Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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MOTEUR A RAPPORT VOLUMETRIQUE 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 1A et 1B, 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.
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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 7200 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
uvre.
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
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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. Le comportement de cette
bielle est particulièrement sensible au régime du 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, combiné
à la sensibilité au régime moteur, rend le comportement de la
bielle particulièrement imprévisible.
Le document R0111863 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,
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distribution,...) doivent être adaptés pour tolérer la mobilité de
la partie supérieure du moteur.
D'autres documents, tel que W02013092364, 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 de la position de point mort haut du piston de
combustion, le dispositif autonome étant relié ou intégré à l'un
au moins des organes mobiles et présentant :
- une chambre hydraulique haute pression pour contrer les
efforts de combustion et d'inertie au point mort bas ;
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- 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 mécaniques de rappel pour ramener le dispositif
à une position nominale ;
Les caractéristiques du conduit calibré et des moyens
mécaniques de rappel sont choisies pour que le dispositif
autonome forme un système oscillant fortement amorti.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non
limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison, et
selon toute combinaison techniquement réalisable :
- les caractéristiques des moyens mécaniques de rappel et du
conduit calibré sont également choisies pour que
l'ajustement de la longueur de la bielle aux efforts moyens
de traction et de compression se conforme à une relation
prédéterminée.
- 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.
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- 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'ajustement est configuré pour
ajuster la longueur de la bielle.
- le dispositif autonome d'ajustement est configuré pour
ajuster la longueur d'un organe de commande du rapport
volumétrique du moteur.
- le dispositif autonome d'ajustement 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
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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 1A et 1B 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 uvre particulier de l'invention ;
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- 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 l'invention.
- La figure 12 représente un troisième exemple de réalisation
de l'invention.
- La figure 13 représente un quatrième exemple de réalisation
de l'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
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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 uvre 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 cycles-
moteur.
Un dispositif autonome d'ajustement 1 conforme à
l'invention et comme cela est représenté schématiquement sur la
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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 uvre 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 uvre 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 la position du 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
accroitre le volume de la chambre de combustion avec
l'augmentation de la grandeur moyenne des efforts de combustion.
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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
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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 uvre particulier de la
configuration principale du dispositif 1, représenté sur la
figure 6, ces moyens d'étanchéité comprennent au niveau de la
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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 uvre 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 mécaniques 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.
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Le dispositif autonome 1 ainsi constituée forme un
système oscillant.
Le ou les conduits calibrés 6 et les moyens mécaniques 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. En d'autres
termes, les caractéristiques des moyens mécaniques de rappels
(raideur, précharge, etc) et du ou des conduit(s) calibré(s)
(nombre, diamètre, longueur, nature de l'écoulement, etc) sont
choisie pour que la bielle forme ou présente le comportement
d'un système oscillant fortement amorti. On rappelle qu'un
système oscillant fortement amorti est un système oscillant
présentant un facteur d'amortissement supérieur à 1.
On expose ci-dessous le fonctionnement du dispositif 1
conforme à l'invention, lorsque celui-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 mécaniques 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.
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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 mécaniques 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.
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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 uvre 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 uvre est particulièrement adapté à la
réalisation d'un dispositif 1 simple et peu coûteux pour la mise
en uvre 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.
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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
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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.
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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 1500
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 figures 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
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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.
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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 anti-
retour 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.
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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 de la position du point mort haut
du piston de combustion à la charge du moteur, c'est à dire aux
efforts moyens de traction et de compression) 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
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entre la complexité de la configuration retenue d'écoulement
(nombre de conduits, etc) et sa performance. D'une manière
générale, les caractéristiques des moyens mécaniques de rappel 7
et du (ou des) conduit calibré sont choisies pour que
l'ajustement de la position de point mort haut du piston de
combustion aux efforts moyens de traction et de compression se
conforme à une relation prédéterminée.
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.
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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
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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 1A et 1B et présentant les
caractéristiques suivantes :
- Diamètre du piston de combustion : 75 mm ;
- Course 84 mm ;
- Tricylindre formant 1113 cm^3 de cylindrée ;
- Charge maximale : 25 bar de PME (Pression moyenne
effective) pour une pression de combustion maximale de
130b;
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 celle-
ci 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
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l'axe de déplacement du piston) du fluide sur le piston 3 de 552
mm^2. 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 mm^2, 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 6i et 6i' 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
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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 piston de
combustion est constante à 1% près, et indépendante des
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.
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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 organes 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 carter-
moteur, 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
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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
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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.
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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 l'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
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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, sont ajustées 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
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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.
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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 cylindres 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 uvre 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.
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Ainsi, le dispositif autonome 1 est fixé sur le bloc
moteur. Le piston 3 est solidaire de l'axe 20 entrainant en
rotation les systèmes d'engrenages 21 entrainant 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
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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.
