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Title:
SHAFT WITH SLIDABLE CAMS INSERTED BETWEEN VARIABLE POSITION RAILS AND VALVE LIFTERS FOR VARIABLE CONTINUOUS DISTRIBUTION IN FOUR-CYCLE INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/123336
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system for variable continuous distribution in four-cycle internal combustion engines. It is possible with this system to vary the extent and the opening and closing timing of the intake and exhaust valves. The invention is characterized in the independence of the valve opening and closing timing, and also in the independence of the intake and exhaust timing. According to the invention, the variable distribution system consists of a shaft receiving slidable retractable cams. The cams are inserted between a set of guide rails having variable positions and the valve lifters for the valves. The valve lift profile section will depend on the relative position of the guide rails. The variable positioning of the trains (and of the guide rails) relative to the camshaft and to the cylinder head is provided by a system of arms and pivots. A system of amplifying arms can be installed as an intermediate between the cams and the valve lifters to modify the extent of the opening.

Inventors:
NASSERLEHAQ, Nsarellah (13 bis Rue Charif Idrissi, Hay Farah II, Settat, 26000, MA)
Application Number:
MA2009/000013
Publication Date:
October 28, 2010
Filing Date:
June 17, 2009
Export Citation:
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Assignee:
NASSERLEHAQ, Nsarellah (13 bis Rue Charif Idrissi, Hay Farah II, Settat, 26000, MA)
International Classes:
F01L1/053; F01L1/34; F01L13/00
Domestic Patent References:
WO2002081872A1
WO2005080761A1
WO1989006743A1
Foreign References:
US20060048736A1
EP1070833A2
EP1331370A1
CA2467931A1
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Claims:
Revendications

1) Système de distribution variable pour moteurs à combustion interne de quatre temps caractérisé en ce qu'il est composé de 1) d'un arbre (8) à cames coulissantes, 2) de cames coulissantes (3, 4, 5), intercalaires entre les rails directeurs (1) et les poussoirs

(9) pour soupapes , 3) de rails directeurs (I] à position variable, 4) des poussoirs (9} pour soupapes, et 5) de bras (12) d'amplifications / atténuation des mouvements de levée.

2) Un arbre à cames Selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte des encagements (7) logeant des cames coulissantes intercalaires , en nombre, et selon des positionnements adéquats pour permettre aux têtes (5_l_des cames coulissantes de comprimer les poussoirs des soupapes respectives et permettant aux pieds (3) des mêmes cames de rouler contre les rails directeurs (1).

3) des cames coulissantes selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles présentent un corps longitudinal (3) terminé par une tête (5) d'un coté et deux pieds (3) de l'autre coté. Les pieds, sont positionnés pour rouler contre les rails à positions variables alors que les têtes sont positionnés pour comprimer le poussoirs des soupapes. Les cames coulissantes intercalaires sont coulissantes à l'intérieur des encagements usinés au sein de l'arbre à cames. Les cames coulissantes sont disposées en intercalaire entre les poussoirs et les rails directeurs à position variable ou les bras amplificateurs.

4) Des rails directeurs selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils sont placés au dessus de l'arbre à cames, et qu'ils sont portés par une rame (14) située au dessus de l'arbre à cames et qui ont une position variable. Deux rames sont prévues, une pour les soupapes d'admission et une pour celles d'échappement. Le positionnement variable des rames est réalisé via des systèmes des bras et pivots (15) QU| permettent des mouvements à un ou plusieurs degrés de liberté (selon le choix) par un système de mécanisme hydrauliques et/ou électromagnétiques (16).

5) Des poussoirs pour soupapes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'ils présentent un profil de la face supérieure qui permet un passage libre des pieds des cames coulissantes et qui rencontre la trajectoire des têtes des cames coulissantes. 6) Un système de distribution variable selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'arbre à cames, durant son mouvement de rotation, porte les pieds des cames coulissantes contre les rails directeurs et les têtes contre la face supérieure des poussoirs des soupapes. Les cames coulissantes sont poussées par le rails directeurs et compriment les poussoirs des soupapes. Selon ces dispositions, le profil de la levée (10} des soupapes (calage des ouvertures et des fermetures, amplitude de l'ouverture) sera fonction de la position relative (instantanée) des rails directeurs.

7) Un système de bras amplificateurs (12} selon les revendications 1 à 7, caractérisés en ce qu'ils sont positionnés en intermédiaires entre les têtes des cames coulissantes et les poussoirs, pour communiquer l'action des premiers aux derniers. Ces systèmes de bras présentent des proportions de longueurs et des moments variables afin de modifier l'amplitude de l'ouverture des soupapes.

Description:
ARBRE A CAMES COULISSANTES ET INTERCALAIRES ENTRE RAILS A POSITION VARIABLE ET POUSSOIRS POUR LA DISTRIBUTION VARIABLE CONTINUE CHEZ LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE DE QUATRE TEMPS

Cette Invention concerne un nouveau système pour la distribution variable continue pour l'admission et l'échappement chez les moteurs à combustion interne de quatre temps. Ce système permet de faire varier les calages d'ouverture et (/ ou) de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement en continu pour optimiser le flux des gaz admis et expulsés et ce, en fonction des conditions de fonctionnement et du type de moteur. Ce système peut optionnellement être équipé pour faire varier l'amplitude de la levée des soupapes. Ces fonctionnalités sont destinées à améliorer l'efficiences des moteurs à combustion interne à quatre temps et à pistons et par conséquent à réduire la consommation en carburant. La nouveauté apportée par cette invention réside dans le fait que les changements des calages des ouvertures des fermetures des soupapes sont mutuellement indépendantes. De même, les calages des soupapes d'admission et d'échappement sont indépendants malgré qu'elles n'utilisent qu'un seul arbre à came.

Dans un moteur à combustion interne de quatre temps, l'air est aspiré, mélangé à du carburant (sous différentes modalités ) et est comprimé à un rapport de compression volumétrique donné; Le mélange comprimé est alors mis à feu ou s'auto enflamme, il subit alors une forte détente et fournit de ce fait la force mécanique du moteur. La quantité d'air admis et utilisée par le moteurs est déterminante puisqu'elle est directement liée au potentiel de production d'énergie d'un moteur de poids et de cylindrée donnés (plus d'air admis est synonyme de plus de puissance pour ce même moteur). Optimiser le flux d'air dans le moteur améliore aussi le rendement global du moteur par le biais de la diminution des pertes par frottement puisque le moteur peut effectuer moins de rotations pour une même grandeur de travail fournie (sous dimensionnement ou down-sizing). Les réglages des timing des ouvertures et des fermetures des soupapes pour obtenir un flux d'air optimal dépendent des conditions d'utilisation du moteur (régime, couple, puissance ) et dépendent aussi des particularités du moteur (normalement aspiré ou compression turbo). Le calage (timing) optimal diffère aussi selon les combinaisons de deux groupes de critères qui sont : 1) le régime / couple / puissance et, 2) aspiration d'air normale / aspiration renforcée par turbo ou compresseur.

La distribution variables est la réponse qui a été développée pour répondre à ces contraintes d'optimisation des flux gazeux chez les moteurs à combustion interne de quatre temps. La distribution variable se compose de deux éléments : la levée variable et le calage variable. La distribution variable a été recherchée et appliquée à travers de nombreux systèmes, avec plus ou moins de sucés. La levée variable a été appliquée via des systèmes de bras à proportions variables ou bien par l'adoption de deux systèmes de cames, avec différents dimensionnements, et qui entrent en action à des régimes précis. Les performances de ces systèmes sont généralement satisfaisantes excepté pour le System à deux cames qui ne permet pas une variation continue.

Le calage variable consiste a faire varier l'angle de calage de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin, par conséquent les calages d'ouverture et de fermeture des soupapes deviennent variables. Le problème principal rencontré avec ce type de système réside dans l'interdépendance entre les calages de l'ouverture et de la fermeture des soupapes. Ceci a comme inconvénient que l'on ne peut pas faire varier le calage de l'ouverture d'une soupape sans avoirs d'effets possiblement adverses sur le calage optimum de la fermeture de cette soupape (et vice versa). La présente invention permet de corriger ce défaut . Cette invention propose un mécanisme permettant de faire varier le timing de l'ouverture et de la fermeture de chaque soupape est proposé avec les avantages suivants :

1. Les réglages des calages d'ouverture et ceux des fermetures des soupapes sont indépendants : le timing de l'ouverture n'influence pas celui de la fermeture et vice versa.

2. les ensembles de soupapes d'échappement et ceux d'admission peuvent être manipulés de manière indépendante en utilisant un seul arbre à cames. 3. Un système pour la levée variable est adoptable si nécessaire.

L'invention est décrite en détail dans la partie qui suit au regard des dessins annexes (figures 1 à 7) à titre d'illustrations non limitatives et sur lesquelles :

La figure 1 est une représentation schématique (vues frontale et latérale en éclaté), des composantes proposées et de leur agencement (rail à position variable, arbre à came, came coulissante et son encagement ).

La figure 2 est une représentation schématique montrant l'ensemble arbre / came coulissante / rail à position variable, dans deux situations : (A) poussoir soupape comprimé et (B) non comprimé.

La figure 3 est une représentation schématique montrant la relation entre la position du rail directeur à position variable, la position de la came coulissante et le profil de la levée de la soupape (compression du poussoir de la soupape) lors de la rotation de l'arbre à cames sur l'angle de rotation réservé à la levée.

La figure 4 est une représentation schématique montrant l'ensemble arbre / came coulissante / rail à position variable avec deux degrés de liberté de mouvements, dans trois situations :, (A) retard de la fermeture de la soupape, (B) neutre, et. (C) Avance à l'ouverture de la soupape La figure 5 est une représentation schématique montrant une variante simplifiée ou le rail directeur a un seul degré de liberté du mouvement (latéral), dans trois situations : (A) retard de la fermeture de la soupape, (B) neutre, et (C) Avance à l'ouverture de la soupape. La figure 6 est une représentation schématique montrant à titre non limitatif, un dispositif additionnel de bras et pivots à moments variables pour la levée variable positionné en intercalaire entre la tête de la came coulissante et le poussoir.

La figure 7 est une représentation schématique (vue d'en haut) montrant à titre non limitatif un agencement fonctionnel possible de l'ensemble arbre à came coulissante / rail à position variable / deux rames groupant les mécanismes pour les soupapes d'admission et ceux pour les soupapes d'échappement.

Selon cette invention, Le système de distribution variable est composé

1) d'un arbre (8) à cames coulissantes (3, 4, 5) intercalaires entre rails directeurs (1) et poussoirs (9).

2) de cames coulissantes intercalaires entre rails directeurs et poussoirs,

3) de rails directeurs, supportés par des rames (14) à position variables par rapport au corps de la culasse (17).

4) des poussoirs pour soupapes (9), et 5) système de bras (12) d'amplifications des mouvements de levée.

Selon cette invention, les cames fixes (connues dans le commun de l'art) sont remplacées par des cames coulissantes constituées d'un tronc (4) se terminant par une tête (5) et par deux pieds (3), le tout coulissant à l'intérieur d'un encagement (7) usiné à l'intérieur du corps même de l'arbre à cames (8). Les cames coulissantes sont libres de transiter d'un coté vers l'autre de leur encagement et Les deux extrémités (tête et pieds) deviennent alternativement saillantes d'un coté ou de l'autre de l'encagement de l'arbre à cames. L'encagement qui est usiné à l'intérieur d'une zone agrandie du corps de l'arbre à cames accommode la came coulissante et son mouvement. Un jeu de ressorts (6) est aussi logé dans l'encagement de telle sorte à repousser les pieds des cames coulissantes vers la position saillante et garder leur tête dans la position escamotée durant les moments de repos. Un couvercle pour verrouillage (2) empêche les cames coulissantes de sortir de leur encagement.

Un couple de rails parallèles (1) (appelés rails directeurs) se trouvent au dessus du groupe encagement / cames coulissante, dans une position qui permet à chaque rail d'être en face de chacun des deux pieds des cames coulissantes. Ces rails sont solidaires avec des rames (14) qui ont elles mêmes en position variable relativement au corps de la culasse du moteur (17). La fonctionnalité de la position variable est achevée via des fixation mobiles (15) permettant un ou plusieurs degrés de liberté de mouvement vis à vis de l'arbre à cames. Une rame est prévue pour les soupapes d'admission et une autre pour les soupapes d'échappement. La position relative des rails peut être contrôlée en continu via un système d'attachements et des mécanisme hydrauliques et / ou électromagnétiques (15, 16) selon un ou plusieurs degrés de liberté de mouvement.

La poulie de l'arbre à cames (18) est entraîné par une transmission de demi vitesse à partir du vilebrequin similairement au commun de l'art. Lors de la rotation de l'arbre à cames, les têtes et les pieds évoluent sur des configurations circulaires différentes. Ces configurations sont prévues de manière que les pieds roulent seulement contre les rails directeurs et que les têtes roulent seulement contre les poussoirs (9)des soupapes. Les têtes et les pieds se terminent par des petites roues pour faciliter leur roulement contre les poussoirs et les rails directeurs.

Aussi, et lors de la rotation de l'arbre à cames, les pieds des cames coulissantes qui roulent contre les rails directeurs, vont être poussés vers la direction opposée et vont impliquer une compression sur les poussoirs des soupapes (figure 3). Cette compression des poussoirs résulte en un diagramme d'ouverture des soupapes qui sera façonnées par la position relative (variable) du rail directeur. La position relative des rails peut être variée en continu via un système d'attachements et des mécanisme hydrauliques et / ou électromagnétiques selon un ou plusieurs degrés de liberté de mouvement. En tout, et en agissant sur le contrôle (hydraulique / électromagnétique) de la position de la rame des rails directeurs, le diagramme de compression des poussoirs des soupapes est contrôlé. Les formes des rails peuvent aussi être différentes pour optimiser le diagramme d'ouverture des soupapes. Les figures 4 et 5 illustrent certaines des possibilités (non limitatif) pour le mouvement des rails directeurs et leurs effets sur les profils des ouvertures des soupapes (10, 11). La figure 4 montre une possibilité de fixation à deux degrés de liberté : (une inclinaison autour de l'axe longitudinal de l'ensemble des rails et leur rame respective, et un mouvement de transition verticale). Considérant ces mouvements de la rame portant les rails directeurs, chaque rail directeur peut transiter dans une direction perpendiculaire au plan horizontal et impliquer un élargissement ou une réduction de la fenêtre d'ouverture (fig. 4 B). Une inclinaison seule (symétrique autour du centre) entraînera un avance égale de l'ouverture et de la fermeture des soupapes, alors qu'une inclinaison non symétrique qui garde le point d'attaque fixe (point de premier contact entre le pied de la came coulissante et le rail directeur), impliquera un retard ou une avance à la fermeture de la soupape (fig. 4 A). Similairement, une inclinaison vers l'autre direction et qui garde le point de fuite (point de séparation entre le pied de la came coulissante et le rail directeur) fixe, avancera ou retardera seulement le timing de l'ouverture (fig. 4, B). Une combinaison des trois types de mouvements produira à volonté les différentes sortes de diagrammes d'ouvertures et de fermeture des soupapes (10, 11). En plus, et sur ces dispositions, les timings des ouvertures et des fermetures seront indépendants les uns des autres. La figure 5 montre une variante plus simple ou le rail directeur n'a qu'un seul degré de liberté de mouvement (mouvement de transition horizontal droite - gauche et vice versa) et présente un surface particulière inclinée vars l'un des deux terminaisons ; Cette variante ne permettra le control que d'un seul paramètre à la fois : calage de la fermeture ou de l'ouverture. Cette configuration peut être utilisée dans des cas ou on ne voudra modifier que la fermeture des soupapes d'admission, d'un cote et le calage d'ouverture des soupapes d'échappement de l'autre. Les calages d'ouvertures des soupapes d'admission et les calages de fermetures des soupapes d'échappements seraient fixés à des valeurs optimales pour toutes les situations. La figure 5 montre des illustrations pour trois réglages (positions) du rail directeur : position A ou il y a retard à la fermeture des soupapes, position neutre B (ni avance ni retard) et position C ou il y a avance à l'ouverture. Selon cette invention, le calage variable peut aussi être couplé à la levée variable. Plusieurs possibilités existent pour ajouter la capacité de levée variable : un système de bras et fixations pour amplifier ou atténuer la levée causée par la tête de la came coulissante et de la communiquer au poussoir de la soupape. La figure 6 montre un exemple simpliste mais non limitatif dans lequel un bras ayant un axe de pivotement variable est installé en intercalaire entre la tête des cames coulissante et le poussoir de la soupape. Cette configuration montée dans la figure 6 devrait être plus élaborée (sophistiquée) dans la réalité pour minimiser les contraintes et les inerties. L'essentiel est que la variation de la longueur du bras située entre l'axe de pivotement et la tête de la came coulissante permet d'accentuer ou réduire le mouvement de la levée. Ce système garde inchangé le diagramme de la levée sous le contrôle du système de calage variable instauré par le système décrit plus haut. La distribution variable peut, selon cette invention être composée par le calage variable , apporté par l'ensemble des cames coulissantes et des rails directeurs. L'option d'ajouter la levée variable (pour achever la distribution variable complète) peut être ajoutée par ce système de bras.

Selon cette invention, les deux groupes de soupapes (admission ou échappement) peuvent être actionnées à partir d'un seul arbre à cames. Ici aussi, les calages des deux groupes resteront indépendants. La rame servant de fixation pour les rails directeurs des soupapes d'admission (ou d'échappement) implique le même réglage au soupapes de ce groupe (et la même chose est vraie pour les soupapes d'échappement). La rame est portée par des fixation permettant une mobilité verticale et une mobilité rotatoire selon un axe parallèle à celui de l'arbre à cames (figure 4), et une mobilité horizontale seulement (figure 5). L'agencement des différentes composantes décrites dans ce document peut se faire selon différentes variantes tant que celles-ci remplissent les fonctionnalités requises : une illustration d'un agencement possible (non limitatif) pour toutes les composantes décrites dans ce document est montré dans la figure 7. Les utilisations potentielles de cette invention couvrent la majorité du commun de l'art et de la technologies présents. Cette invention peut être utilisée dans des moteurs de tous types (selon le fuel utilisé, aspiration normale ou renforcée, injection ou carburation atmosphérique ) et avec différentes utilisations et performances projetées. Les modes d'utilisations de cette invention seront façonnés par les caractéristiques visées par les développeurs.

Légende pour illustrations

I . Rails directeurs à position variable. 2. Couvercle / verrou.

3. Pied de la came coulissante intercalaire.

4. Tronc de la came coulissante intercalaire.

5. Tête de la came coulissante intercalaire.

6. Ressorts. 7. Encagement pour la came coulissante.

8. Arbre à cames.

9. Poussoir.

10. Diagramme de la levée de la soupape.

I 1. Tracé de la durée de l'ouverture des soupapes. 12. Bras multiplicateur de l'amplitude de la levée.

13. Emplacements du groupe cylindre piston.

14. Rame support de rails directeurs.

15. Axes de fixation de la rame support de rails directeurs.

16. Système hydraulique ou électromagnétique de positionnement des rails directeurs. 17. Culasse (corps de..).

18. Poulie d'entraînement de l'arbre à cames.