FR3104209A1 - système hydraulique de commande pour un moteur à taux de compression variable - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de commande hydraulique (3) pour un moteur à taux de compression variable comprenant :- un vérin de commande (30) comportant un piston (30a) et un corps (30b) dans lequel deux chambres hydrauliques (31,32) de sections équivalentes sont définies de part et d’autre du piston (30a), - un circuit hydraulique de commande (37) comportant :* au moins un conduit (37b,37c) reliant les deux chambres hydrauliques (31,32) entre elles, et un dispositif de distribution fluidique piloté (372) pour établir ou bloquer une communication fluidique entre lesdites chambres, * au moins un conduit (37d) reliant au moins une des chambres hydrauliques (32) et une alimentation d’huile (60) à basse pression, et un premier clapet anti-retour (373) pour regaver le circuit hydraulique de commande (37) lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique passe en-deçà de ladite basse pression. Figure à publier avec l’abrégé : F igure 3a
Description
La présente invention concerne le domaine des moteurs à taux de compression variable. Elle concerne en particulier un système hydraulique de commande dudit taux, alimenté par le circuit de lubrification du moteur, lequel système est muni d’un moyen autonome de pressurisation de l’huile assurant une pression hydraulique moyenne dans le circuit hydraulique de commande constamment supérieure à la pression de lubrification du moteur au cours du fonctionnement du moteur.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
On connait les moteurs à taux de compression variable dont le système de commande dudit taux, opérant individuellement pour chaque cylindre de combustion, est basé sur un vérin hydraulique. Par exemple, le moteur VCRi à taux continu, développé par la demanderesse, et les systèmes dits de bielle bi-taux développés notamment par les sociétés FEV ou AVL.
L’avantage connu d’utiliser un système hydraulique pour commander le taux est qu’il est possible de transférer des efforts importants sur des encombrements réduits au travers de la pression hydraulique. Ainsi, un moteur VCRi opère à des pressions pouvant aller jusqu’à 300 bars, tandis que les systèmes de bielle bi-taux peuvent opérer à des pressions allant jusqu’à plus de 2000 bars.
Le système de transmission de puissance de tout moteur est soumis à des efforts alternatifs. Cette alternance d’efforts s’applique naturellement au système de commande hydraulique, qui va subir des efforts allant d’une pression maximale, définie habituellement par la pression de combustion maximale rencontrée, à une pression minimale, définie par les efforts d’inertie rencontrés au point mort haut.
L’huile est un fluide compressible, d’autant plus qu’il est chargé en gaz (une huile moteur est classiquement aérée entre 5% et 30% en fonction des conditions de fonctionnement). Cette élasticité, mesurée par le module d’élasticité isostatique (autrement appelé module de bulk), se traduit par une modification de la position du vérin de commande en fonction de l’effort appliqué, ce qui entraine des oscillations dans le système, conduit à une amplification des efforts par effet dynamique, et nuit à la précision souhaitée pour la commande du taux de compression. Pour minimiser ces effets négatifs, il est souhaitable d’utiliser les huiles les moins souples possible, c’est-à-dire ayant le module de bulk le plus élevé possible.
Il est connu (voir la courbe en figure 1) que le module de bulk (KE) d’une huile (a,b,c,d,e) augmente avec la pression (p), puis se stabilise à partir d’un certain niveau de pression. On a donc intérêt, pour améliorer la précision du réglage de taux, à opérer dans des gammes de pressions qui se situent au-dessus de la pression de stabilisation du module de bulk, soit environ 30 bars pour de l’huile moteur.
Pour des raisons économiques, on souhaite en général utiliser le circuit de lubrification du moteur pour assurer une mise en pression du système de commande; or, celui-ci opère à des pressions de 2 à 6 bars, bien en-dessous de la pression de stabilisation du module d’élasticité isostatique. Pour gagner en précision, et limiter les amplifications dynamiques des efforts subis par le système de commande, il est donc nécessaire d’augmenter la pression d’huile dans ledit système.
Le document WO2018/158539 propose d’ajouter une pompe hydraulique sur le circuit basse pression pour augmenter la pression moyenne dans le système de commande au-delà de la pression de stabilisation du module de bulk de l’huile, ainsi qu’un clapet entre la sortie de la pompe hydraulique et le système de commande, permettant d’augmenter encore cette pression en fonction des conditions d’utilisation du moteur.
La société FEV («2-step variable compression ratio system development & industrialization», 2ndInternational FEV Conference, Fev 7-8, 2019) propose d’utiliser un distributeur particulier permettant d’assurer l’augmentation de pression dans la chambre hydraulique du système de commande, par effet de pompage. Dans une telle configuration, un changement de taux, qui va se traduire par l’ouverture du distributeur, va faire chuter la pression dans le système de commande à la pression d’alimentation (circuit de lubrification): cela implique que le module d’élasticité isostatique de l’huile ne sera pas optimal au moins pendant quelques cycles, pouvant conduire à des surcharges temporaires de la cinématique (phénomènes d’amplification dus à des chocs).
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention propose une solution alternative à celles de l’état de la technique, remédiant à tout ou partie des inconvénients précités. Elle concerne en particulier un système de commande hydraulique comprenant un vérin de commande et un circuit hydraulique de commande, et dont l’architecture permetd’augmenter la pression moyenne dans les chambres hydrauliques du vérin de commande à des valeurs supérieures à la pression de lubrification, et typiquement supérieures à 20 bars, et de maintenir ladite pression moyenne lors des changements de taux de compression du moteur.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
L’invention concerne un système de commande hydraulique pour un moteur à taux de compression variable comprenant:
- un vérin de commande comportant un piston et un corps dans lequel deux chambres hydrauliques de section équivalentes sont définies de part et d’autre du piston, ledit piston étant apte à se déplacer dans le corps,
- un circuit hydraulique de commande comportant:
* au moins un conduit reliant les deux chambres hydrauliques entre elles, et un dispositif de distribution fluidique piloté pour établir ou bloquer une communication fluidique entre lesdites chambres,
* au moins un conduit reliant au moins une des chambres hydrauliques et une alimentation d’huile à basse pression, et un premier clapet anti-retour, pour regaver le circuit hydraulique de commande lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique passe en-deçà de ladite basse pression.
- un vérin de commande comportant un piston et un corps dans lequel deux chambres hydrauliques de section équivalentes sont définies de part et d’autre du piston, ledit piston étant apte à se déplacer dans le corps,
- un circuit hydraulique de commande comportant:
* au moins un conduit reliant les deux chambres hydrauliques entre elles, et un dispositif de distribution fluidique piloté pour établir ou bloquer une communication fluidique entre lesdites chambres,
* au moins un conduit reliant au moins une des chambres hydrauliques et une alimentation d’huile à basse pression, et un premier clapet anti-retour, pour regaver le circuit hydraulique de commande lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique passe en-deçà de ladite basse pression.
Le système hydraulique de commande selon l’invention permet d’alimenter le circuit hydraulique de commande au moyen d’une alimentation d’huile à basse pression, typiquement reliée au circuit de lubrification du moteur (basse pression, entre 2 et 6 bars par exemple), grâce au conduit reliant au moins une des chambres hydrauliques et une alimentation d’huile à basse pression. Il permet aussi d’augmenter la pression moyenne dans les chambres hydrauliques du vérin de commande à des valeurs supérieures à la pression de lubrification, et typiquement supérieures à 20 bars, du fait de la présence du premier clapet anti-retour qui autorise le regavage du circuit hydraulique lorsque les efforts de combustion et/ou d’inertie s’appliquant au vérin provoquent séquentiellement des chutes de pression dans la chambre reliée à l’alimentation.
Enfin, le système hydraulique de commande selon l’invention permet de conserver cette pression moyenne, typiquement supérieures à 20 bars, dans les chambres hydrauliques, lors de l’opération de changement de taux. En effet, la présence du premier clapet anti-retour de regavage, empêche le circuit hydraulique de commande de redescendre à la basse pression d’alimentation, en l’isolant de ladite alimentation quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. Et le changement de taux, lié au déplacement du piston dans le corps du vérin de commande, est défini par le dispositif de distribution fluidique piloté qui gère la circulation et le transfert d’huile d’une chambre vers l’autre, et ainsi la position du piston.
La précision du réglage de taux est ainsi améliorée car le système de commande hydraulique opère dans des gammes de pressions se situant au-dessus de la pression de stabilisation du module de bulk.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaisontechniquement réalisable :
- le circuit hydraulique de commande comporte au moins un conduit reliant au moins une des chambres hydrauliques et une évacuation d’huile, et un clapet de décharge, pour vidanger le circuit hydraulique de commande lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique excède une pression maximale déterminée;
- le circuit hydraulique de commande est porté par le corps du vérin de commande;
- le dispositif de distribution fluidique piloté est actionné par un circuit électrique de pilotage;
- le dispositif de distribution fluidique piloté est actionné par un circuit hydraulique de pilotage;
- le dispositif de distribution fluidique comprend un obturateur piloté à deux positions, dont une position bloque la communication fluidique entre les deux chambres et l’autre position autorise la communication fluidique entre les deux chambres, dans les deux sens de circulation;
- le circuit hydraulique de commande comporte au moins deux conduits reliant les deux chambres hydrauliques entre elles, et dans lequel le dispositif de distribution fluidique comprend deux obturateurs pilotés à deux positions et deux clapets orientés, un premier obturateur et un premier clapet orienté étant portés par un premier conduit, pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la première chambre vers la deuxième chambre, et un deuxième obturateur et un deuxième clapet orienté étant portés par un deuxième conduit, pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la deuxième chambre vers la première chambre;
- chaque obturateur piloté est disposé selon un axe transverse, normal à un axe longitudinal de déplacement du piston dans le corps du vérin de commande;
- le vérin de commande comprend un dispositif de rappel, tendant à ramener ledit vérin à une longueur correspondant à un taux de compression maximum du moteur;
- le piston du vérin de commande est destiné à être relié à un organe de renvoi d’un attelage mobile du moteur, et
le corps du vérin de commande est destiné à être relié à une partie fixe du moteur.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles:
Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type ou de même fonction. Certaines figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas nécessairement à l’échelle et ne reflètent pas nécessairement toutes les contraintes pratiques de mise en œuvre.
La présente invention concerne un système de commande hydraulique 3 pour un moteur à taux de compression variable dont deux modes de réalisation sont illustrés respectivement en figure 2 et en figure 3a.
Le système de commande 3 selon l’invention comprend un vérin de commande 30 comportant un piston 30a et un corps 30b dans lequel deux chambres hydrauliques 31,32 de sections équivalentes sont définies de part et d’autre du piston 30a. Notons que les figures 2 et 3a sont schématiques et n’illustrent pas le caractère équivalent des sections des deux chambres 31,32. Ledit piston 30a est apte à se déplacer dans le corps 30b, ce qui modifie la longueur du vérin et définit le taux de compression du moteur.
On comprend qu’un tel système de commande 3 pourra être intégré dans une bielle de longueur variable, directement reliée au piston de combustion et au vilebrequin d’un moteur à taux de combustion variable. Il pourra également être intégré à un vérin de commande de type VCRi. Enfin, comme cela sera décrit plus en détail dans un exemple par la suite, un tel système de commande 3 pourra être intégré à un moteur de type VC-T (pour «variable compression – turbo») décrit dans le document EP2787196.
Le système de commande hydraulique 3 comprend également un circuit hydraulique de commande 37 dont le rôle est notamment d’alimenter les chambres hydrauliques 31,32 du vérin de commande 30 en huile et de gérer le transfert d’huile d’une chambre à l’autre.
Pour cela, le circuit hydraulique de commande 37 comprend au moins un conduit 37a,37b,37c reliant les deux chambres hydrauliques 31,32 entre elles. Par la suite, ce ou ces conduits 37a,37b,37c seront appelés conduits de transfert 37a,37b,37c car ils permettent la circulation d’huile d’une chambre 31,32 à l’autre. Le circuit hydraulique de commande 37 comprend également un dispositif de distribution fluidique 371a,372 disposé sur ledit (au moins un) conduit de transfert 37a,37b,37c, entre les deux chambres hydrauliques 31,32. Le dispositif de distribution fluidique 371a,372 est piloté pour établir ou bloquer une communication fluidique entre lesdites chambres 31,32; en d’autres termes, ledit dispositif 371a,372 est piloté pour ouvrir ou obturer le (ou les) conduit(s) 37a,37b,37c reliant les deux chambres 31,32. Cela sous-entend la présence d’un circuit de pilotage 80, relié au dispositif de distribution fluidique 371a,372; ledit circuit 80 sera décrit plus loin. Les conduits de transfert 37a,37b,37c et le dispositif de distribution fluidique 371a,372 permettent de gérer le transfert d’huile d’une chambre hydraulique 31,32 à l’autre, et ainsi de modifier la longueur du vérin de commande 30, correspondant à une modification du taux de compression du moteur.
Le circuit hydraulique de commande 37 comprend également au moins un conduit 37d reliant au moins une des chambres hydrauliques 31,32 à une alimentation d’huile 60 à basse pression. Un premier clapet anti-retour 373 est disposé sur ledit conduit 37d: il autorise uniquement le passage d’huile de l’alimentation d’huile 60 vers la chambre hydraulique 31,32, lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique passe en-deçà de la pression d’alimentation d’huile. En pratique, la pression d’huile issue de l’alimentation 60 est comprise entre 2 et 6 bars. Parce que le conduit 37d et le premier clapet anti-retour 373 permettent de regaver en huile le circuit hydraulique de commande 37, ils pourront être respectivement nommés par la suite, conduit de regavage 37d et clapet de regavage 373.
Avantageusement, comme le vérin de commande 30 du système 3 selon l’invention est destiné à subir les efforts d’inertie et de combustion du moteur, le conduit de regavage 37d et le clapet de regavage 373 sont disposés entre l’alimentation en huile 60 et celle des deux chambres hydrauliques 32 qui ne subit pas les efforts de combustion du moteur. Les efforts générés par la combustion étant supérieurs à ceux générés par les inerties, la chambre hydraulique 32 verra la plus grande dépression et la pression instantanée la plus basse, améliorant ainsi le regavage.
Le circuit hydraulique de commande 37 permet d’augmenter la pression moyenne dans les chambres hydrauliques 31,32 du vérin de commande 30 à des valeurs supérieures à la pression de lubrification (basse pression), et typiquement supérieures à 20 bars, voire supérieures à 30 bars. Cela est rendu possible par la présence du clapet de regavage 373 qui autorise l’introduction d’huile dans le circuit hydraulique de commande 37, lorsque les efforts de combustion et/ou d’inertie s’appliquant au vérin 30 provoquent séquentiellement des chutes de pression dans la chambre reliée à l’alimentation.
De plus, le circuit hydraulique de commande 37 selon l’invention permet de conserver cette pression moyenne typiquement supérieure à 20 bars, dans les chambres hydrauliques 31,32, lors de l’opération de changement de taux. En effet, le clapet de regavage 373 empêche le circuit hydraulique de commande 37 de redescendre à la basse pression d’alimentation, en l’isolant de ladite alimentation, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. Et le changement de taux, lié au déplacement du piston 30a dans le vérin de commande 30, est défini par le dispositif de distribution fluidique piloté 371a,372 qui gère la circulation et le transfert d’huile d’une chambre vers l’autre, et ainsi la position du piston 30a dans le corps 30b vérin de commande 30.
La précision du réglage de la longueur du vérin de commande 30, et donc la précision de réglage du taux de compression, sont améliorées car le système de commande hydraulique 3 opère dans des gammes de pression moyenne se situant au-dessus de la pression de stabilisation du module de bulk. Cela apparaît clairement par comparaison des courbes des figures 4a, 4b et 5. Les figures 4a, 4b illustrent le fonctionnement d’un système de commande hydraulique proche de l’état de la technique, c’est-à-dire subissant une perte de pression lors des changements de taux de compression; sur la figure 4a, le système est dépourvu de fonction de regavage en huile, alors que sur la figure 4b, le système en est pourvu. La figure 5 illustre le fonctionnement d’un système de commande hydraulique conforme à la présente invention, ne subissant pas de perte de pression lors des changements de taux de compression et comprenant une fonction de regavage en huile des chambres hydrauliques 31,32.
Dans les deux cas, on se place dans des conditions de régime moteur à 1000 tours par minute et présentant une pression maximale dans le cylindre de combustion de 32 bars. La pression moyenne dans les chambres hydrauliques est calculée sur un cycle moteur (0,12 s). La consigne de taux est définie de la manière suivante: +1 demande une augmentation du taux de compression, 0 demande un taux fixe, -1 demande une diminution du taux de compression.
Sur la figure 4a, la pression moyenne dans les chambres hydrauliques reste toujours inférieure à 10 bars. Pour une consigne définie, le taux de compression réel obtenu oscille très fortement, typiquement de plus de deux points, ce qui rend un asservissement impossible. Sur la figure 4b, la pression moyenne dans les chambres hydrauliques peut atteindre des valeurs supérieures à 20 bars dans certaine phase de commande mais chute à chaque changement de taux de compression. Là encore, pour une consigne définie, le taux de compression réel obtenu oscille fortement, et met du temps à se stabiliser ce qui rend l’asservissement difficile.
Sur la figure 5, la pression moyenne dans les chambres hydrauliques 31,32 augmente au cours des premiers cycles moteur et demeure supérieure à 20 bars, voire supérieure à 30 bars, lors des opérations de changement de taux de compression. Pour la même consigne de taux que précédemment, le taux de compression obtenu est beaucoup plus stable (pas ou peu d’oscillations) et précis. Le système de commande hydraulique 3 selon l’invention montre donc de très bonnes performances, même sur un point de fonctionnement très peu chargé (faible régime moteur, ralenti).
L’observation est similaire quand on se place dans des conditions de régime moteur plus élevées, typiquement à 4000 tours par minute, avec une pression maximale dans le cylindre de combustion de 67 bars.
De manière avantageuse, le circuit hydraulique de commande 37 comprend au moins un conduit 37e reliant au moins une des chambres hydrauliques 31,32 à une évacuation d’huile 70. Un deuxième clapet anti-retour 374 est disposé sur ledit conduit 37e et permet de vidanger le circuit hydraulique de commande 37 lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique 31,32 excède une pression maximale déterminée. Le conduit 37e et le deuxième clapet anti-retour 374 pourront respectivement être nommés par la suite, conduit de vidange 37e et clapet de vidange 374. Ils permettent d’éviter que la pression moyenne dans les chambres hydrauliques 31,32 soit trop élevée et qu’elle impose des solutions complexes d’étanchéité dans le vérin de commande 30.
Le système de commande hydraulique 3 peut néanmoins fonctionner avec un circuit hydraulique de commande 37 dépourvu de conduit de vidange 37e et de clapet de vidange 374: la particularité d’avoir des chambres hydrauliques 31,32 de sections équivalentes permet le pilotage et l’asservissement du système 3, quelle que soit la pression moyenne dans les chambres 31,32. Cette pression moyenne augmenterait jusqu’à un niveau de stabilisation correspondant à l’arrêt de la fonction de regavage (c’est-à-dire lorsque la pression instantanée dans la (ou les) chambre(s) hydraulique(s) 31,32 reliée(s) à l’alimentation d’huile 60 via le conduit 37d et le clapet de regavage 373 ne passe plus en dessous de la pression d’alimentation). Cependant, selon les points de fonctionnement, la pression moyenne stabilisée pourrait être élevée, typiquement supérieure à 500 bars et nécessiterait une étanchéité adaptée aux niveaux de pression instantanée maximum atteignables dans les chambres hydrauliques 31,32.
Avantageusement, le circuit hydraulique de commande 37 est porté par le corps 30b du vérin de commande 30. En pratique les conduits 37a,37b,37c,37d,37e sont aménagés par perçage dans ledit corps 30b; le dispositif de distribution fluidique 371a,372 et les premier et deuxième clapets anti-retour 373,374 sont intégrés dans le corps 30b. L’alimentation en huile 60 est extérieure au vérin de commande 30, elle est typiquement reliée au circuit de lubrification du moteur.
Avantageusement, le vérin de commande 30 comprend un dispositif de rappel 34, tendant à ramener ledit vérin 30 à une longueur correspondant au taux de compression maximum. Notons qu’en fonction de l’implantation du vérin de commande 30 dans le moteur, le taux de compression maximum pourra correspondre à sa longueur minimale ou maximale. A faible régime, les efforts de combustion exercés sur le vérin de commande 30 (tendant à amener le système à taux minimum) sont supérieurs aux efforts d’inertie (tendant à amener le système à taux maximum). Du fait des sections équivalentes, le vérin de commande 30 a donc plus de faciliter à aller dans sa position correspondant à taux minimum que dans sa position correspondant à taux maximum, car il y a potentiellement plus d’effort pour le faire. Le dispositif de rappel 34 permet d’exercer un effort supplémentaire (en plus des efforts d’inertie) pour accroitre la rapidité de changement de longueur du vérin 30 vers le taux maximum et ainsi ne pas pénaliser la consommation de carburant et les émissions de pollution.
Selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, le dispositif de distribution fluidique 371a comprend un obturateur piloté à deux positions, dont une position bloque la communication fluidique entre les deux chambres 31,32 et l’autre position autorise la communication fluidique entre les deux chambres 31,32, dans les deux sens de circulation.
Ce premier mode de réalisation est basé sur un fonctionnement synchrone du système de commande hydraulique 3, c’est-à-dire que le pilotage du dispositif de distribution fluidique 371a doit être synchronisé avec les cycles moteur. Par exemple, pour déplacer le piston 30a vers la longueur maximale du vérin 30 (correspondant par exemple à un taux de compression minimum), il est nécessaire d’autoriser la communication fluidique entre les chambres 31,32 lorsque les efforts de combustion et/ou d’inertie tendent à augmenter la pression dans la première chambre 31 (ou chambre supérieure sur la figure 2), ce qui provoquera un transfert d’huile de la première chambre 31 vers la deuxième chambre 32 (ou chambre inférieure); il est séquentiellement nécessaire de bloquer la communication fluidique entre les chambres 31,32 lorsque les efforts de combustion et/ou d’inertie tendent à augmenter la pression dans la chambre inférieure 32, de manière à éviter de transférer de l’huile de la chambre inférieure 32 vers la chambre supérieure 31. Le principe inverse doit être mis en œuvre pour déplacer le piston 30a vers la longueur minimale du vérin 30 (correspondant par exemple à un taux de compression maximum du moteur).
Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif de distribution fluidique piloté 371a doit être compatible avec un temps de commutation très court, typiquement 1 ms. Un obturateur électrohydraulique, directement implanté dans le corps du vérin 30b, pourrait remplir cette fonction et requerrait une connexion filaire entre le vérin 30 mobile et un contrôle moteur fixe. Un dispositif de distribution fluidique purement hydraulique, comme illustré sur la figure 2, est également envisageable. Dans ce cas, il faut prendre en compte un retard temporel pour l’actionnement du dispositif 371a, du fait du conduit d’huile reliant la partie pilotage 80 dudit dispositif.
Selon le deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 3a, le circuit hydraulique de commande 37 comporte au moins deux conduits de transfert 37b,37c reliant les deux chambres hydrauliques 31,32 entre elles. Le dispositif de distribution fluidique 372 comprend deux obturateurs pilotés 372b,372c à deux positions, et deux clapets orientés 372b’,372c’. Un premier obturateur 372b et un premier clapet orienté 372b’ sont portés par un premier conduit de transfert 37b, pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la deuxième chambre 32 (ou chambre inférieure sur la figure 3) vers la première chambre 31 (ou chambre supérieure). Un deuxième obturateur 372c et un deuxième clapet orienté 372c’ sont portés par un deuxième conduit de transfert 37c, pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la première chambre 31 vers la deuxième chambre 32. Dans ce mode de réalisation, il peut être intéressant de calibrer la perte de charge de chaque conduit reliant les deux chambres hydrauliques de manière à gérer la vitesse de déplacement du vérin de commande 30.
Ce deuxième mode de réalisation est basé sur un fonctionnement asynchrone du système de commande hydraulique 3, c’est-à-dire que le pilotage du dispositif de distribution fluidique 372 est indépendant des cycles moteur.
Par exemple, pour déplacer le piston 30a vers la longueur maximale du vérin 30 (correspondant par exemple à un taux de compression minimum du moteur), le premier obturateur 372b autorise la communication fluidique entre les chambres 31,32, alors que le deuxième obturateur 372c bloque la communication fluidique. Ainsi, lorsque les efforts de combustion et/ou d’inertie tendent à augmenter la pression dans la chambre supérieure 31, un transfert d’huile s’opère de la chambre supérieure 31 vers la chambre inférieure 32 ; le remplissage progressif (avec l’alternance des cycles moteur) de la chambre inférieure 32 et le vidage progressif de la chambre supérieure 31 donnent lieu au déplacement du piston 30a, vers la longueur maximale du vérin de commande 30.
Pour déplacer le piston 30a vers la longueur minimale du vérin 30 (correspondant par exemple à un taux de compression maximum du moteur), le deuxième obturateur 372c est placé dans une position autorisant la communication fluidique entre les chambres 31,32, alors que le premier obturateur 372b est placé dans une position bloquant la communication fluidique. Il ne peut ainsi s’opérer un transfert d’huile que de la chambre inférieure 32 vers la chambre supérieure 31; le remplissage progressif (avec l’alternance des cycles moteur) de la chambre supérieure 31 et le vidage progressif de la chambre inférieure 32 donnent lieu au déplacement du piston 30a, vers la longueur minimale du vérin de commande 30.
Dans ce deuxième mode de réalisation de l’invention, la position de chaque obturateur 372b,372c au repos (c’est-à-dire sans actionnement par le circuit de pilotage 80) peut être choisie de différentes manières, selon la stratégie privilégiée en cas de défaillance du circuit de pilotage 80.
Selon une première option (figure 3b (i)), les deux obturateurs 372b,372c au repos bloquent toute communication fluidique, ce qui fige le taux de compression à sa valeur en cas de défaillance du circuit de pilotage 80.
Selon une deuxième option (figure 3b (ii)), l’obturateur 372b dans sa position au repos autorise la communication fluidique de la chambre inférieure 32 vers la chambre supérieure 31, alors que l’obturateur 372c, dans sa position au repos, bloque la communication fluidique dans le sens inverse. En cas de défaillance du circuit de pilotage 80, la longueur du vérin de commande 30 va progressivement varier vers sa longueur minimale. Si cette longueur minimale correspond par exemple à un taux de compression maximum, cette option assure le meilleur rendement et la meilleure efficacité du moteur, limitant la pollution occasionnée, mais cela réduit la plage d’utilisation du moteur (limitation en régime et/ou en charge).
Selon une troisième option (figure 3b (iii)), l’obturateur 372c dans sa position au repos autorise la communication fluidique de la chambre supérieure 31 vers la chambre inférieure 32, alors que l’obturateur 372b, dans sa position au repos, bloque la communication fluidique dans le sens inverse. En cas de défaillance du circuit de pilotage 80, la longueur du vérin de commande 30 va progressivement varier vers sa longueur maximale. Si cette longueur maximale correspond par exemple à un taux de compression minimum, cette option permet de conserver les performances du moteur (pas de limitation en régime et/ou en charge) mais réduit son efficacité et son rendement ce qui augmente la pollution produite par le moteur.
Revenant à la description du circuit de pilotage 80 dont le rôle est de piloter le dispositif de distribution fluidique 371a,372 du système de commande 3, deux variantes sont proposées.
Selon une première variante du système de commande hydraulique 3 s’appliquant à tout mode de réalisation de l’invention, le dispositif de distribution fluidique 371a,372 piloté est actionné par un circuit électrique de pilotage externe. Dans ce cas, un fil électrique doit relier une partie fixe du moteur, dans laquelle est implanté le circuit électrique de pilotage, et le dispositif de distribution fluidique 371a,372 préférentiellement intégré au vérin de commande 30, qui constitue une partie mobile dans le moteur.
Selon une deuxième variante du système de commande hydraulique 3 s’appliquant à tout mode de réalisation de l’invention, le dispositif de distribution fluidique 371a,372 piloté (qui est inclus dans le circuit hydraulique de commande 37) est actionné par un circuit hydraulique de pilotage 80. En d’autres termes, le dispositif de distribution fluidique 371a,372 est basculé d’une position passante à une position bloquante (et vice versa) au moyen de la pression d’un fluide issu dudit circuit hydraulique de pilotage 80. Ce fluide peut être de l’eau, du gaz ou de l’huile.
Les premier et deuxième modes de réalisation de l’invention présentés respectivement sur les figures 2 et 3a illustrent un circuit hydraulique de pilotage 80 essentiellement externe au vérin de commande 30. Au moins un canal fluidique 81 relie le dispositif de distribution fluidique 371a,372 au circuit de pilotage 80. Ce dernier peut par exemple comporter un distributeur de pilotage 82 actionné électriquement permettant de délivrer une pression de fluide dans le canal fluidique 81 ou de bloquer l’arrivée de fluide dans ledit canal 81, pour basculer le dispositif de distribution fluidique 371a,372 respectivement dans une ou l’autre de ses positions.
Avantageusement, le distributeur de pilotage 82 est raccordé au circuit de lubrification du moteur, le fluide est alors de l’huile à basse pression.
Notons que le dispositif de distribution fluidique 371a,372 pourra être piloté, donc actionné, directement par la pression de fluide issue du circuit de pilotage 80: il faudra alors que le canal fluidique 81 permette la communication directe entre le fluide de pilotage et ledit dispositif 371a,372. Alternativement, le dispositif de distribution fluidique 371a,372 pourra être actionné mécaniquement, par une force exercée par un élément mécanique d’actionnement, ce dernier étant déplacé par la pression de fluide issue du circuit de pilotage 80.
De manière avantageuse, dans la deuxième variante du système de commande hydraulique 3, chaque obturateur piloté 371a,372b,372c du dispositif de distribution fluidique 371a,372 est disposé selon un axe transverse T, normal à un axe longitudinal L de déplacement du piston 30a dans le corps 30b du vérin de commande 30. Un obturateur 371a,372b,372c pourra par exemple être formé par un tiroir hydraulique linéaire dont l’axe central est parallèle à l’axe transverse T. Cette orientation évite à l’obturateur 371a,372b,372c de subir les efforts d’inertie et/ou de combustion s’appliquant au vérin de commande 30, efforts qui pourraient venir parasiter les efforts de commande nécessaires à l’actionnement des obturateurs.
Un exemple particulier de mise en œuvre du système de commande hydraulique 3 va maintenant être décrit, en référence aux figures 6a à 6e. Cet exemple est basé sur le deuxième mode de réalisation précédemment décrit, c’est-à-dire impliquant un dispositif de distribution fluidique 372 comprenant deux obturateurs pilotés 372b,372c et deux clapets orientés 372b’,372c’. Il est également basé sur un pilotage du dispositif de distribution fluidique 372 par actionnement mécanique.
On retrouve sur la figure 6a le vérin de commande 30, avec son piston 30a mobile dans le corps 30b. Le piston 30a est prolongé par un pied 30a’ s’étendant au-delà du corps 30b selon un axe longitudinal L, et susceptible d’établir une liaison pivot avec un élément mobile du moteur.
Une première chambre 31 et une deuxième chambre 32 sont définies dans le corps 30b du vérin de commande 30, de part et d’autre du piston 30a qui intègre des étanchéités. La première chambre 31 (ou chambre supérieure) est nommée «chambre haute pression» car reprenant les efforts de combustion; par opposition, la deuxième chambre 32 (ou chambre inférieure) est appelée «chambre basse pression». Le remplissage et le vidage respectifs de la première 31 et de la deuxième 32 chambres modifient la longueur du vérin de commande 30.
Le corps 30b du vérin de commande 30 comprend deux paliers latéraux 35 coaxiaux d’axe transverse T normal à l’axe longitudinal L (figure 6b). Ces paliers latéraux 35 sont destinés à établir un liaison pivot avec une partie du moteur (soit fixe solidaire du bloc moteur, soit mobile, selon la configuration d’intégration du système de commande hydraulique 3 dans le moteur). La position latérale desdits paliers 35 permet de compacter le vérin de commande 30 par rapport à un vérin classique avec les points de liaison aux extrémités, limitant ainsi l’encombrement dans le bloc moteur. Avantageusement, chaque palier latéral 35 présente un épaulement 35a pour assurer le positionnement du vérin 30, selon l’axe transverse T, dans le moteur.
Le vérin de commande 30 comprend une entretoise 52 rapportée sur chaque palier latéral 35 et destinée à être solidaire de la partie du moteur susmentionnée (figure 6c). La liaison entre les paliers latéraux 35 et les entretoises rapportées 52 autorise le mouvement d’oscillation du vérin de commande 30 nécessaire au fonctionnement du système de commande 3 dans le moteur 100. Pour cela, chaque entretoise rapportée 52 présente un logement interne cylindrique, pour accueillir un palier latéral 35. L’enveloppe externe de l’entretoise 52 pourra également être cylindrique. Il peut néanmoins être avantageux de prévoir une enveloppe externe ovoïde pour bloquer tout mouvement de la rotation de l’entretoise 52 vis-à-vis de la partie du moteur à laquelle elle est fixée. On peut aussi prévoir que le logement interne accueillant un palier latéral 35 soit excentré par rapport à l’axe central de l’enveloppe externe de l’entretoise rapportée 52, qui sera choisie dans ce cas cylindrique ou ovoïde: cela procure également une fonction anti-rotation.
Le vérin de commande 30 comprend une bague épaulée 53 intercalée entre chaque palier latéral 35 et son entretoise rapportée 51, pour limiter les frottements liés au mouvement d’oscillation du vérin de commande 30 et pour reprendre partiellement les efforts de combustion ainsi que ceux d’inertie subis par ledit vérin 30.
Le dispositif de distribution fluidique 372 du circuit hydraulique de commande 37 comprend un premier tiroir hydraulique 372b et un deuxième tiroir hydraulique 372c, respectivement logés dans le premier palier latéral 35 et le deuxième palier latéral 35 du vérin 30 (figure 6d). Préférentiellement, les deux tiroirs sont disposés selon l’axe transversal T, coaxialement avec les paliers latéraux 35.
Un déplacement selon l’axe transversal T du premier tiroir hydraulique 372b permet par exemple d’établir une circulation d’huile (schématisée par les flèches noires sur la figure 6d) de la première chambre 31 vers la deuxième chambre 32, via des premiers passages 37b aménagés dans le corps 30b du vérin 30. En pratique, le déplacement du premier tiroir 372b met en communication les premiers passages 37b menant aux deux chambres 31,32, et un premier clapet anti-retour 372b’ est disposé sur lesdits premiers passages 37b, autorisant uniquement une circulation de fluide de la première chambre 31 vers la deuxième chambre 32 (figure 6e, (i), (ii)).
Un déplacement du deuxième tiroir hydraulique 372c permet d’établir une circulation d’huile de la deuxième chambre 32 vers la première chambre 31, via des deuxièmes passages 37c aménagés dans le corps 30b. En pratique, le déplacement du deuxième tiroir 372c met en communication les deuxièmes passages 37c menant aux deux chambres 31,32, et un deuxième clapet anti-retour 372c’ est disposé sur lesdits deuxièmes passages 37c, autorisant uniquement une circulation de fluide de la deuxième chambre 32 vers la première chambre 31.
Pour générer le déplacement des tiroirs hydrauliques 372b,372c, le système 3 met en œuvre un circuit hydraulique de pilotage 80. Le circuit de pilotage 80 est alimenté par un fluide sous pression (par exemple, de l’huile) venant de la partie du moteur à laquelle le corps 30b est relié.
Dans l’exemple illustré en figure 6d, l’actionnement des tiroirs hydrauliques 372b,372c est opéré par voie mécanique. Une telle option peut être avantageuse en ce qu’elle évite une gestion parfois complexe de l’étanchéité entre parties fixe et mobile ou entre deux parties mobiles dans le moteur. Pour cela, chaque tiroir hydraulique 372b,372c est destiné à être en contact via une bille 803 avec un piston de pilotage 801,802 porté par l’entretoise rapportée 52 (figure 6c (ii), figure 6d).
Chaque piston de pilotage 801,802 peut être déplacé par la pression d’huile (schématisée par les flèches blanches sur la figure 6e) dans le circuit de pilotage 80, pour induire le déplacement du tiroir hydraulique 372b,372c associé. L’huile de ce circuit 80 est acheminée via des conduits 81 jusqu’à un logement interne de chaque entretoise rapportée 52, lequel logement accueille le piston de pilotage 801,802.
Le contact mécanique entre le piston de pilotage 801,802 et le tiroir hydraulique 372b,372c est assuré par une bille 803, qui est capable d’accommoder l’oscillation du vérin 30 par rapport aux autres parties en liaison du moteur, dont notamment par rapport au piston de pilotage 801,802. Cette configuration apporte une solution simple et robuste de pilotage externe du circuit hydraulique de commande 37 du système 3.
Le circuit hydraulique de commande 37 comporte au moins un perçage 37d et un clapet de regavage 373, entre une alimentation d’huile et la chambre inférieure 32 (figure 6e (i), (iii)). Le clapet de regavage 373 est configuré de manière à autoriser une circulation d’huile depuis l’alimentation d’huile vers la deuxième chambre 32, lorsque la pression dans ladite chambre 32 est inférieure à la pression d’alimentation.
Le circuit hydraulique de commande 37 comporte au moins un perçage 37e et un clapet de décharge 374 entre la deuxième chambre hydraulique 32 et l’extérieur du vérin 30, de manière à évacuer de l’huile du circuit de commande 37, lorsque la pression dans ladite chambre 32 excède une pression maximale déterminée. On pourra par exemple choisir un clapet de décharge 374 dont la pression d’ouverture est supérieure à 200 bars ou 300 bars, pour éviter la mise en œuvre de solutions complexes d’étanchéité dans le système hydraulique de commande 3.
Le système de commande hydraulique 3, et en particulier le système 3 selon l’exemple de mise en œuvre précité est particulièrement adapté à une intégration dans un moteur à taux de compression variable de type VCT.
Ce type de moteur VCT, dont une mise en œuvre selon l’état de la technique est illustrée en figure 7, comprend deux groupes distincts de composants:
- L’attelage mobile 1 intégrant les pistons de combustion 10, les bielles principales 11, les organes de renvoi 12 et le vilebrequin 13,
- Le système de commande 2 intégrant les bielles de commande 20, l’arbre à excentriques 22, les leviers 23,25, la biellette 24 et le moyen de pilotage électrique 26.
Le système de commande hydraulique 3 selon l’invention peut remplacer le système de commande précité 2, comme illustré sur la figure 8. Dans cette utilisation, le piston 30a du vérin de commande 30 est destiné à être relié, via son pied 30a’ à un organe de renvoi d’un attelage mobile du moteur, et le corps 30b du vérin de commande 30 est destiné à être relié à une partie fixe 51 du moteur.
Le système de commande hydraulique 3 conforme à la présente invention, pour un moteur à taux de compression variable, comprend un ou plusieurs vérin(s) de commande 30 tel(s) que précédemment décrit(s). L’attelage mobile 1 du moteur 100 de type VCT, intégrant les pistons de combustion 10, les bielles principales 11, les organes de renvoi 12 et le vilebrequin 13 peut rester inchangé ainsi que la partie supérieure du moteur. La forme des vérins de commande 30 est conçue pour s’intégrer dans l’encombrement actuel du moteur, évitant ainsi d’augmenter l’entraxe du moteur 100.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
Claims (10)
- Système de commande hydraulique (3) pour un moteur à taux de compression variable (100) comprenant:
- un vérin de commande (30) comportant un piston (30a) et un corps (30b) dans lequel deux chambres hydrauliques (31,32) de sections équivalentes sont définies de part et d’autre du piston (30a), ledit piston (30a) étant apte à se déplacer dans le corps (30b),
- un circuit hydraulique de commande (37) comportant:
* au moins un conduit (37a,37b,37c) reliant les deux chambres hydrauliques (31,32) entre elles, et un dispositif de distribution fluidique (371a,372) piloté pour établir ou bloquer une communication fluidique entre lesdites chambres (31,32),
* au moins un conduit (37d) reliant au moins une des chambres hydrauliques (32) et une alimentation d’huile (60) à basse pression, et un premier clapet anti-retour (373) pour regaver le circuit hydraulique de commande (37) lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique (32) passe en-deçà de ladite basse pression.
- Système de commande hydraulique (3) selon la revendication précédente, dans lequel le circuit hydraulique de commande (37) comporte au moins un conduit (37e) reliant au moins une des chambres hydrauliques (32) et une évacuation d’huile (70), et un clapet de décharge (374), pour vidanger le circuit hydraulique de commande (37) lorsque la pression dans ladite chambre hydraulique (32) excède une pression maximale déterminée.
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit hydraulique de commande (37) est porté par le corps (30b) du vérin de commande (30).
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de distribution fluidique piloté (371a, 372) est actionné par un circuit électrique de pilotage.
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de distribution fluidique piloté (371a, 372) est actionné par un circuit hydraulique de pilotage (80).
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de distribution fluidique (371a) comprend un obturateur piloté à deux positions, dont une position bloque la communication fluidique entre les deux chambres (31,32) et l’autre position autorise la communication fluidique entre les deux chambres (31,32), dans les deux sens de circulation.
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit hydraulique de commande (37) comporte au moins deux conduits (37b,37c) reliant les deux chambres hydrauliques (31,32) entre elles, et dans lequel le dispositif de distribution fluidique (372) comprend deux obturateurs pilotés (372b,372c) à deux positions et deux clapets orientés (372b’,372c’), un premier obturateur (372b) et un premier clapet orienté (372b’) étant portés par un premier conduit (37b), pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la première chambre (31) vers la deuxième chambre (32), et un deuxième obturateur (372c) et un deuxième clapet orienté (372c’) étant portés par un deuxième conduit (37c), pour bloquer ou autoriser la circulation d’huile de la deuxième chambre (32) vers la première chambre (31).
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel chaque obturateur piloté (371a,372b,372c) est disposé selon un axe transverse (T), normal à un axe longitudinal (L) de déplacement du piston (30a) dans le corps (30b) du vérin de commande (30).
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le vérin de commande (30) comprend un dispositif de rappel (34), tendant à ramener ledit vérin (30) à une longueur correspondant à un taux de compression maximum du moteur.
- Système de commande hydraulique (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel:
* le piston (30a) du vérin de commande (30) est destiné à être relié à un organe de renvoi (12) d’un attelage mobile (1) du moteur (100), et
* le corps (30b) du vérin de commande (30) est destiné à être relié à une partie fixe (51) du moteur (100).
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