FR3043720B1 - Moteur a rapport volumetrique variable - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un moteur à rapport volumétrique variable comportant un bloc moteur fixe dans lequel des organes mobiles comprenant un piston de combustion, une bielle et un vilebrequin coopèrent pour permettre un mouvement de translation du piston dans un cylindre de combustion du bloc moteur, définissant une course du piston de combustion allant d'un point mort haut à un point mort bas, le mouvement de translation étant provoqué par des efforts de combustion d'un mélange dans le cylindre et par des efforts d'inertie du vilebrequin. Le moteur est remarquable en ce qu'il comprend un dispositif autonome d'ajustement présentant : une chambre hydraulique haute pression pour contrer les efforts de combustion et d'inertie au point mort bas ; une chambre hydraulique basse pression pour contrer les efforts d'inertie au point mort haut ; au moins un conduit calibré permettant l'écoulement d'un fluide hydraulique entre les chambres hydrauliques haute et basse pression ; des moyens de rappel pour ramener le dispositif à une position nominale. Le conduit calibré et les moyens de rappels sont configurés pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion dans le cylindre de combustion suivant la grandeur des efforts moyens de combustion.

Description

Moteur à rapport volumétrique variable
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un moteur et les éléments d'un moteur à rapport volumétrique variable.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
En avant-propos, on rappelle qu'une bielle d'un moteur à combustion interne est associée du côté de son pied au palier d'un piston de combustion et du côté de sa tête au palier d'un vilebrequin. Ces deux paliers sont généralement d'axes parallèles. Comme cela est respectivement représenté sur les figures IA et IB, la bielle a pour fonction de transmettre le mouvement de translation du piston d'un « point mort haut » à un « point mort bas » au mouvement de rotation du vilebrequin. La bielle permet également de maintenir la position angulaire du piston selon l'axe de translation de celui-ci.
On connaît de multiples solutions dans l'état de la technique permettant d'ajuster le rapport volumétrique et/ou la cylindrée d'un moteur à combustion interne.
On rappelle que le rapport volumétrique d'un moteur à combustion interne, souvent appelé taux de compression, correspond au rapport entre le volume de la chambre de combustion lorsque le piston est à son point mort bas ; et le volume de la chambre de combustion lorsque le piston est à son point mort haut. Toute chose étant égale par ailleurs, le choix de la longueur de la bielle détermine le rapport volumétrique du moteur.
Il est généralement admis que l'adaptation du rapport volumétrique d'un moteur à sa charge permet d'améliorer grandement le rendement énergétique du moteur. Par exemple il est parfois recherché de faire varier le rapport volumétrique entre environ une valeur de 12 en l'absence de charge à une valeur de l'ordre de 8 à pleine charge.
Pour un moteur à quatre temps, On rappelle qu'un cycle moteur complet est constitué d'un cycle d'admission des gaz frais, suivit d'un cycle de compression, d'un cycle de combustion-détente, et enfin d'un cycle d'échappement. Ces cycles sont d'étendues sensiblement égales, répartis sur 720° de rotation du vilebrequin. On définit alors la charge du moteur comme étant la pression constante fictive s'exerçant sur la calotte du piston lors de la partie combustion-détente d'un cycle (la pression s'exerçant sur la calotte du piston lors de la partie complémentaire du cycle étant considérée comme nulle) conduisant à obtenir une puissance équivalente à celle développée par le moteur au cours d'un cycle complet. Cette pression est au maximum de l'ordre de 10 bars pour un moteur atmosphérique courant, et peut monter communément jusqu'à des valeurs de 20 à 30 bars pour un moteur suralimenté.
La cylindrée correspond quant à elle au volume engendré par le coulissement du piston dans le cylindre du moteur entre un point mort haut et un point mort bas. Une cylindrée variable est obtenue en faisant varier la course du piston dans le cylindre. La cylindrée n'est pas affectée par le choix de la longueur de la bielle. La variation de cylindrée doit être de grande amplitude pour avoir un effet notable sur le rendement énergétique, ce qui est technologiquement difficile à mettre en œuvre.
Ainsi, le document US4111164 vise à faire varier la cylindrée d'un moteur selon la charge qui s'y applique. Ce document divulgue une bielle composée d'un ressort associé à une chambre hydraulique de sorte à coupler rigidement un piston au vilebrequin du moteur lorsque celui-ci n'est pas soumis à une charge ; et à coupler élastiquement le piston au vilebrequin lorsque le moteur est soumis à une charge importante. Pour cette seconde situation de charge importante, la bielle agit comme un absorbeur de choc, se compressant et se dilatant suivant la valeur instantanée des efforts qui se développent au cours d'un cycle moteur. Ainsi, ce document divulgue une cylindrée constante avec la charge lors du cycle d'admission, tandis que la cylindrée est augmentée lors du cycle de combustion lorsque la charge augmente. Toutefois, les efforts de combustion en partie absorbés dans la chambre hydraulique de la bielle ne sont pas restitués, ce qui rend la solution particulièrement peu efficace.
Cette solution ne permet donc pas d'ajuster le rapport volumétrique suivant la charge s'appliquant au cours d'un ou d'une succession de cycles moteur. La solution proposée dans ce document conduit par ailleurs à solliciter intensément les éléments mécaniques composant la bielle (ressort, chambre hydraulique) au cours du fonctionnement du moteur, ce qui accélère leurs usures et réduit la fiabilité du système.
Par ailleurs, la chambre hydraulique de la solution présentée dans ce document est particulièrement sensible au changement de température du fluide hydraulique, ce qui rend le comportement de la bielle particulièrement imprévisible.
Le document RO111863 décrit un moteur à combustion interne constitué d'un bloc supérieur mobile et d'un bloc inférieur fixe vis-à-vis du châssis d'un véhicule. Le bloc supérieur est libre de pivoter selon un axe latéral liant ce bloc supérieur au bloc inférieur. Quand la charge du moteur croit, la pression effective moyenne dans le cylindre augmente et entraîne le basculement du bloc supérieur autour de l'axe latéral. Un volume de cylindre est en conséquence ajouté au volume de la chambre de combustion provoquant ainsi une diminution du rapport volumétrique de compression.
La solution proposée dans ce document requiert la conception et la fabrication d'un bloc-moteur articulé qui ne correspond pas à une architecture standard de moteur à combustion, constitué d'un bloc moteur fixe, ce qui requiert une reconception complète de la plupart des éléments d'interface entre le moteur et le châssis du véhicule. Ainsi, les éléments se raccordant à la partie supérieure du moteur (ligne d'admission d'air, d'essence, ligne d'échappement, distribution,...) doivent être adaptés pour tolérer la mobilité de la partie supérieure du moteur.
D'autres documents, tel que WO2013092364, décrivent des bielles à longueur contrôlée, permettant de fixer le rapport volumétrique d'un moteur à combustion interne (et sans affecter la cylindrée). Ces solutions requièrent la présence d'un système de pilotage actif de la longueur de la bielle via un système de commande externe (piston hydraulique, moteur électrique) qui est généralement complexe, source de pertes énergétiques et peu fiable. De plus, le contrôle du rapport volumétrique ne se fait pas de manière continue et la plage de valeur accessible est souvent très limitée. C'est le cas notamment de la solution proposée dans le document précité qui ne prévoit que deux longueurs de bielle.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention vise à remédier au moins à certains inconvénients de l'art antérieur présentés ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un moteur à rapport volumétrique variable comportant un bloc moteur fixe dans lequel des organes mobiles comprenant un piston de combustion, une bielle et un vilebrequin coopèrent pour permettre un mouvement de translation du piston de combustion dans un cylindre de combustion du bloc moteur, définissant une course du piston de combustion allant d'un point mort haut à un point mort bas, le mouvement de translation étant provoqué par des efforts de combustion d'un mélange dans le cylindre de combustion et par des efforts d'inertie du vilebrequin
Selon l'invention, le moteur comprend un dispositif autonome d'ajustement présentant :
- une chambre hydraulique haute pression pour contrer les efforts de combustion et d'inertie au point mort bas ;
- une chambre hydraulique basse pression pour contrer les efforts d'inertie au point mort haut,
- au moins un conduit calibré permettant l'écoulement d'un fluide hydraulique entre les chambres hydrauliques haute et basse pression ;
- des moyens de rappel pour ramener le dispositif à une position nominale ;
Le conduit calibré et les moyens de rappels sont configurés pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion dans le cylindre de combustion suivant la grandeur des efforts moyens de combustion.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison :
- les chambres hydrauliques haute pression et basse pression sont définies par les espaces formés de part et d'autre d'un piston coulissant dans un cylindre.
- les chambres hydrauliques haute pression et basse pression sont définies par les espaces formés de part et d'autre d'un piston en rotation dans une portion de cylindre.
- la chambre hydrauliques haute pression est définie par un premier cylindre et un premier piston et la chambre hydraulique basse pression est définie par un second cylindre et un second piston.
- la chambre hydraulique basse pression et/ou la chambre hydraulique haute pression est munie d'un moyen de remplissage en fluide hydraulique.
- la chambre hydraulique haute pression et/ou la chambre hydraulique basse pression est munie d'un moyen de décharge d'un excès de fluide hydraulique, afin de limiter la pression qui s'y développe.
la chambre hydraulique haute pression et la chambre hydraulique basse pression présentent des sections équivalentes.
le dispositif autonome d'aj ustement est configuré pour
ajuster la longueur de la bielle.
le dispositif autonome d'ajustement ajuster la longueur d'un organe de volumétrique du moteur. est configuré pour commande du rapport
le dispositif autonome d'aj ustement est configuré pour
ajuster la position d'un organe de commande du rapport volumétrique du moteur.
le dispositif autonome d'ajustement est disposé dans l'un au moins des organes mobiles.
Le moteur à rapport volumétrique comprend un dispositif de détermination du rapport volumétrique.
le dispositif autonome d'ajustement comprend
a. Au moins un conduit calibré dit « de traction » autorisant uniquement un écoulement de la chambre hydraulique basse pression vers la chambre hydraulique haute pression;
b. Au moins un conduit calibré dit « de compression » autorisant uniquement un écoulement de la chambre hydraulique haute pression vers la chambre hydraulique basse pression.
le conduit calibré de compression autorise un écoulement uniquement lorsque la pression dans la chambre hydraulique haute pression excède la pression dans la chambre hydraulique basse pression d'une valeur déterminée.
le dispositif autonome d'ajustement présente au moins deux conduits calibrés de compression.
- le conduit est configuré pour permettre un écoulement du type turbulent.
- les moyens de rappel comprennent un ressort.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit des modes et des exemples de réalisation particuliers et non limitatifs de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles :
les figures IA et IB représentent les positions de point mort haut et de point mort bas d'un piston d'un moteur à combustion interne conventionnel ;
la figure 2 représente les efforts s'appliquant sur une bielle au cours d'un cycle moteur pour une charge maximale et deux régimes moteur différents ;
La figure 3 représente l'amplitude maximale des efforts de compression au cours d'un cycle moteur suivant sa charge ;
la figure 4 représente l'évolution des efforts d'inertie au cours d'un cycle moteur, pour différent régime de ce moteur ;
les figures 5a et 5b représentent deux configurations de principe d'un dispositif autonome d'ajustement conforme à l'invention ;
la figure 6 représente les moyens d'étanchéité selon un mode de mise en œuvre particulier de l'invention ;
les figures 7a à 7c représentent trois configurations pour lesquelles la condition d'équivalence de section est respectée ;
La figure 8 représente une loi de comportement charge moteur - rapport volumétrique cible d'un moteur ;
La figure 8a représente, pour trois configurations de l'invention appliquée a des bielles différentes, des lois d'amortissement correspondant à la vitesse maximale d'élongation d'une bielle selon l'amplitude d'un effort constant qui lui est appliqué ;
Les figures 9 et 9a représentent un premier exemple de réalisation de l'invention.
La figure 10 représente le comportement du premier exemple de réalisation de l'invention.
La figure 11 représente un deuxième exemple de réalisation
de 1'invention.
La figure 12 représente un troisième exemple de réalisation
de 1'invention.
La figure 13 représente un quatrième exemple de réalisation
de 1'invention.
Les figures 14 et 15 représentent un cinquième exemple de réalisation de l'invention
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les bielles et les autres organes mobiles d'un moteur à combustion sont soumis à des efforts de traction et de compression au cours des cycles de fonctionnement du moteur. Ces efforts ont deux origines : les efforts dus à la combustion du mélange dans le cylindre de combustion et les efforts d'inertie engendrés par le vilebrequin, dus au régime moteur. La figure 2 représente à titre d'exemple les efforts s'appliquant sur une bielle d'un moteur à combustion conventionnel au cours d'un cycle moteur pour une charge maximale et deux régimes moteurs différents.
Les efforts de combustion se traduisent exclusivement en efforts de compression sur la bielle. L'amplitude maximale de ces efforts est sensiblement proportionnelle à la charge du moteur comme cela est représenté sur la figure 3, à titre d'exemple.
Les efforts d'inertie se traduisent sur la bielle en efforts successifs de traction et de compression au cours d'un cycle moteur. L'amplitude maximale des efforts d'inertie est essentiellement proportionnelle au carré du régime moteur (c'est-à-dire sa vitesse de rotation). Ceci est illustré à titre d'exemple sur la figure 4.
Au cours d'un cycle moteur ou d'une pluralité de cycles moteur, et si l'on néglige les frottements, le travail développé par les efforts d'inertie s'appliquant sur la bielle est nul, les efforts de compression et les efforts de traction, bien que d'amplitudes maximales et d'allures différentes, se compensant les uns les autres.
En conséquence, sur un cycle ou une pluralité de cycles moteurs le travail des efforts combinés s'appliquant sur la bielle correspond sensiblement au travail des efforts de combustion, qui sont représentatifs de la charge moteur comme on l'a précisé précédemment en relation avec la description de la figure 3.
L'invention s'appuie sur ces observations pour proposer un moteur à rapport volumétrique variable comprenant un dispositif autonome d'ajustement de la position du point mort haut du piston de combustion suivant les efforts moyens de combustion (ou en d'autres termes, suivant la charge du moteur). Cet ajustement de la position du point mort haut du piston de combustion permet d'ajuster de manière autonome (c'est à dire sans nécessiter la mise en œuvre d'un système de pilotage actif) le rapport volumétrique du moteur à sa charge.
Par « efforts moyens » on signifie la moyenne des efforts qui s'appliquent pendant un cycle ou une pluralité de cyclesmoteur .
Un dispositif autonome d'ajustement 1 conforme à l'invention et comme cela est représenté schématiquement sur la figure 5a, comprend un cylindre 2 et un piston 3 mobile (en translation ou en rotation) dans le cylindre 2. Dans le cadre de la présente demande, on désignera par « cylindre » et « piston » tout ensemble de pièces permettant de définir entre elles au moins une chambre dont le volume est ajustable par le déplacement du piston. Ainsi, il peut s'agir d'un évidement cylindrique dans lequel coulisse un piston de section circulaire ; mais l'invention n'est aucunement limitée à cette configuration. Comme cela sera présenté par la suite dans un exemple particulier de mise en œuvre de l'invention, le cylindre peut être constitué d'un simple alésage en portion de disque, et le piston formé d'une pièce radiale mobile en rotation dans cet alésage, suivant l'axe du disque générateur de l'alésage.
Quelque soient la configuration choisie pour le cylindre 2 et le piston 3, ceux-ci peuvent être intégrés ou reliés à l'un des organes mobiles et/ou au bloc moteur, comme cela sera décrit lors de l'exposé des différents modes de mise en œuvre de l'invention, afin de permettre le contrôle de la position du point mort haut du piston.
Le moteur conforme à l'invention comprend un bloc moteur fixe (c'est à dire que la position des cylindres de combustion et de la culasse est fixe par rapport au vilebrequin) et est configuré pour transmettre les efforts de compression et/ou de traction qui s'appliquent sur le piston de combustion au piston 3 du dispositif 1 autonome d'ajustement. Et ce dispositif, en réaction, est configuré pour ajuster le point mort haut du piston de combustion, afin de modifier ou d'adapter le rapport volumétrique du moteur. En d'autres termes, le déplacement du piston 2 dans le cylindre 3 permet d'ajuster le point mort haut du piston de combustion entre une première butée (position minimale du piston 3 dans le cylindre 2) et une seconde butée (position nominale du piston 3 dans le cylindre 2), suivant la grandeur des efforts moyens de combustion.
Le dispositif autonome d'ajustement 1 est configuré pour accroître le volume de la chambre de combustion avec l'augmentation de la grandeur moyenne des efforts de combustion.
Le piston 3 définit dans le cylindre 2 une première chambre hydraulique 4 dite de « haute pression », apte à transmettre les efforts de compression Fcomp qui s'appliquent sur le dispositif 1 suivant l'axe longitudinal défini par le piston 3 et une seconde chambre hydraulique 5 dite de « basse pression » apte à transmettre les efforts de traction Ftrac qui s'appliquent sur le dispositif 1 suivant son axe longitudinal. Ces deux chambres « haute pression » 4 et « basse pression » 5 sont en communication fluidique, par l'intermédiaire d'au moins un conduit calibré 6.
Le déplacement du piston 3 est engendré par l'application des efforts de traction et de compression transmis au dispositif 1 et est permis (dans la limite prévue par les butées) par l'écoulement du fluide d'une chambre à l'autre à travers le conduit calibré 6. En l'absence d'écoulement, le dispositif 1 se comporte comme un corps rigide, le mouvement du piston 3 dans le cylindre 2 étant limité à la compressibilité du fluide hydraulique mis sous pression par les efforts de traction et/ou de compression.
La figure 5b représente une configuration alternative au dispositif autonome d'ajustement 1. Dans cette configuration, la chambre hydraulique 4 haute pression est définie par l'intermédiaire d'un premier cylindre 2a et d'un premier piston 3a, sur lequel s'appliquent les efforts de compression. La chambre hydraulique 5 basse pression est définie par l'intermédiaire d'un second cylindre 2b et d'un second piston 3b sur lequel s'appliquent les efforts de traction. Les pistons 3a et 3b sont liés mécaniquement et cinématiquement, comme cela est représenté en trait pointillé sur la figure 5b.
Comme dans la configuration principale de la figure 5a, les deux chambres 4, 5 de haute et basse pression sont en communication fluidique par l'intermédiaire du conduit calibré
6.
Quelle que soit la configuration choisie, la dynamique de l'écoulement entre les deux chambres 4, 5 conditionne la vitesse d'ajustement du dispositif 1 aux efforts instantanés qui s'appliquent. Le déplacement du piston 3 (ou des pistons 3a, 3b) permet d'ajuster la position du point mort haut du piston de combustion du moteur à rapport volumétrique variable.
Selon l'invention, cette dynamique est choisie (notamment par le dimensionnement du ou des conduits calibrés 6) pour ne pas réagir, ou réagir avec une amplitude contrôlée et limitée, aux efforts instantanés d'inertie ou de combustion.
De manière particulièrement avantageuse, le ou les conduits calibrés 6 est configuré pour favoriser un écoulement turbulent. En effet, dans des conditions d'écoulement turbulent, par opposition à un écoulement laminaire, la relation liant le débit à la pression est bien moins sensible à la température du fluide. On contribue de la sorte à établir un comportement sensiblement constant du dispositif 1 malgré les variations de température du fluide hydraulique (qui peut s'étendre de -20°C à froid dans des conditions de température extrême à 150°C en fonctionnement dans un moteur).
Comme cela est bien connu en soi, un écoulement turbulent est favorisé en diminuant le rapport longueur du conduit sur son diamètre et en pénalisant l'entrée du fluide hydraulique dans le conduit de manière à créer une transition violente entre la chambre et ce conduit (par exemple, on ne forme pas de cônes d'entrée du type convergent entre les chambre 4, 5 et le conduit 6) .
Selon une première configuration, le cylindre 2 de bielle et/ou le piston 3 (ou les cylindres 2a, 2b et les pistons 3a, 3b) sont munis de moyens d'étanchéité évitant l'écoulement du fluide hydraulique d'une chambre 4, 5 à l'autre en dehors du (ou des) conduit calibré 6 prévu (ou évitant l'écoulement du fluide hydraulique hors des chambres 4, 5 dans la configuration alternative du dispositif 1).
Dans un exemple de mise en œuvre particulier de la configuration principale du dispositif 1, représenté sur la figure 6, ces moyens d'étanchéité comprennent au niveau de la face de glissement du piston, et en succession de la chambre haute pression 4 vers la chambre basse pression 5 :
un ou plusieurs segments métalliques 61 permettant de contenir le front de pression du fluide présent dans la chambre haute pression 4 ;
un réservoir 62 intermédiaire de fluide hydraulique ; et un joint 63 (par exemple composite ou torique) assurant l'étanchéité de l'ensemble.
Des moyens d'étanchéité similaires peuvent être également pourvus sur les pistons 3a, 3b de la configuration alternative du dispositif 1, présentée sur la figure 5b.
Le conduit calibré 6 entre la chambre basse pression 5 et la chambre haute pression 4 est préférentiellement formé dans le piston 3 et/ou dans le cylindre 2. De manière avantageuse, et par simplicité de fabrication, le conduit calibré 6 ou l'un des conduits calibrés 6 entre la chambre basse pression 5 et la chambre haute pression 4 est formé dans le piston 3. Alternativement, ce conduit 6 ou l'un de ces conduits calibrés 6 peut être formé dans le corps du cylindre 2.
Selon un second exemple de mise en œuvre de la configuration principale du dispositif 1, le cylindre 2 et le piston 3 ne sont pas munis de moyens d'étanchéité. Dans ce cas, le jeu entre le piston 3 et le cylindre 2 est choisi pour permettre l'écoulement du fluide entre les deux chambres, et constitue en soi un conduit calibré 6 entre la chambre basse pression 5 et la chambre haute pression 4. Dans cette configuration, on peut également prévoir au moins un conduit calibré 6 additionnel formé dans le piston 3 et/ou dans le corps du cylindre 2.
De plus, et toujours en relation avec la description des figures 5a et 5b, le dispositif 1 conforme à l'invention comprend des moyens de rappels 7 configurés pour ramener le piston 3 (ou au moins un des pistons 3a, 3b) à sa position nominale en l'absence d'efforts extérieurs, de traction ou de compression.
Le ou les conduits calibrés 6 et les moyens de rappel 7 sont configurés et/ou choisis pour ajuster la position du piston 3 (ou des pistons 3a, 3b) aux efforts moyens de traction et de compression qui s'appliquent sur le dispositif 1 au cours d'un ou une pluralité de cycle moteur.
On expose ci-dessous le fonctionnement du dispositif 1 conforme à l'invention, lorsque celle-ci est en opération dans un moteur.
Au démarrage du moteur, le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) est en position nominale, les moyens de rappels 7 conduisant à placer l'ensemble piston 3/cylindre 2 en position de butée mécanique. Le moteur présente donc au démarrage un rapport volumétrique défini par la position nominale du piston 3 (ou des pistons 3a, 3b).
Les efforts dynamiques de traction et de compression qui s'appliquent sur le dispositif 1 à faible charge et qui correspondent donc essentiellement à des efforts d'inertie, se développent avec une dynamique plus rapide que la dynamique de l'écoulement dans le conduit calibré 6 entre la chambre hydraulique haute pression 4 et la chambre hydraulique basse pression 5. Aussi, la position du piston 3 dans le cylindre 2 (ou la position des pistons 3a, 3b dans les cylindres 2a, 2b) n'est essentiellement pas affectée par ces efforts, même si des oscillations de faibles amplitudes peuvent apparaître.
Lorsque la charge du moteur augmente, les efforts de compression moyens deviennent suffisants pour permettre au fluide hydraulique d'être transféré de manière significative de la chambre haute pression 4 à la chambre hydraulique basse pression 5. Cet écoulement conduit au déplacement du piston 3 dans le cylindre 2 (ou des pistons 3a, 3b dans les cylindres 2a, 2b) et au déplacement du point mort haut du piston de combustion. Le rapport volumétrique du moteur est alors ajusté, de manière entièrement autonome, selon cette position.
Avantageusement, les moyens de rappel 7 comprennent un ressort, par exemple un ressort de compression, agencé pour exercer un effort tendant à repositionner le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) en position nominale. Le ressort peut être placé dans la chambre hydraulique haute pression 4, ou agencé sur le dispositif 1 à l'extérieure de cette chambre 4.
Le ressort peut présenter une raideur qui conduit à appliquer un effort de rappel croissant avec la contraction du dispositif 1. D'une manière générale, lorsque les efforts de rappel ne sont fournis que par le ressort et en dehors des effets de butées ou d'effets transitoires, lorsque les efforts moyens de combustion correspondant à la charge moteur s'équilibrent avec les efforts appliqués par les moyens de rappel 7, la longueur ou la position du dispositif 1 est essentiellement stabilisée autour d'une longueur ou position d'équilibre, même si des oscillations de faibles amplitudes peuvent se manifester.
Inversement lorsque la charge moteur diminue, le fluide hydraulique tend à être transféré à travers le conduit calibré 6 de la chambre basse pression 5 vers la chambre haute pression 4, et le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) tend à revenir sur sa butée mécanique correspondant à une position nominale. Le rapport volumétrique du moteur est ajusté en conséquence.
La raideur du ressort est choisie pour accorder le débattement maximum du piston 3 (ou des pistons 3a, 3b) , entre ses deux butées, pour une gamme choisie de charges.
Le ressort peut être pré-chargé, c'est-à-dire que lorsque le dispositif 1 est en position nominale, au repos, le ressort applique un effort de rappel seuil non nul. Ainsi tant que l'effort moyen de combustion (effort de compression) reste inférieur à cet effort de rappel seuil, la position du piston 3 reste fixe, à sa position nominale. Comme on le verra par la suite, une partie de l'effort de rappel seuil peut être apporté par la partie hydraulique du dispositif 1. Dans ce cas, la partie de l'effort de rappel seuil apportée par le ressort peut être réduite, et la dimension du ressort peut être réduite également.
Selon un mode de mise en œuvre particulier de l'invention, le ressort est pré-chargé à un effort de rappel seuil non nul et sa raideur est choisie relativement faible, de sorte que, par exemple, la variation d'effort de rappel d'une butée à l'autre n'excède pas 70% de l'effort de pré-charge. On applique de la sorte au piston 3 (ou à l'un des pistons 3a, 3b) un effort de rappel essentiellement constant, indépendant de sa position. Et on constitue ainsi un dispositif 1 pouvant prendre deux configurations stables, sur ses butées :
dans une première configuration, le dispositif 1 est disposé dans une première position nominale tant que l'effort moyen de combustion appliqué reste inférieur à l'effort de rappel seuil ;
Dans une seconde configuration, le dispositif 1 est disposé dans une seconde position minimale lorsque l'effort moyen de combustion appliqué est supérieur à l'effort de rappel seuil.
Ce mode de mise en œuvre est particulièrement adapté à la réalisation d'un dispositif 1 simple et peu coûteux pour la mise en œuvre d'un moteur à rapport volumétrique variable autonome « bi-taux ». Le moteur présente un premier rapport volumétrique imposé par la position nominale du dispositif dans sa première configuration, pour une charge faible ; et un second rapport volumétrique imposé par sa position minimale dans sa seconde configuration, pour une charge excédent une charge seuil.
Le cylindre 2 et le piston 3 (ou les cylindres 2a, 2b et les pistons 3a, 3b) peuvent présenter une section circulaire, ou une section non circulaire, telle qu'une section ovale, qui prévient le risque de rotation suivant l'axe longitudinal de ces deux corps.
D'une manière générale, le cylindre 2 et le piston 3 (ou les cylindres 2a, 2b et les pistons 3a, 3b) sont dimensionnés de manière à limiter l'encombrement du dispositif 1 et permettre son placement dans un moteur à combustion de conception traditionnelle. Toutefois, le dimensionnement minimum du dispositif 1 est limité par la pression du fluide hydraulique maximale qui peut se développer dans les chambres hydrauliques 4, 5. A ce titre, une section ovale du cylindre 2 et du piston 3 est parfois plus appropriée, permettant d'accommoder les contraintes d'encombrement et de pression. En tout état de cause, les surfaces soumises à la pression du fluide hydraulique du côté de la chambre basse pression 5 et du côté de la chambre haute pression 4 sont choisies suffisamment importantes pour que lorsque le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) est soumis à un effort maximum, la pression qui se développe dans l'une ou l'autre chambre ne soit pas excessive, vis-à-vis par exemple de la tenue des moyens d'étanchéité.
Le cylindre 2 et/ou le piston 3 peuvent être munis au niveau de la chambre haute pression 4 ou de la chambre basse pression 5 de moyens de remplissage 8 d'un fluide hydraulique. Ces moyens de remplissage permettent de maintenir les chambres emplies de ce fluide, compensant de la sorte les éventuelles fuites. Il peut s'agir d'un conduit débouchant, en une première extrémité, dans le cylindre 2 (ou l'un au moins des cylindre 2a, 2b), et débouchant en sa seconde extrémité, au niveau d'une source de fluide hydraulique.
De préférence, la première extrémité du conduit débouche dans la chambre basse pression 5 ce qui permet de tirer profit de l'effet de pompage qui s'opère lors de l'application d'un effort de compression sur le piston 3 et favoriser ainsi l'écoulement de remplissage du fluide hydraulique dans le cylindre 2. Le conduit peut être muni d'un clapet anti-retour empêchant l'écoulement hors du cylindre par ce conduit, comme cela est représenté schématiquement sur les figures 5a et 5b.
Afin de limiter la pression qui se développe dans le cylindre 2, celui-ci peut être muni de moyens de décharge 9. Ces moyens peuvent être constitués ou comprendre un simple conduit vers l'extérieur de la chambre haute pression 4 formant une fuite constante, ou un conduit muni d'un limiteur de pression par exemple sous la forme d'un clapet taré à une pression seuil égale à la pression maximale souhaitée dans cette chambre.
De manière particulièrement avantageuse, la chambre basse pression 5 et la chambre haute pression 4 présentent une section équivalente. Par « section équivalente », on signifie que le volume balayé par le déplacement du piston 3 (ou d'un des pistons 3a, 3b) dans l'une des chambres 4, 5 est identique au volume balayé dans l'autre chambre par le déplacement du piston 3 (ou de l'autre des pistons 3a, 3b).
La condition de « section équivalente » est remplie, lorsque les chambres haute et basse pression 4, 5 sont définis par translation d'au moins un piston 3 dans au moins un cylindre 2, quand les surfaces soumises à la pression de chaque face du piston (ou sur chacune des faces des pistons 3a, 3b), projetée sur un plan perpendiculaire à la direction de déplacement du piston, sont essentiellement égales.
Pour un point de fonctionnement moteur donné, et lorsque le piston 3 (ou chacun des pistons 3a, 3b) a atteint sa position d'équilibre, la différence de pression entre les deux chambres 4, 5 reste constante quelle que soit la température du fluide hydraulique.
D'une manière générale, dans la mesure où la condition de section équivalente est respectée, le bilan des efforts générés sur l'organe de commande par la pression de part et d'autre du piston 3 (ou sur chacun des pistons 3a, 3b) est constant quelle que soit la température du fluide hydraulique.
La pression interne des chambres 4, 5 est particulièrement variable avec la dilatation du fluide hydraulique en fonction de la température (qui peut s'étendre de -20° à froid dans des conditions de température extrême à 150° en fonctionnement dans un moteur). A défaut d'une équivalence des sections, la variabilité de la pression interne engendrerait une variabilité des forces qui s'appliquent sur le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) . En conséquence, le dispositif 1 aurait un comportement (position du piston 3 en fonction de la charge moteur) variable avec la température, ce qui n'est généralement pas désiré.
En d'autres termes, et en l'absence de clapet anti-retour taré sur le conduit 6, le dispositif 1 tend à équilibrer lors de son fonctionnement les pressions moyennes dans les chambres haute et basse pression 4, 5. Lorsque les sections ne sont pas équivalentes, l'effort moyen généré par la pression et s'exerçant sur le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) n'est plus nul. Celui-ci est alors proportionnel à la différence de section entre les chambres 4, 5, et est proportionnel à la pression moyenne régnant dans les chambres 4,5. Or, le fluide hydraulique est soumis fortement à la dilatation thermique, il en résulte que la pression régnant dans les chambres 4, 5 peut varier lors de la montée en température du moteur. En conséquence, l'équilibre entre les efforts exercés par les moyens de rappel 7, les efforts de combustion, et les efforts hydrauliques exercés sur le piston 3 (ou les pistons 3a, 3b) est alors perturbé par la température, ce qui n'est pas souhaitable. Les conditions de sections équivalentes présentent l'avantage de contribuer à préserver un comportement (la loi rapport volumétrique-charge) sensiblement constant du dispositif 1 malgré les variations de température.
De nombreuses configurations des chambres hydrauliques 4, 5 permettent de réaliser la condition de section équivalente, et de se prémunir de ces effets de température, comme cela est représenté sur les fiqures 7a à 7c à titre d'illustration.
Selon un premier exemple, représenté sur la figure 7a, cette condition est obtenue par un piston 3 à double étage. Sur cette figure, le cylindre 2 présente un épaulement circulaire 3c de sorte que la chambre basse pression 5 présente un diamètre plus grand que celui de la chambre haute pression 4. Cette différence de diamètre est compensée par la section de la tige 9 du piston 3 dans la chambre basse pression 5, si bien qu'au final le volume engendré par le déplacement du piston 3 dans une chambre est identique au volume engendré dans l'autre chambre par le même déplacement du piston 3.
Selon un deuxième exemple, représenté sur la figure 7b, cette condition est obtenue par un piston 3 à tige débouchante externe. La tige 9 du piston 3 s'étend de part et d'autre du piston 3 et dans le volume de chacune des chambres 4, 5. De la sorte on assure également la condition de section équivalente.
Selon un troisième exemple, représenté sur la figure 7c, cette condition est obtenue par un piston à tige débouchante interne. Sur cette figure, la chambre haute pression 4 présente un corps saillant 10 dont la section est identique à celle de la tige 9 du piston 3. Ce corps saillant 10 est ajusté à un alésage 11 formé dans le piston 3, de manière à pouvoir y coulisser. De la sorte on assure également la condition de section équivalente.
Afin de pouvoir ajuster avec plus de flexibilité la dynamique de l'écoulement, le dispositif 1 peut comprendre :
- Au moins un conduit calibré 6a dit « de traction » autorisant uniquement un écoulement du fluide hydraulique de la chambre basse pression 5 vers la chambre haute pression 4;
- Au moins un conduit calibré 6b dit « de compression » autorisant uniquement un écoulement du fluide hydraulique de la chambre haute pression 4 vers la chambre basse pression 5.
Chacun des conduits 6a, 6b peut être muni d'un clapet pour autoriser l'écoulement dans une unique direction.
On peut ainsi ajuster chacun des conduits (par exemple dans leurs calibres) indépendamment l'un de l'autre et permettre une dynamique différenciée de l'ajustement du dispositif 1 suivant qu'un effort de traction ou de compression s'applique.
Dans une variante préférée, le conduit calibré de compression 6b autorise un écoulement uniquement lorsque la pression de la chambre haute pression 4 excède la pression de la chambre basse pression 5 d'une valeur déterminée. Ceci peut être facilement réalisé en munissant le conduit 6b d'un clapet antiretour taré à une différence de pression prédéterminée.
En bloquant ainsi l'écoulement en dessous d'un différentiel de pression déterminé, on empêche tout mouvement de compression du piston 3 dans le cylindre 2 de la bielle tant que cette pression n'est pas dépassée. On obtient ainsi un effet similaire à celui de la précharge des moyens de rappels 7, ces moyens pouvant présenter alors une dimension moindre pour un effet identique.
Dans une variante, le dispositif 1 peut présenter deux conduits calibrés de compression 6b, l'un étant simple et permettant un écoulement calibré dès qu'un effort de compression est appliqué, l'autre étant muni d'un clapet anti-retour taré pour permettre un écoulement complémentaire dès qu'un effort suffisant (induisant un différentiel de pression suffisant entre les deux chambres) de compression est appliqué.
On dispose ainsi de moyens additionnels pour ajuster la dynamique de l'écoulement et donc la vitesse d'ajustement aux efforts instantanés qui s'y appliquent ; et plus généralement pour contrôler la relation liant le rapport volumétrique à la charge du moteur.
Les clapets sont généralement constitués d'une partie mobile (telle qu'une bille) pouvant se déplacer selon une direction de mobilité, et coopérant avec un siège et/ou un ressort. Ce mécanisme bien connu permet de sélectivement ouvrir ou fermer un passage d'écoulement suivant le différentiel de pression existant entre l'amont et l'aval de ce passage.
Avantageusement, les clapets qui sont associés aux conduits 6 ; 6a, 6b et/ou aux moyens de remplissage 8 et/ou aux moyens de décharge 9 du dispositif 1 sont agencés de manière à placer les directions de mobilité de leurs parties mobiles parallèles aux axes de pied et de tête de la bielle. Dans cette configuration, les parties mobiles ne sont pas soumises dans leurs directions de mobilité à l'accélération du dispositif 1 (lorsque celui est intégré à un organe mobile du moteur, telle que la bielle par exemple) lors de son fonctionnement dans un moteur. On évite de la sorte à rendre dépendant du régime moteur le comportement en ouverture ou en fermeture de ces clapets.
Selon un autre aspect avantageux, les clapets disposent d'un arrêt mécanique de la partie mobile limitant leur ouverture maximum et permettent de contrôler le débit de l'écoulement, et éviter la sollicitation excessive du ressort de clapet, lorsqu'un tel ressort est présent.
Dans certains cas, on peut également munir les conduits 6 ; 6a, 6b de clapets « fuyards », pour lesquels un conduit de contournement est placé en parallèle du clapet lui-même. Comme cela est bien connu en soi, les clapets « fuyards » permettent de dissocier les flux montant et descendant, et d'ajuster les écoulements.
La détermination de la configuration et de la calibration des conduits d'écoulement 6a, 6b entre la chambre haute pression 4 et la chambre basse pression 5 est bien entendu liée à la configuration du moteur dans laquelle le dispositif 1 est appelé à fonctionner, et à la performance choisie ou attendue de ce moteur.
D'une manière générale, on vise à rendre le fonctionnement du dispositif 1 (l'ajustement du point mort haut du piston de combustion à la charge du moteur) conforme à une relation prédéterminée suivant les caractéristiques recherchées du moteur, par exemple à donner l'allure de la courbe représentée sur la figure 8. Ceci peut comporter un arbitrage entre la complexité de la configuration retenue d'écoulement (nombre de conduits, etc) et sa performance.
L'homme du métier pourra se faire aider de nombreux moyens usuels pour réaliser cette phase de conception et/ou de validation. Il peut s'agir en particulier de moyens de simulation et d'optimisation numériques, ou de bancs de test permettant de solliciter le dispositif 1 en traction et en compression suivant des profils choisis afin de qualifier son comportement.
A titre d'exemple, lorsque le dispositif autonome 1 selon l'invention est intégré à une bielle de longueur variable pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion dans le cylindre de combustion suivant la grandeur des efforts moyens de combustion, la personne du métier pourra chercher à reproduire un amortissement dont la loi est donnée en figure 8a. Cette figure représente (en ordonné), la vitesse d'élongation de la bielle, selon (en abscisse) l'amplitude d'un effort constant qui lui est appliqué. Cette amplitude est normalisée par l'effort maximum appliqué sur la bielle, correspondant au pic de combustion. Sur la figure 8a, trois lois sont représentées à titre d'illustration, pour trois configurations de bielles différentes et conformes à l'invention :
(a) bielle présentant un unique conduit calibré;
(b) bielle présentant deux conduits calibrés, respectivement de traction et de compression, le conduit de compression étant muni d'un clapet anti-retour taré;
(c) bielle présentant trois conduits calibrés, un conduit de traction et deux conduits de compression, chacun des conduits de compression étant muni d'un clapet anti-retour taré.
Ces lois d'amortissement sont caractérisées, entre autres, par une vitesse de déplacement comprise entre 30 et 200mm/s lorsque l'effort appliqué vaut 50% de l'effort maximal visible sur la bielle.
Une vitesse de l'ordre de 30mm/s permet d'assurer un système avec peu d'oscillations de la longueur de la bielle autour de sa position d'équilibre au cours d'un cycle moteur, mais a pour conséquence de ralentir la variation du rapport volumétrique lorsque la charge du moteur varie. Une vitesse de l'ordre de 200mm/s permet, à l'inverse, d'avoir une variation rapide du rapport volumétrique lorsque la charge varie, mais peut entraîner l'apparition d'oscillations de la longueur de bielle autour de sa position d'équilibre. La présence d'un ou d'une pluralité de clapets anti-retour taré permet d'établir une loi de comportement réalisant un meilleur compromis entre les oscillations de la longueur de bielle, et la réactivité de changement du rapport volumétrique.
Le moteur à rapport volumétrique variable peut également comporter, de manière optionnelle, de moyens pour déterminer le rapport volumétrique effectif au cours de son fonctionnement. Il peut s'agir par exemple d'une cible (par exemple, un corps magnétique) positionnée sur la bielle de combustion et permettant de détecter son passage devant un détecteur placé en vis à vis dans le moteur ou intégré au carter moteur (par exemple un capteur à effet Hall). Il peut s'agir également de la solution connue du document DE102009013323. On constitue ainsi un système de détermination de la position du point mort haut ou du point mort bas du piston de combustion.
D'une manière générale, le moteur à rapport volumétrique variable sera avantageusement muni d'un dispositif de détermination du rapport volumétrique, cette information pouvant être utile pour la commande des organes du moteur. A cet effet, le moteur ou le dispositif dans lequel la l'invention est amenée à fonctionner pourra avantageusement être équipé des capteurs nécessaires, d'un calculateur et des programmes associés permettant cette détermination, et sa prise en compte pour la commande des autres organes du moteur. Il pourra s'agir par exemple de la solution connue du document précité ou de la cible et du détecteur constituant le système de détermination de la position du point mort haut ou du point mort bas du piston de combustion.
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES NON LIMITATIFS DE REALISATION
Exemple 1 : Dispositif autonome intégré dans la bielle d'un moteur conventionnel.
Selon un premier exemple de réalisation, le dispositif autonome est intégré dans la bielle d'un moteur conventionnel, tel que représenté sur les figures IA et IB et présentant les caractéristiques suivantes :
- Diamètre du piston de combustion : 75 mm ;
- Course 84 mm ;
- Tricylindre formant 1113 cmA3 de cylindrée ;
- Charge maximale : 25 bar de PME (Pression moyenne effective) pour une pression de combustion maximale de 13 0b;
Une bielle conforme à ce premier exemple est représentée sur la figure 9.
Dans cet exemple, le pied de la bielle est configuré pour former le cylindre 2 dans lequel coulisse le piston 3 solidaire de la tête de bielle, par l'intermédiaire d'une tige 9. L'ouverture du cylindre 2 est refermée par un capot 13, qui peut être vissé sur le cylindre 2. Le piston 3 définit ainsi dans le cylindre 2 la chambre haute pression 4 et la chambre basse pression 5. L'entraxe de la bielle est de 150 mm, lorsque celleci est dans sa position nominale, et de l'ordre de 146 mm lorsqu'elle est dans sa position compressée, en buté.
Similairement à ce qui avait été décrit en relation avec la figure 7a, la bielle présente un piston à double étage, formé par l'épaulement 3c. La chambre haute pression 4 présente un diamètre de 26,5 mm, ce qui représente une surface « utile » (c'est à dire la surface projetée sur le plan perpendiculaire à l'axe de déplacement du piston) du fluide sur le piston 3 de 552 mmA2. La chambre hydraulique basse pression 5 présente un diamètre interne de 30 mm, et la tige 9 présente une section circulaire dont le diamètre est de 14 mm. En conséquence, la surface utile du fluide de cette chambre sur le piston 3 est de
553 mmA2, donc quasi identique à celle de la chambre hydraulique de haute pression 4. La condition de section équivalente est bien respectée.
Dans le piston 3, un moyen d'indexation sous la forme d'une goupille 12 est placé au travers d'une ouverture oblongue du cylindre 2 (dont la longueur s'étend dans la direction longitudinale de la bielle) afin d'éviter la rotation du piston 3 tout en permettant son coulissement.
Un ressort 7 est placé entre le pied et la tête de bielle, de manière à appliquer un effort de rappel à la bielle. Dans cet exemple particulier, le ressort présente une raideur de 454 N/mm ; et applique un effort de pré charge de 1266 N.
La bielle représentée sur la figure 9 est particulièrement simple, et présente un unique conduit 6 calibré de diamètre interne de 0,44 mm pour assurer le transfert du fluide hydraulique d'une chambre à l'autre sous l'effet des efforts de traction et de compression exercés sur la bielle. Dans l'exemple reproduit sur cette figure, et comme cela est reproduit plus en détail sur la figure 9a, le conduit 6 est constitué de deux segments extrêmes 61 et 61' dont la section présente un diamètre de l'ordre de 4 mm et d'un segment central 6j de longueur 1 mm et de section 0,54 mm. Cette configuration forme un conduit calibré avec précision, et dont on peut déterminer que la loi d'écoulement est de type « turbulent » dans les conditions de fonctionnement du moteur.
Lors du fonctionnement du moteur, les efforts de combustion s'appliquant sur le piston de combustion et les efforts d'inertie transmis par le vilebrequin sont directement transmis aux extrémités de la bielle et repris par les chambres haute et basse pression 4, 5. Sous l'effet de ces efforts, et comme cela a été expliqué précédemment, le piston 3 se déplace de manière autonome dans le cylindre 2 ce qui conduit à ajuster la longueur d'entraxe de la bielle. Les dimensions respectives du cylindre 2 et du piston 3, permettent un débattement de 4 mm de la bielle entre ses butées mécaniques formées par le fond du cylindre 2 et le capot 13. Cette configuration de bielle, conduisant à ajuster la position de point mort haut, à course constante, du piston de combustion dans le cylindre de combustion, permet d'atteindre respectivement un rapport volumétrique minimum de 10,3 et maximum de 17,6 lorsqu'elle est placée dans le moteur décrit précédemment.
Par « course constante » on signifie que la distance séparant le point mort haut du point mort bas du pistonde combustion est constante à 1% près, et indépendantedes conditions de fonctionnement du moteur (régime, charge,...) lorsque le moteur est sur un point de fonctionnement donné.
La figure 10 représente le comportement de la bielle lorsque celle-ci est mise en opération dans le moteur dont les caractéristiques ont été précisées précédemment. On observe qu'à faible régime moteur, il est possible de suivre avec une bonne précision la loi de comportement attendu. A régime moteur plus élevé, et bien que le comportement général soit tout à fait acceptable et fonctionnel, celui-ci s'écarte toutefois du comportement cible souhaité. La formation d'un second conduit calibré 6 permettrait d'ajuster le comportement de la bielle selon le comportement attendu pour toutes les gammes de régime moteur. Dans tous les cas, on déduit de la courbe représentée sur la figure 10, que la longueur de la bielle, et donc la position du point mort haut est bien ajustée, à course constante, suivant les efforts moyens qui s'y appliquent. Par ailleurs, les chambres hydrauliques 4, 5 et le piston 3 de cet exemple étant configurés pour présenter des sections équivalentes, et la configuration du conduit 6 permettant un écoulement de type « turbulent » du fluide hydraulique dans les conditions de fonctionnement du moteur, le comportement est essentiellement indépendant de la température du fluide hydraulique.
Exemple 2a : Dispositif autonome intégré dans l'organe de commande d'un moteur à rapport volumétrique variable.
La figure 11 présente une coupe d'ensemble et schématique d'un moteur à rapport volumétrique variable. On connaît de EP1407125 certains orqanes mobiles composant un tel moteur :
- un piston de combustion, apte à se déplacer dans un cylindre du moteur et solidaire d'un organe de transmission ;
- un rouleau se déplaçant le long d'une paroi du cartermoteur, et guidant le mouvement de translation de l'organe de transmission.
une roue dentée coopérant avec une première crémaillère de l'organe de transmission et assurant la transmission du mouvement entre le piston de combustion et un vilebrequin du moteur ;
- une bielle coopérant en une première extrémité avec la roue dentée et en une seconde extrémité avec le vilebrequin ;
Un organe de commande, coopérant également avec la roue permet de déplacer la position verticale de la roue dans le moteur, et d'ajuster le point mort haut de la course du piston dans le cylindre, à course constante. On réalise ainsi un moteur dont le rapport volumétrique peut être rendue variable.
Le moteur de la figure 11 se distingue de l'état de la technique en ce que l'organe de commande n'est pas contrôlé par l'intermédiaire d'une centrale de pilotage, actionnant son déplacement pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion, mais est solidaire du dispositif autonome 1 de l'invention assurant à lui seul l'ajustement de la position du point mort haut, à course constante, du piston de combustion, suivant les efforts moyens de combustion.
Ainsi, dans l'exemple de la figure 11, l'organe de commande est solidaire du piston 3, coulissant dans un cylindre 2 formé dans le carter moteur. On retrouve bien dans cette exemple la chambre haute pression 4 et la chambre basse pression 5 qui reprennent les efforts de traction et de compression s'appliquant sur l'organe de commande. Le ressort de rappel 7 prend appui d'une part sur une collerette formée sur l'organe de commande et d'autre part sur une surface opposée du carter moteur.
Similairement à ce qui avait été décrit en relation avec la figure 7b, la bielle présente un piston à tige débouchante externe assurant la condition de section équivalente, et l'indépendance du fonctionnement du moteur avec la température du fluide hydraulique.
Le carter-moteur est muni d'un moyen de remplissage 8 de la chambre hydraulique basse pression 5 en fluide hydraulique, et de moyens de décharge 9 de la pression excessive qui pourrait se former dans la chambre haute pression 4.
Le carter-moteur est également muni d'un premier conduit de compression 6b présentant un clapet taré à une pression d'ouverture déterminé. Comme cela a été présenté précédemment, la présence de ce clapet taré permet de limiter la taille et la raideur du ressort 7.
Le carter-moteur présente également un second conduit de traction 6a et d'un autre clapet taré dont la pression d'ouverture est également déterminée.
En fonctionnement, les efforts de combustion s'appliquant au piston de combustion et les efforts d'entrainement transmis par le vilebrequin sont tous deux transmis par l'intermédiaire de la roue à l'organe de commande et repris par les chambres basse et haute pression 4, 5. Sous l'effet de ces efforts, et comme cela a été expliqué précédemment, le piston 3 se déplace de manière autonome dans le cylindre 2 ce qui conduit à ajuster en translation la position de l'organe de commande, et par voie de conséquence la position du point mort haut du piston de combustion. Le déplacement autonome de l'organe de commande, et du point mort haut du piston de combustion, est ajusté suivant les efforts moyens de combustion.
L'information de rapport volumétrique effectif peut être obtenu (par exemple pour permettre la commande des organes du moteur) à partir de l'information de position de l'organe de commande. A cet effet, le moteur de la figure 11 peut être muni de moyens de détermination de la position de l'organe de commande.
Exemple 2b : Dispositif autonome intégré dans l'organe de commande d'un moteur à rapport volumétrique variable.
La figure 12 présente une coupe d'ensemble et schématique d'un autre type de moteur à rapport volumétrique variable. On connaît de DE102010019756 les éléments composant un tel moteur. Il comprend, dans un carter-moteur :
- un piston de combustion, apte à se déplacer dans un cylindre du moteur et solidaire d'une bielle ;
- un organe de transmission solidaire de la bielle et assurant la transmission du mouvement entre le piston de combustion et un vilebrequin du moteur ;
- Un organe de commande, coopérant également avec l'organe de transmission, permet d'ajuster le point mort haut de la course du piston dans le cylindre. On réalise ainsi un moteur dont le rapport volumétrique peut être rendue variable.
Dans ce type de moteur, les efforts de combustion s'appliquant au piston de combustion et les efforts d'entrainement transmis par le vilebrequin sont tous deux transmis par l'intermédiaire de l'organe de transmission à l'organe de commande.
Le moteur de la figure 12 se distingue de l'état de la technique en ce que l'organe de commande n'est pas contrôlé par l'intermédiaire d'un moyen de pilotage, actionnant son déplacement pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion, mais comprend le dispositif autonome 1 de l'invention assurant à lui seul l'ajustement de la position du point mort haut du piston de combustion, suivant les efforts moyens de combustion.
Ainsi, dans l'exemple de la figure 12, une extrémité fixe de l'organe de commande est solidaire du piston 3, coulissant dans un cylindre 2 et associé à une seconde extrémité de cet organe, coopérant avec l'organe de transmission. On retrouve bien dans cette exemple la chambre haute pression 4 et la chambre basse pression 5 qui reprennent les efforts de traction et de compression s'appliquant sur l'organe de commande. Le ressort de rappel 7 prend appui d'une part sur une collerette formée sur une partie de l'organe de commande solidaire du piston 3 et d'autre part sur une autre partie de l'organe de commande solidaire du cylindre 2.
Similairement à ce qui avait été décrit en relation avec la figure 7a, la bielle présente un piston à double étage, formé par 1'épaulement 3c assurant la condition de section équivalente, et l'indépendance du fonctionnement du moteur avec la température du fluide hydraulique.
L'organe de commande est muni d'un moyen de remplissage 8 de la chambre hydraulique basse pression 5 en fluide hydraulique, et de moyens de décharge 9 de la pression excessive qui pourrait se former dans la chambre haute pression 4.
Le cylindre 3 est également muni d'un premier conduit de compression 6b présentant un clapet taré à une pression d'ouverture déterminé. Comme cela a été présenté précédemment, la présence de ce clapet taré permet de limiter la taille et la raideur du ressort 7.
Le piston 3 présente également un second conduit de traction 6a et un autre clapet taré dont la pression d'ouverture est également déterminée.
En fonctionnement, les efforts de combustion s'appliquant au piston de combustion et les efforts d'entrainement transmis par le vilebrequin sont tous deux transmis par l'intermédiaire de l'organe de transmission à l'organe de commande et repris par les chambres basse et haute pression 5, 4. Sous l'effet de ces efforts, et comme cela a été expliqué précédemment, le piston 3 se déplace de manière autonome dans le cylindre 2 ce qui conduit à ajuster en translation la longueur d'entraxe de l'organe de commande, et par voie de conséquence la position du point mort haut du piston de combustion. La longueur d'entraxe de l'organe de commande, et la position du point mort haut du piston de combustion, est ajustée suivant les efforts moyens de combustion.
L'information de rapport volumétrique effectif peut être obtenu (par exemple pour permettre la commande des organes du moteur) à partir de l'information de longueur de l'organe de commande. A cet effet, le moteur de la figure 12 peut être muni de moyens de détermination de la longueur de l'organe de commande.
Exemple 3 : Dispositif autonome intégré un moteur à rapport volumétrique variable à bielle à « excentrique ».
Selon cet exemple de réalisation, le dispositif autonome 1 est intégré dans la bielle à excentrique d'un moteur à rapport volumétrique variable.
On connaît de DE102011056298 le fonctionnement d'un moteur muni d'une bielle à excentrique. Un moyen de couplage excentrique de la bielle au piston peut être actionné en rotation à l'aide de deux pistons, permettant ainsi d'ajuster la longueur d'entraxe de la bielle et le point mort haut du piston de combustion, à course constante, pour former un moteur à rapport volumétrique variable. Dans la solution connue du document précité, le mouvement des pistons est contrôlé par l'intermédiaire d'une centrale de commande hydraulique.
Le moteur de la figure 13 se distingue de l'état de la technique en ce que l'excentrique de la bielle n'est pas contrôlé par l'intermédiaire d'une centrale de pilotage, ni par aucun élément mécanique externe, actionnant sa rotation pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion, mais comprend le dispositif autonome 1 de l'invention assurant à lui seul l'ajustement de la position du point mort haut, à course constante, du piston de combustion, suivant les efforts moyens de combustion.
La figure 13 présente une coupe d'ensemble et schématique d'un moteur à rapport volumétrique variable à bielle à excentrique selon l'invention. Deux pistons 3b, 3a coulissent respectivement dans deux cylindres 2a, 2b pour définir les chambres hydrauliques basse et haute pression 5, 4. La chambre haute pression comprend également un ressort de rappel 7, prenant appui d'une part sur la surface principale du piston et d'autre part sur le fond de la chambre, afin d'appliquer un effort de rappel.
Les sections des chambres haute et basse pression 4, 5 sont choisies pour que le volume engendré par le déplacement d'un des pistons 3a, 3b dans le cylindre correspondant 2a, 2b soit identique au volume engendré par le déplacement correspondant de l'autre des pistons 3a, 3b dans son cylindre grâce à la liaison mécanique cinématique réalisée par l'excentrique. On assure ainsi la condition de section équivalente, et l'indépendance du fonctionnement du moteur avec la température du fluide hydraulique.
La bielle est munie d'un moyen de remplissage 8 de la chambre hydraulique basse pression 5 en fluide hydraulique, et de moyens de décharge 9 de la pression excessive qui pourrait se former dans la chambre haute pression 4.
La bielle est également munie d'un premier conduit de compression 6b permettant au fluide de s'écouler de la chambre haute pression 4 vers la chambre basse pression 5 et présentant un clapet taré à une pression d'ouverture déterminé. Comme cela a été présenté précédemment, la présence de ce clapet taré permet de limiter la taille et la raideur du ressort 7.
La bielle présente également un second conduit de traction 6a permettant au fluide de s'écouler de la chambre basse pression 5 vers la chambre haute pression 4 et présentant un autre clapet taré dont la pression d'ouverture est également déterminée.
Similairement aux exemples précédent, les efforts de combustion s'appliquant au piston de combustion et les efforts d'entrainement transmis par le vilebrequin sont tous deux appliqués à la bielle à excentrique et repris par les chambres basse et haute pression 5, 4. Sous l'effet de ces efforts, et comme cela a été expliqué précédemment, les pistons 3a, 3b se déplacent de manière autonome dans les cylindre 2a, et 2b ce qui conduit à ajuster en rotation la position angulaire de la liaison excentrique et en conséquence la longueur d'entraxe de la bielle. Dans cet exemple également, la longueur d'entraxe de la bielle, et la position du point mort haut du piston de combustion, sont ajustées suivant les efforts moyens de combustion.
Exemple 4 : Dispositif autonome intégré à un moteur à rapport volumétrique variable à bielle déphasée.
On connaît de EP2620614 le fonctionnement d'un moteur muni d'une bielle déphasée. Dans un tel moteur, la tête de bielle est associée par l'intermédiaire d'une liaison excentrique au palier du vilebrequin. Un système d'engrenages permet de déplacer la bielle en rotation autour de l'axe excentré, et donc de déplacer le point mort haut (et bas) du piston de combustion. Dans la solution connue du document précité, ce mouvement est commandé par un actionneur électrique piloté, actionnant en rotation un axe courant parallèlement à l'axe du vilebrequin et apte à mettre en œuvre le système d'engrenages. Ce fonctionnement est particulièrement bien visible sur la figure 14 du document précité.
Le moteur de la figure 14 du présent exemple de réalisation, se distingue de cet état de la technique en ce que les excentriques des bielles ne sont pas contrôlées par l'intermédiaire d'un actionneur électrique piloté, mais par le dispositif autonome 1 de l'invention assurant à lui seul l'ajustement de la position des points morts hauts, à courses constantes, des pistons de combustion, suivant les efforts moyens de combustion.
Ainsi, le dispositif autonome 1 est fixé sur le bloc moteur. Le piston 3 est solidaire de l'axe 20 entraînant en rotation les systèmes d'engrenages 21 entraînant les bielles 22 en rotation autour de leurs axes excentrés, permettant ainsi de déplacer le point mort haut (et bas) des pistons de combustion. Les efforts s'appliquant sur ces pistons de combustion sont transmis par ce mécanisme et repris par le dispositif autonome
1.
Comme cela est représenté plus en détail sur la figure 15, le dispositif autonome 1 comprend un cylindre 2 constitué d'un alésage en portion de disque dans un corps cylindrique de faible hauteur 24, et solidaire du bloc moteur. Le piston 3 est constitué d'une pièce radiale pouvant se déplacer en rotation dans l'alésage en portion de disque selon l'axe principal du corps cylindrique, et solidaire de l'arbre de commande du mécanisme de variation de taux. Ce piston 3 définit donc bien, dans l'alésage en portion de disque formant le cylindre 2, une chambre hydraulique 4 haute pression et une chambre hydraulique 5 basse pression, de part et d'autre du piston 3. En d'autres termes, les chambres hydrauliques haute pression 4 et basse pression 5 sont définies par les espaces formés de part et d'autre du piston 3 en rotation dans la portion de cylindre 2.
Un second alésage est formé dans le corps cylindrique de faible hauteur 24, à l'opposé du cylindre 2. Comme cela est représenté sur la figure 15, les moyens de rappels, sous la forme d'un ressort 7, sont disposé dans un alésage formé dans la partie axiale du piston 3. Dans l'exemple de la figure 15, un conduit calibré 6, formé dans le piston 3, permet l'écoulement du fluide hydraulique d'une chambre à l'autre.
Similairement aux exemples précédent, les efforts de combustion s'appliquant au piston de combustion et les efforts d'entrainement sont tous deux appliqués au piston 3 par l'intermédiaire, entre autre, de l'axe 20 et repris par les chambres basse et haute pression 5, 4. Sous l'effet de ces efforts, et comme cela a été expliqué précédemment, le piston 3 se déplace de manière autonome dans les cylindre 2, ce qui conduit à ajuster en rotation la position angulaire de la liaison excentrique au niveau de chaque bielle et en conséquence modifie l'altitude du point mort haut du piston de combustion. Dans cet exemple également la position du point mort haut du piston de combustion, est ajustée suivant les efforts moyens de combustion.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Moteur à rapport volumétrique variable comportant un bloc moteur fixe dans lequel des organes mobiles comprenant un piston de combustion, une bielle et un vilebrequin coopèrent pour permettre un mouvement de translation du piston dans un cylindre de combustion du bloc moteur, définissant une course du piston de combustion allant d'un point mort haut à un point mort bap, le mouvement de translation étant provoqué par des efforts de combustion d'un mélange dans le cylindre et par des efforts d inertie du vilebrequin, le moteur étant câxâctérisé en ce qu'il- comprend un dispositif autonome d'ajustement (1) présentant :
    H— une chambre hydraulique haute pression (4) pour contrer les efforts de combustion et d'inertie au point mort bas f - une chambre hydraulique basse pression (5) pour contrer les e fforts d' inertie au point mort haut, au moins un conduit calibj -é (6) permettant
    1 écoulement d un fluide hydraulique entre les chambres hydrauliques haute et basse pression (4,5) ;
    des moyens de rappel (7) pour ramener le dispositif (1) à une position nominale ;
    le conduit calibré (6) et les moyens de rappels (7) étant configurés pour ajuster la position du point mort haut du piston de combustion dans le cylindre de combustion suivant la grandeur des efforts moyens de combustion.
    3.5
  2. 2. Moteur à rapport volumétrique variable selon la revendication précédente dans lequel les chambres hydrauliques haute pression (4) et basse pression (5) sont définies par les espaces formés de part et d'autre d'un piston (3) coulissant dans un cylindre (2).
  3. 3. Moteur à rapport volumétrique variable selon la revendication 1 dans lequel les chambres hydrauliques haute pression (4) et. basse pression (5) sont définies par les espaces formés de part et d'autre d'un piston (3) en rotation dans une portion de cylindre (2).
  4. 4. Moteur à rapport volumétrique variable selon la revendication 1 dans lequel la chambre hydrauliques haute pression (4) est définie par un premier cylindre (2a) et un premier piston (3a) et la chambre hydraulique basse pression (5) est’ définie par un second cylindre (2b) et un second piston (3b) .
  5. 5. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre hydraulique basse pression (5) et/ou la chambre hydraulique haute pression (4) est munie d'un moyen de remplissage (8) en fluide hydraulique.
  6. 6. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre hydraulique haute pression (4) et/ou la chambre hydraulique basse pression (5) est munie d'un moyen de décharge (9) d'un excès de fluide hydraulique, afin de limiter la pression qui s'y développe.
  7. 7. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre hydraulique haute pression (4) et la chambre hydraulique basse pression (5) présentent des sections équivalentes.
  8. 8. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif autonome d'ajustement (1) est configuré pour ajuster la longueur de la bielle.
  9. 9.
    selon l'une
    Moteur à rapport volumétrique variable des revendications 1 à 7 dans lequel le dispositif autonome d ajustement (1) est configuré pour ajuster la longueur d'un organe de commande du rapport volumétrique du moteur.
    10. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le dispositif autonome d ajustement (1) est configuré pour ajuster la position 5 d'un organe de coimnande du rapport volumétrique du moteur. Il- Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif autonome (1) d'ajustement est disposé dans l'un au moins 10 des organes mobiles. 12. Moteur a rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de détermination du rapport volumétrique. 15 13. Moteur a rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif autonome (1) d'ajustement comprend : 20 - Au moins un conduit calibré (6a) dit « de traction » autorisant uniquement un écoulement de la chambre hydraulique basse pression (5) vers la chambre Hydraulique haute pression (4) ; Au moins un conduit calibré (6b) dit « de 25 compression » autorisant uniquement un écoulement de la chambre hydraulique haute pression (4) vers la chambre hydraulique basse pression (5) 14. Moteur à rapport volumétrique variable selon la 30 revendication précédente dans lequel le conduit calibré de compression (6b) autorise un écoulement uniquement lorsque la pression dans la chambre hydraulique haute pression (4) excede la pression dans la chambre hydraulique basse pression (5) d'une valeur déterminée. 35 15. Moteur a rapport volumétrique variable selon l'une des deux revendications précédentes présentant au moins deux conduits calibrés de compression (6b).
    16. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une des revendications précédentes dans lequel le ou les conduits (6, 6a, 6b) est ou sont configurés pour permettre un écoulement du type turbulent.
    17. Moteur à rapport volumétrique variable selon l'une ea revendications précédentes dans laquelle les moyens de rappel (7) comprennent un ressort.
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