0008] Selon une réalisation, ledit excentrique présente deux positions stables autour du maneton.

[0009] Selon une réalisation, ledit ensemble comprend un dispositif de verrouillage optionnel intégré dans un corps d’une bielle pour verrouiller l’excentrique dans une des positions stables.

[0010] 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 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.

[0011] Selon une réalisation, ledit dispositif de verrouillage comporte : - une chambre hydraulique à volume variable intégrée dans le corps de bielle fermée par 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.

[0012] Selon une réalisation, ledit ensemble comprend un dispositif de détection magnétique pour détecter une position angulaire dudit excentrique.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] L’invention a également pour objet un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble tel que précédemment défini.

[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.

[0017] La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un ensemble pour moteur comportant un système de variation de rapport volumétrique 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 état assemblé et non assemblé; [0019] Les figures 3a et 3b sont des vues en perspective d’une partie d’un vilebrequin selon la présente invention respectivement suivant deux angles différents; [0020] Les figures 4a et 4b sont des vues en coupe illustrant les deux positions stables de l’excentrique des figures 2a et 2b; [0021] Les figures 5a à 5c sont des vues en coupe d’un ensemble pour moteur thermique selon la présente invention illustrant notamment les conduits du fluide ménagés à l’intérieur de l’actionneur hydraulique; [0022] Les figures 6a à 6d sont des vues en coupe d’un ensemble pour moteur thermique muni d’un dispositif de verrouillage de l’excentrique selon la présente invention; [0023] Les figures 7a et 7b sont des vues en perspective d’un autre mode de réalisation de l’excentrique utilisé avec le dispositif de verrouillage et le dispositif de détection de la position angulaire de l’excentrique selon la présente invention; [0024] Les figures 8a et 8b sont des vues de face illustrant les deux positions stables de l’excentrique des figures 7a et 7b; [0025] La figure 9 montre une vue de face d’un ensemble pour moteur thermique muni 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.

[0026] Dans la description qui suit, les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre.

[0027] La figure 1 montre un système 1 de variation de rapport volumétrique permettant 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 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.

[0028] 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. Des coussinets externes 71, 72 sont destinés à être montés entre la face externe 50 de chaque excentrique 5 et les faces internes 23 de la tête de bielle 22 correspondante. La face interne 57 de l’excentrique 5 est en contact avec la périphérie externe 40 du maneton 4 correspondant. 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 axe X.

[0029] 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 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.

[0030] Le système 1 comporte en outre un actionneur hydraulique 10 intégré au maneton 4 afin de commander le déplacement en rotation de l’excentrique 5. A cet effet, comme cela est bien visible sur les figures 4a et 4b, l’actionneur hydraulique 10 comporte une palette 15 positionnée sur la face interne 57 de chaque excentrique 5 et séparant deux chambres hydrauliques 11, 12 à volume variable situées à l’intérieur d’un maneton 4 correspondante.

[0031] Chaque chambre hydraulique 11, 12 est délimitée par une face de fond d’une creusure réalisée dans le maneton 4 (cf. figures 3a et 3b), une partie de la face interne 57 de l’excentrique 5, ainsi qu’une face correspondante de la palette 15. Ces deux chambres 11,12 sont alimentées par un circuit hydraulique de lubrification du moteur. L’alimentation en fluide de lubrification, notamment en huile, des chambres 11, 12 est autorisée par la présence d’entrées de fluide 81, 82 et de conduits 8 prévus dans le vilebrequin 3 et le maneton 4, bien visible sur les figures 5a à 5c. Les chambres 11, 12 sont par exemple alimentées par l’intermédiaire d’une pompe à huile à cylindrée variable pilotée par le calculateur moteur.

[0032] En l’occurrence, la palette 15 s’étend radialement depuis la périphérie interne 57 de l’excentrique 5 en direction de l’axe X, et axialement sensiblement suivant toute la largeur axiale de l’excentrique 5. Chaque palette 15 pourra venir de matière avec l’excentrique 5 correspondant.

[0033] Le déplacement angulaire de la palette 15 entraîne une rotation de l'excentrique 5 autour du maneton 4. Ce déplacement angulaire de la palette 15 est commandé par un écart de pression entre les deux chambres hydrauliques 11, 12.

[0034] Ainsi, lorsque la pression en huile de la première chambre hydraulique 11 est supérieure à la pression en huile de la seconde chambre 12, la palette 15 vient en butée contre la face d’extrémité de la chambre 12, comme montré en figure 4a. L’excentrique 5 se trouve alors dans une position stable 251 où le rapport volumétrique du moteur est maximal. Lorsque la pression en huile de la première chambre hydraulique 11 est inférieure à la pression en huile de la seconde chambre 12, la palette 15 vient en butée contre la face d’extrémité de la chambre 11, comme montré en figure 4b. L’excentrique 5 se trouve alors dans une position stable 252 où le rapport volumétrique du moteur est minimal.

[0035] Ainsi, l’excentrique 5 peut alternativement passer, autour du maneton 4, d’une position stable 251, 252 à une autre, le choix de la position stable étant effectué en fonction notamment des conditions de fonctionnement du moteur thermique. En effet, le pilotage du système 1 est réalisé par une calibration de cartographies du calculateur moteur prenant en compte le régime moteur, la charge, la pression, la suralimentation, les températures d’air, de liquide de refroidissement, d’huile, et l’utilisation de carburant à faible indice d’octane recherche. Le passage d’une position à l’autre modifie la distance entre l’axe X du maneton 4 et l’axe du piston, en sorte que la rotation de l’excentrique 5 permet d’obtenir une variation du rapport volumétrique du moteur. En outre, cela modifie également la course du piston, ce qui permet de modifier la cylindrée du moteur. Le débattement angulaire entre les deux positions stables pourra par exemple être de l’ordre de 90 degrés.

[0036] Il est à noter que le choix du diamètre du maneton 4 devra tenir compte de la tenue en fatigue, aux vibrations de torsion par exemple, et de la présence des chambres hydrauliques 11, 12 car celles-ci se situent dans une zone sollicitée du vilebrequin 3 et du maneton 4. Le positionnement angulaire des chambres 11,12 peut également être défini dans la zone la moins sollicitée en flexion.

[0037] Dans le mode de réalisation des figures 6 à 9, un dispositif de verrouillage 100 à commande hydraulique est associé au système 1 de variation de rapport volumétrique pour arrêter et 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.

[0038] 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 6c, 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 deuxième position verrouillée, montrée en figure 6d, 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 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.

[0039] 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 formant piston 111. La chambre 150 est alimentée en fluide de lubrification via un conduit 180 ménagé dans le corps de bielle 20. 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.

[0040] 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 6c, 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 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 l’excentrique 5. Lorsque la pression en huile de la chambre hydraulique 150 est inférieure à un seuil défini, 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.

[0041] De préférence, un dispositif de détection 200 montré sur la figure 9 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 7a et 7b). Un capteur magnétique 211 associé à chaque ergot 201, 202 est implanté sur la paroi 220 du carter cylindres du moteur.

[0042] 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.

[0043] 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 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.

Claims (11)

1. 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) d’un moteur à combustion interne comprenant ; - un excentrique (5) monté rotatif autour dudit maneton (4), caractérisé en ce que ledit système (1) de variation de rapport volumétrique comporte en outre un actionneur hydraulique (10) intégré audit maneton (4) pour commander un déplacement en rotation dudit excentrique (5).
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit actionneur hydraulique (10) comporte une palette (15) séparant deux chambres hydrauliques (11, 12) à l’intérieur dudit maneton (4).
3. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite palette (15) est ménagée sur une face interne (57) de l’excentrique (5).
4. 4. Ensemble selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit excentrique (5) présente deux positions stables (251, 252) autour du maneton (4).
5. 5. Ensemble selon la revendication 4, 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).
6. 6. Ensemble selon la revendication 5, 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 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).
7. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de verrouillage (100) comporte : - une chambre hydraulique (150) à volume variable intégrée dans le corps de bielle (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).
8. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de détection magnétique (200) pour détecter une position angulaire dudit excentrique (5).
9. 9. Ensemble selon la revendication 8, 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.
10. 10. Ensemble selon la revendication 9, 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).
11. 11. Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble tel que défini selon l’une quelconque des revendications précédentes.