[0001] L'invention a trait à la commande des soupapes dans les moteurs à combustion interne.
[0002] Elle concerne un dispositif de rappel d'une soupape ainsi qu'un moteur à combustion
interne équipé d'un tel dispositif.
[0003] Rappelons que l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'évacuation
des moteurs à combustion interne est commandée par un arbre à cames couplé en rotation
à l'arbre moteur.
[0004] Afin d'assurer une ouverture et une fermeture de la soupape au moment choisi, il
est indispensable que celle-ci soit maintenue en contact avec la came correspondante
de l'arbre à cames.
[0005] C'est la raison pour laquelle les moteurs sont équipés de dispositifs de rappel qui
comportent, pour chaque soupape, un ressort qui sollicite celle-ci en permanence dans
la direction de sa fermeture (c'est-à-dire en direction de la came correspondante).
[0006] La plupart de ces dispositifs de rappel comprennent des ressorts mécaniques qui,
lorsque le régime moteur est modéré, maintiennent constamment la soupape en appui
sur la came correspondante.
[0007] Toutefois, les ressorts mécaniques ont pour principal inconvénient d'entrer en résonance
lorsque le régime moteur est suffisamment élevé, ce phénomène, connu sous le terme
"d'affolement des soupapes", ayant pour conséquence que le mouvement de translation
de la soupape se trouve dissocié du mouvement de rotation de l'arbre à cames.
[0008] Il en résulte une perte notoire de puissance.
[0009] Diverses solutions ont été proposées pour remédier à ce problème.
[0010] Il est ainsi connu d'équiper chaque soupape de plusieurs ressorts de rappel de raideurs
différentes, afin d'augmenter la fréquence de résonance du système élastique ainsi
constitué.
[0011] Cette solution convient aux moteurs de grande série, dont les régimes de fonctionnement
sont relativement modérés (c'est-à-dire que leur régime maximal ne dépasse généralement
pas les 8000 tours par minute).
[0012] Cette solution trouve cependant ses limites dans les moteurs de motos et de voitures
de course, dont le régime maximal dépasse souvent les 15000 tours par minute.
[0013] De fait, on a déjà constaté dans ce type de moteur l'apparition du phénomène d'affolement
des soupapes, même lorsque celles-ci sont équipées de dispositifs de rappel à ressorts
multiples.
[0014] Afin de remédier à ce problème, il a été proposé de remplacer, dans certains moteurs
à régime élevé, les ressorts mécaniques par des ressorts pneumatiques, moins susceptibles
d'entrer en résonance à régime moteur élevé.
[0015] Ainsi, un système de rappel pneumatique de soupapes pour moteurs à combustion interne
est connu du document FR-2 529 616, publié il y a déjà quelque temps.
[0016] Le système proposé comporte un piston solidaire d'une tige de soupape et coulissant
dans un cylindre, le piston, la tige de soupape et le cylindre formant une chambre
étanche qui renferme un fluide compressible se trouvant à une pression minimale de
tarage prédéterminé correspondant à la position de fermeture complète de la soupape.
[0017] Si ce système a déjà pu donner satisfaction, il ne permet toutefois pas un contrôle
de la force de rappel à laquelle est soumise la soupape.
[0018] Le document US-5 233 950 prévoit quant à lui d'équiper le dispositif de rappel de
moyens pour réguler la pression pneumatique régnant dans le cylindre dans lequel coulisse
la soupape.
[0019] Si le système de commande de soupape ainsi proposé constitue une avancée par rapport
au système du document FR-2 529 616, la structure mise en oeuvre pour assurer la régulation
de pression est toutefois relativement complexe, tandis que sa réactivité, insuffisante,
se révèle pénalisante lors de brusques variations de régime moteur.
[0020] L'invention vise notamment à remédier aux inconvénients précités, en proposant un
dispositif de rappel permettant une régulation précise de la force de rappel à laquelle
est soumise la soupape et qui, tout en présentant une réactivité accrue (autrement
dit un temps de réponse réduit, notamment lors de brusques variations de régime moteur),
permette de réduire encore le risque d'affolement des soupapes.
[0021] A cet effet, l'invention propose un dispositif de rappel d'une soupape d'un moteur
à combustion interne comportant :
- un piston solidaire de ladite soupape, monté coulissant dans un cylindre,
- une alimentation en fluide sous pression raccordée audit cylindre par un canal d'alimentation,
et
- un clapet de surpression, raccordé audit cylindre par un canal d'évacuation, et agencé
pour limiter la pression régnant dans le cylindre à une pression maximale prédéterminée,
ce dispositif comportant en outre des moyens pour réguler la pression maximale
en fonction de la pression d'alimentation suivant une loi de type affine.
[0022] Il est ainsi possible de faire varier de manière linéaire la raideur du ressort pneumatique
constitué par le fluide sous pression contenu dans le cylindre, en fonction de paramètres
prédéterminés, tel que le régime moteur.
[0023] Il en résulte une meilleure régulation de la force de rappel à laquelle est soumise
la soupape, ce qui réduit le risque d'affolement.
[0024] La pression maximale est par exemple fonction de la pression d'alimentation suivant
une loi du type :

où :
PM est la pression maximale,
λ est une constante,
PA est la pression d'alimentation, et
P2 est une constante.
[0025] Suivant un mode préféré de réalisation, le clapet de surpression est muni d'un ressort
de rappel, auquel cas la constante P
2 est la pression de tarage dudit clapet de surpression, fournie par ledit ressort
de rappel.
[0026] Afin de réaliser la loi de pression présentée ci-dessus, le clapet de surpression
est par exemple raccordé à l'alimentation par un canal de dérivation.
[0027] Par ailleurs, il peut être prévu un clapet anti-retour placé sur le canal d'alimentation,
le canal de dérivation étant relié à l'alimentation en amont de ce clapet anti-retour.
[0028] L'alimentation peut être commandée pour réguler la pression d'alimentation en fonction
d'un ou plusieurs paramètres déterminés, tel que le régime moteur.
[0029] Ainsi, l'alimentation est de préférence commandée pour augmenter la pression d'alimentation
lorsque croît le régime moteur.
[0030] Suivant un autre objet, l'invention propose un moteur à combustion interne équipé
d'un dispositif de rappel tel que présenté ci-dessus.
[0031] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description
faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 à 6 sont des vues schématiques du dispositif de rappel d'une soupape,
illustrant de manière successive un cycle complet d'ouverture/fermeture de la soupape
;
- la figure 7 est un diagramme illustrant les variations de la pression P à l'intérieur
du cylindre, en fonction du déplacement h du piston, au cours d'un cycle complet d'ouverture/fermeture
de la soupape ;
- les figures 8 et 9 sont des diagrammes analogues à celui de la figure 7, illustrant
des cycles d'ouverture/fermeture de la soupape, avec régulation de la pression d'alimentation.
[0032] Sur la figure 1 est représenté un dispositif de rappel 1 d'une soupape 2 d'un moteur
à combustion interne dont on a seulement représenté la tubulure 3 d'admission (ou
d'échappement) dont la soupape 2 commande l'ouverture et la fermeture.
[0033] Comme cela est visible sur la figure 1, la soupape 2 comporte une tige 4 qui se termine,
à l'une de ses extrémités, par une tête 5 apte à venir en appui contre un siège 6
qui forme l'embouchure de la tubulure d'admission 3.
[0034] La tige 4 se termine, à son extrémité opposée, par une queue 7 conformée en un suiveur
de came qui est maintenu en appui par un ressort pneumatique 8 (décrit ci-dessous)
contre une came 9 d'un arbre à cames dont la rotation commande l'ouverture et la fermeture
de la soupape 2.
[0035] La soupape 2 est munie d'un piston 10 qui, solidaire de la tige de soupape 4, est
monté coulissant dans un cylindre 11.
[0036] Le dispositif 1 comporte également une alimentation 12 en fluide sous pression, raccordée
fluidiquement au cylindre 11 par un canal d'alimentation 13 sur lequel est placé un
clapet anti-retour 14.
[0037] Le dispositif 1 comporte en outre un clapet de surpression 15 relié fluidiquement,
d'une part au cylindre 11 par un canal d'évacuation 16 et, d'autre part, à l'alimentation
12 par un canal de dérivation 17 qui, comme cela est visible sur les figures 1 à 6,
se raccorde à l'alimentation 12 en amont du clapet anti-retour 14.
[0038] Le clapet de surpression 15 comporte un cylindre 18 dans lequel coulisse un piston
19 dont est solidaire une soupape 20. Le piston 19 divise le cylindre 18 en deux chambres
isolées de manière étanche, à savoir une chambre dite de surpression 21, dans laquelle
débouche le canal de dérivation 17, et une chambre de détente 22 dans laquelle débouche
le canal d'évacuation 16 et un canal de mise à l'air libre 23 grâce auquel la pression
régnant dans la chambre de détente 22 est constamment égale à la pression atmosphérique.
[0039] Le piston 19 est monté mobile entre une position dite de fermeture, illustrée sur
la figure 1, dans laquelle la soupape 20 obture le canal d'évacuation 16, et une position
dite d'ouverture, illustrée sur la figure 3, dans laquelle la soupape 20 est écartée
du canal d'évacuation 16 qu'elle met ainsi en communication avec la chambre de détente
22.
[0040] L'on note S
P la superficie de la surface du piston 19 tournée du côté de la chambre de surpression
21, et S
S la superficie de la surface de la soupape 20 tournée du côté du côté du canal d'évacuation
16.
[0041] Comme cela apparaît sur les figures 1 à 6, le clapet de surpression 15 est équipé
d'un ressort de rappel 24 qui sollicite en permanence le piston 19 vers sa position
de fermeture.
[0042] Suivant un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 6, l'alimentation 12
comporte un régulateur de pression relié, par un canal 26, à une source de fluide
sous pression (non représentée), ce régulateur étant agencé pour faire varier la pression
dans le canal d'alimentation 13 en fonction d'un ou plusieurs paramètres déterminés
tels que le régime moteur, lequel est caractérisé par la vitesse de rotation - notée
V
R - de l'arbre moteur.
[0043] L'on note :
PA la pression d'alimentation, qui règne dans le canal d'alimentation 13 en amont du
clapet anti-retour 14 et dans le canal de dérivation 17 ;
P1 la pression de tarage du clapet anti-retour 14 ;
P2 la pression de tarage du clapet de surpression 15, résultant de la force de rappel
exercée sur le piston par le ressort 24 ;
P la pression qui règne dans le cylindre 11, dans le canal d'alimentation 13 en aval
du clapet anti-retour 14 et dans le canal d'évacuation 16 ;
Pm la valeur minimale de la pression P, cette valeur minimale vérifiant la relation
suivante :

λ le rapport (constant) des superficies SP et SS :

PM la valeur maximale de la pression P. Cette valeur correspond à la pression qui règne
dans la chambre de surpression 21, et vérifie par conséquent la relation suivante
:

et enfin P0 la pression atmosphérique.
[0044] Le clapet de surpression 15 est agencé pour limiter la pression P régnant dans le
cylindre 11 à la pression maximale P
M : en effet, lorsque la pression P atteint ou dépasse cette pression maximale P
M, le fluide du canal d'évacuation 16, en provenance du cylindre 11, exerce sur la
soupape 20 une pression qui compense la pression P
M régnant dans la chambre de surpression 21, ce qui tend à déplacer le piston 19, initialement
dans sa position de fermeture, vers sa position d'ouverture, mettant ainsi le canal
d'évacuation 16 en communication avec la chambre de détente 22.
[0045] On décrit ci-après le fonctionnement du dispositif 1.
[0046] Sur la figure 1, la soupape est représentée à son point mort haut (PMH voir figure
7) où, plaquée contre le siège 6, elle obture la tubulure d'admission 3.
[0047] Dans cette position, la somme P + P
1 des pressions régnant à l'intérieur du cylindre 11 et de tarage du clapet anti-retour
14 est inférieure ou égale à la pression d'alimentation P
A, ce qui provoque l'ouverture du clapet anti-retour 14 jusqu'à l'équilibrage des pressions,
qui se produit lorsque P = P
m.
[0048] Lorsque cet équilibrage se produit, le clapet anti-retour 14 se referme (figure 2),
ce qui correspond au point A sur le diagramme de la figure 7.
[0049] La rotation de la came 9 (figure 3) provoque alors le déplacement de la soupape 2
en direction de sa position d'ouverture, ce qui comprime le fluide contenu dans le
cylindre 11.
[0050] Il se produit une augmentation de la pression P jusqu'à ce que la valeur de celle-ci
atteigne la pression maximale P
M, ce qui correspond au point B du diagramme de la figure 7.
[0051] A cet instant, il se produit un équilibrage des pressions dans le clapet de surpression
15 : le piston 19 est repoussé vers sa position d'ouverture, le canal d'évacuation
16 étant ainsi mis en communication avec la chambre de détente 22. La pression P est
ainsi maintenue égale à la pression maximale P
M.
[0052] Cette situation, qui correspond à la ligne joignant les points B et C sur le diagramme
de la figure 7, perdure tant que le mouvement de la came 9 tend à comprimer le fluide
qui se trouve dans le cylindre 11 (figure 4).
[0053] Lorsque la soupape 2 atteint son point mort bas (PMB), le fluide présent dans le
cylindre 11 ne tend plus à être compressé, de sorte que la pression P
M qui règne dans la chambre de surpression 21 est suffisante pour repousser le piston
19 vers sa position de fermeture, la soupape 20 obturant ainsi à nouveau le canal
d'évacuation 16 (figure 5), ce qui correspond au point C sur le diagramme de la figure
7.
[0054] La rotation de la came 9 permet alors à la soupape 2, sous l'effet du ressort pneumatique
8 constitué par le fluide sous pression présent dans le cylindre 11, qui maintient
le suiveur de came 7 en contact permanent avec la came 9, de remonter vers sa position
de fermeture, comme cela est représenté sur la figure 6. Il se produit alors une détente
du fluide présent dans le cylindre 11, ce qui correspond à la ligne joignant les points
C et D sur le diagramme de la figure 7.
[0055] Cette détente se poursuit jusqu'à ce que la pression P du fluide présent dans le
cylindre 11 atteigne sa valeur minimale P
m (point D sur le diagramme de la figure 7), ce qui provoque l'ouverture du clapet
anti-retour 14 (figure 6).
[0056] Cette situation (correspondant à la ligne joignant les points D et A sur le diagramme
de la figure 7) perdure tant que la soupape 2 n'a pas atteint à nouveau son point
mort haut, la pression P du fluide présent dans le cylindre 11 étant ainsi maintenue
constante et égale à la valeur minimale P
m malgré le mouvement de la soupape 2 qui, suivant la came 9, tend à détendre le fluide.
[0057] Dès lors que la soupape 2 atteint son point mort haut (figure 1), le cycle qui vient
d'être décrit recommence.
[0058] On comprend que la présence des clapets anti-retour 14 et de surpression 15 permet
de borner entre deux valeurs extrêmes (correspondant, respectivement, à la pression
minimale P
m et à la pression maximale P
M, la force de rappel exercée sur la soupape 2 par le ressort pneumatique 8 constitué
par le fluide présent dans le cylindre 11.
[0059] Afin d'optimiser le mouvement de la soupape (et notamment d'éviter son affolement),
on souhaite faire varier la raideur du ressort pneumatique 8 en fonction d'un ou plusieurs
paramètres déterminés.
[0060] En pratique, on souhaite faire varier cette raideur en fonction du régime moteur,
et, plus précisément, on souhaite augmenter la raideur du ressort pneumatique 8 lorsque
croît la vitesse de rotation V
R de l'arbre moteur, ce qui permet d'augmenter la réactivité de la soupape et de repousser
sa limite d'affolement.
[0061] Sur la figure 8, on a représenté un diagramme illustrant la pression P du fluide
contenu dans le cylindre 11 en fonction du déplacement h du piston 10, illustrant
trois cycles successifs d'ouverture/fermeture de la soupape 2, entre lesquels on a
commandé, d'abord une augmentation de la pression d'alimentation P
A consécutive à l'augmentation du régime moteur, puis une diminution de la pression
d'alimentation P
A consécutive à une baisse du régime moteur.
[0062] Au départ (point A), la pression P est égale à la pression minimale P
m1 correspondant à la pression d'alimentation P
A initiale. A cette pression d'alimentation P
A initiale correspond également une pression maximale P
M1, qui règne dans la chambre de surpression 21.
[0063] La phase d'ouverture de la soupape 2 est telle que décrite précédemment (entre les
points A et B, courbe en traits pleins), le clapet de surpression 15 intervenant (entre
les points B et C) lorsque la pression P atteint la pression maximale P
M1.
[0064] On commande (arbitrairement) une augmentation du régime moteur dans la phase de fermeture
de la soupape 2, correspondant à la détente du fluide (entre les points C et D du
diagramme de la figure 8) : le régulateur 25 commande alors l'augmentation de la pression
d'alimentation P
A.
[0065] Il en résulte une augmentation de la pression minimale qui s'établit à une nouvelle
valeur - notée P
m2 -, tandis que la pression maximale s'établit simultanément, par l'intermédiaire du
canal de dérivation 17, à une nouvelle valeur - notée P
M2 -, ces nouvelles valeurs P
m2 et P
M2 étant respectivement supérieures aux valeurs précédentes P
m1 et P
M1.
[0066] Lorsque la pression P atteint la pression minimale P
m2, le clapet anti-retour 14 entre en action, la pression P restant alors constante
et égale à la valeur P
m2 jusqu'à ce que la soupape atteigne à nouveau son point mort haut (point A' sur le
diagramme de la figure 8).
[0067] Le ressort pneumatique 8 se trouve ainsi modifié par rapport au cycle précédent,
sa raideur étant supérieure.
[0068] La phase d'ouverture de la soupape est telle que décrite précédemment (points B'
et C', courbe en pointillés). Au cours de la phase de fermeture de la soupape 2 (entre
les points C' et D'), on commande (arbitrairement) une baisse du régime moteur : le
régulateur 25 commande alors une diminution de la pression d'alimentation P
A, la pression minimale s'établissant alors à une nouvelle valeur P
m3 tandis que la pression maximale, qui règne dans la chambre de surpression 21 s'établit
à une nouvelle valeur P
M3, ces nouvelles valeurs P
m3 et P
M3 étant, respectivement, inférieures aux valeurs initiales P
m1 et P
M1.
[0069] Lorsque la pression P atteint, au cours de la détente, la valeur P
m3 (point D'), le clapet de surpression 14 entre en action pour maintenir constante
à cette valeur la pression P (entre les points D' et A''), tant que la soupape 2 n'a
pas atteint son point mort haut (point A").
[0070] La phase d'ouverture de la soupape 2 se répète alors comme précédemment (entre les
points A" et B", puis entre les points B" et C", courbe en trait mixte), le ressort
pneumatique 8 présentant toutefois une raideur inférieure à la raideur qu'il présentait
durant les deux cycles précédents ;
[0071] Au cours de la détente (entre les points C" et D"), on suppose qu'il se produit à
nouveau une augmentation du régime moteur, lequel retrouve sa valeur initiale.
[0072] Le régulateur 25 commande alors une augmentation de la pression d'alimentation P
A, les pressions minimale et maximale retrouvant alors leurs valeurs initiales respectives
P
m1 et P
M1.
[0073] Lorsque la pression P atteint la valeur minimale P
m1 (point D"), le clapet 14 entre alors en action pour maintenir constante à cette valeur
la pression P (entre les points D" et A).
[0074] La figure 9 illustre un cycle d'ouverture/fermeture de la soupape 2, au cours duquel
se produisent successivement :
- pendant la phase d'ouverture, une baisse du régime moteur avant que la pression P
n'ait atteint la pression maximale initiale PM1 mais après qu'elle a dépassé la nouvelle valeur PM2 résultant de la régulation de la pression d'alimentation PA, et
- au cours de la détente, une augmentation subite du régime moteur avant que la pression
P n'ait atteint la valeur minimale Pm2 correspondant à cette régulation, mais après que la pression P soit passée sous la
valeur Pm3 issue de la nouvelle régulation de la pression d'alimentation PA.
[0075] Au départ (point A), la pression minimale se trouve à une valeur P
m1, la soupape 2 étant à son point mort haut.
[0076] La rotation de la came 9 provoque, comme décrit précédemment, la compression du fluide
présent dans le cylindre 11. Toutefois, il se produit, à un instant donné (point B
1 sur le diagramme de la figure 9) où la pression P n'a pas encore atteint la valeur
maximale P
M1, une brusque baisse de régime moteur ayant pour conséquence la commande, par le régulateur
25, de la diminution de la pression d'alimentation P
A, les pressions minimales et maximales s'établissant alors à des valeurs P
m2 et P
M2 inférieures, respectivement, aux valeurs initiales P
m1 et P
M1.
[0077] La surpression provoque immédiatement l'ouverture du clapet 15, la pression P chutant
jusqu'à atteindre la nouvelle valeur de la pression maximale P
M2 (point B
2).
[0078] Il est à noter que, sur le diagramme de la figure 9, on n'a pas pris en compte l'inertie
du système, de sorte que le segment reliant les points B
1 et B
2 apparaît à la fois rectiligne et vertical.
[0079] La suite du cycle est (momentanément) telle que décrit précédemment. La pression
P est maintenue constante et égale à la valeur P
M2 jusqu'au point mort bas (point C) où se produit la fermeture du clapet de surpression
15, le cycle entamant alors sa phase d'ouverture de la soupape 2.
[0080] Au cours de la détente, il se produit, avant que la pression P n'ait atteint la valeur
minimale courante P
m2 (point D
1), une brusque remontée du régime moteur que le régulateur 25 répercute par une augmentation
de la pression d'alimentation, la pression minimale s'établissant alors à une nouvelle
valeur P
m3 supérieure dans l'exemple décrit, aux valeurs précédentes P
m1 et P
m2.
[0081] Le clapet anti-retour 14 entre alors en action, la pression P remontant alors brusquement
jusqu'à la nouvelle valeur minimale P
m3 (point D
2), valeur qu'elle conserve jusqu'au point mort haut (point A').
[0082] De même que précédemment, on a négligé l'inertie du système, de sorte que le segment
qui relie sur le diagramme de la figure 9 les points D
1 et D
2 apparaît à la fois rectiligne et vertical.
[0083] Comme nous venons de le voir, le dispositif de rappel 1 permet de réguler, non seulement
la pression minimale P
m requise dans le cylindre 11, mais également la pression maximale P
M, en fonction de la pression d'alimentation P
A.
[0084] Cette régulation répond à une loi de type affine, ce qui permet de réguler de manière
précise la raideur du ressort pneumatique 8 en fonction notamment, comme présenté
ci-dessus, du régime moteur.
[0085] Comme nous l'avons vu, cette régulation s'opère de manière simple et rapide, puisque
le clapet de surpression 15 est directement raccordé à l'alimentation 12.
[0086] La structure décrite ci-dessus (en particulier la présence du canal de dérivation
17 et du ressort de rappel 24) permet d'établir de manière simple la loi de pression
affine P
M = λP
A + P
2 à laquelle obéit la pression maximale P
M.
[0087] Simultanément, la pression minimale P
m obéit également à une loi de type affine, puisqu'elle vérifie la relation P
m = P
A - P
1, ce qui résulte de la présence sur le canal d'alimentation 13 du clapet anti retour
14.
[0088] On peut ainsi commander une variation linéaire de la raideur du ressort pneumatique
8 en fonction (comme nous l'avons vu) du régime moteur, de telle sorte que cette raideur
soit à la fois suffisamment élevée (ce qui résulte de la régulation de la pression
minimale P
m) pour éviter l'affolement des soupapes, mais suffisamment mesurée pour éviter une
usure prématurée des pièces en contact, à savoir la queue de soupape 7 et la came
9 correspondante.