Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE)

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2. Etat de l’art des contrôles de soupapes

2.a) Historiquement, les premiers contrôles de soupapes se développent sur les machines à vapeur au XIXème siècle. Les valves de STEPHENSON ou de CORLISS visaient à réduire le temps d’admission de la vapeur, et/ou de l’échappement. Dans les années 20 se développent quelques expérimentations dans l’aviation : le BRISTOL Radial Engine a une variation sur le temps de fermeture à l’admission. Le LYCOMING R-7755 possède 2 jeux de soupapes, l’un donnant la pleine puissance, l’autre permettant un vol économique.

Si la plupart des mécanismes de soupapes étaient découverts dès les années 1950, leur contrôle était encore peu développé. Le développement de moteurs de compétition, puis les normes de pollution plus strictes conduisent progressivement à l’industrialisation en masse de mécanismes déphaseurs pour l’ouverture des soupapes, et plus rarement de mécanismes faisant varier la course des soupapes, qui sont presque toujours de type ‘poppet valve’ selon la conception très ancienne de la fin XIXe/début XXe.

2.b) Les technologies de contrôle des soupapes, destinées à leur calage variable en phase et/ou en ouverture sont regroupées sous l’appellation anglo-saxonne VVT : Variable Valve Timing.

Dès les années 1960, FIAT propose un système de contrôle de soupape en course(US3,641,988) par déplacement hydraulique d’un pivot. ALFA ROMEO propose son système VVT dans les années 1980 (US4,231,330) et commercialise la « Spider 2L ». Les Japonais démarrent leurs programmes déphaseurs VVT à la même période : NISSAN avec le ‘variable cam system (NVCS,1986), HONDA avec le ‘valve timing and lift electronic control’ (VTEC,1989). Dans les années 1990, l’université CLEMSON brevette un VVT à arbres à cames concentriques, notamment dans US5253546A et WO9500748A1.

Les Allemands de BMW lancent le ‘VAriable NOckwellen Steuerung’ (VANOS,1992) (déphaseurs hydrauliques d’arbre à cames proches des VVT japonais). Dans les années 2000, BMW complète le système VANOS avec le VALVETRONIC pour régler la course de la soupape, les VANOS continuant de déphaser.

Progressivement, de nombreux motoristes développent un VVT déphaseur. Les motoristes développant un VVT réglant aussi la course de la soupape sont moins nombreux et les modèles moins diffusés : BMW ‘VALVETRONIC’, HONDA ‘A-VTEC’, MITSUBISHI ‘MIVEC’, NISSAN ‘VVEL’, PORSCHE ‘PROTON CAMPRO CPS’, SUBARU ‘AVLS’, TOYOTA ‘VVTL-i’ ou ‘VALVEMATIC’, et très récemment l’AUDI ‘VALVELIFT’...

En ce qui concerne la technologie des déphaseurs, il s’agit toujours d’avancer ou retarder l’arbre à cames : translation dans un fourreau hélicoïdal, injection d’huile (VANOS,VVT-i), trains épicycloïdaux tels qu’exposé dans JP9133200A ou KR20020015825A, ou bien actuateurs électromagnétiques (DE102008039359A1).

En ce qui concerne la technologie des régleurs de course, il s’agit toujours d’amplifier ou réduire la course de la soupape ‘poppet’, dans l’axe de sa tige. Utilisation de jeux de cames différents, (passage de l’un à l’autre via un mécanisme ad-hoc) ou commande hydraulique : US3,641,988 de FIAT, EP2019189A1 de ISUZU ou CADILLAC ‘Displacement on Demand’ (DoD). BMW a choisi le VALVETRONIC : basculeur profilé poussé par deux cames : l’une de réglage(via moteur électrique), l’autre principale. Pour finir, JP11336514A et JP11336515A présentent la couronne d’un train épicycloïdal qui contrôle la course de la soupape via un arbre à came, un basculeur à galets (le porte-satellites), et le planétaire dont la rotation alternative (de petite amplitude) percute plus ou moins la tige de soupape.

Certains autres motoristes dont RENAULT ont étudié le CAMLESS : contrôle électromagnétique direct de la soupape, en phase et potentiellement en ouverture.


2.c) En marge de tous ces VVT existent des mécanismes desmodromiques très particuliers. Leur naissance remonte aux brevets de Claude BONJOUR en 1893 (CH6911A) et 1899 (CH20200A). L’objectif est de contrôler bilatéralement la translation d’une tige. En 1914, un moteur DELAGE utilise une distribution desmodromique, et par la suite, MERCEDES et DUCATI. Ces derniers suppriment le ressort de rappel et le remplacent par une came de rappel : la soupape est bilatéralement accompagnée dans sa translation alternée par deux cames homocinétiques (via des basculeurs ou non), aux profils judicieusement calculés. Les déphasages sont possibles, mais pas le réglage de course, à moins d’avoir plusieurs jeux de cames desmodromiques (très complexe).

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SAERE : train épicycloïdal typique et compatible

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3. Synthèse de l’état de l’art

Pour synthétiser les faits de ces rappels très riches historiquement et technologiquement :

3.1. Les soupapes rotatives n’ont pas complètement vaincu leurs problèmes de frottement ou d’étanchéité liés à leur érosion. Pourtant, elles gardent tout leur intérêt car leur mouvement rotatif uniforme permet une grande section de passage et des ouvertures/fermetures rapides.

3.2. Les soupapes « poppet » (à tige/tulipe) sont prépondérantes malgré des cinématiques complexes pour les actionner. La section de passage offerte est limitée.

3.3. Les systèmes VVT ne parviennent pas à régler le déphasage ET la course des soupapes avec un seul actionneur(CMD) ; de plus, les plages de réglage sont souvent limitées à quelques dizaines de degrés pour le déphasage, et quelques mm pour la course, parfois avec choc entre les pièces mobiles.

3.4. De rares mécanismes VVT utilisent des trains épicycloïdaux avec deux entrées : l’une principale(PRI) et l’autre réglage(REG).

4. La nouveauté SAERE

4.a) La Soupape Anti-Erosion à Rotations Epicycloïdales (SAERE) se démarque nettement de l’état de l’art actuel, aussi bien par sa structure mécanique que par ses avantages techniques. Elle est composée (Figs. 1A-1G) :

* d’un socle(SOC) présentant un protubérance annulaire(PAN) à l’intérieur de laquelle se loge la première butée à billes(BAB1) et sur laquelle sont prévues des rainures pour une segmentation circulaire(SEGA,SEGB) étanche. Le socle(SOC) comporte au moins une lumière(LUM) autour de laquelle peuvent se répartir des segments horizontaux(SEGC,SEGD),

* d’un disque obturateur rotatif(OBT) à sculptures(SCU,SCU1,SCU2…) périphériques pour ouvrir et fermer sans choc la lumière(LUM) percée dans le socle(SOC) et communiquant avec une chambre(CHA). Des rainures périphériques sont prévues pour une segmentation(SEGE, SEGF,SEGG) étanche,

* d’un carter(CAR) recouvrant le disque rotatif(OBT) et appuyant sur lui par l’intermédiaire de la deuxième butée à billes(BAB2) et d’un assemblage vissé ou soudé sur le socle(SOC), avec un orifice échangeur(ECH),

* d’un train épicycloïdal en partie haute, composé d’un planétaire(PLA), de satellites (SAT,SAT1,SAT2…) d’un porte-satellites(PST) et d’une couronne(COU) : parmi (COU,PLA,PST), l’un est solidaire de l’obturateur rotatif(OBT), l’autre est l’entrée rotative principale(PRI) en provenance de la machine(MAC), et le dernier est la seule entrée de réglage(REG) via (CMD),

* de tout dispositif de commande(CMD) capable d’imposer à l’entrée de réglage(REG) un mouvement de rotation contrôlée : moteur électrique, engrenage, vis-sans-fin, courroie, chaîne…

* d’une lubrification optionnelle.

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SAERE : 6 combinaisons

pour allouer les rôles REG/PRI/OBT aux éléments cinématiques (couronne(COU),porte-satellites(PST), planétaire(PLA)

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4.b) Les performances techniques atteintes sont :
- soupape à mouvement rotatif sensiblement uniforme, à grande section de fluide et ouverture/fermeture rapides sans choc entre les pièces,
- soupape à friction très réduite, grâce aux 2 butées à billes et aux nombreux roulements(RLT1,RLT2…) garantissant des rotations internes très peu dissipatives, même sans lubrification,
- soupape à calage variable entièrement pilotable en phase et en ouverture avec un seul organe rotatif de réglage(REG) à choisir parmi(COU,PST,PLA), piloté par le dispositif de commande(CMD).

Ainsi, les inconvénients des points 3.1. et 3.2. sont supprimés tandis que les avantages sont maintenus. Le système VVT, contrairement au 3.3. se fait avec un seul arbre en rotation commandé angulairement : cette commande angulaire peut être de 2 ordres :
- statique (arbre fixe): elle règle le déphasage,
- dynamique (arbre en rotation): elle règle la section de passage du fluide ; elle peut même maintenir constamment ouverte ou fermée la lumière (LUM) par le blocage en position du disque obturateur(OBT).

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Autres trains épicycloïdaux typiques et compatibles avec SAERE

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Le point 3.4 est repris : puisque le train épicycloïdal est un mécanisme bi-mobile, les positions de ses pièces requièrent la connaissance de 3 mouvements de rotation :
1. La rotation du planétaire(PLA)
2. La rotation du porte-satellites(PST)
3. La rotation de la couronne(COU)

C’est pourquoi un train épicycloïdal représente un optimum dans le cadre d’une soupape rotative à calage variable. La présente invention va toutefois expliquer maintenant en quoi elle apporte une nouveauté technique en terme de calage variable épicycloïdal.

4.c) Un train épicycloïdal standard est illustré à la figure 2A et comporte une couronne(COU) à Z3 dents intérieures, des satellites(SAT1,SAT2…) à Z2 dents externes, emmenés par le porte-satellites(PST), et le planétaire(PLA) à Z1 dents externes. Tous les trains épicycloïdaux compatibles pour (SAERE) sont illustrés aux figures 2A et 2C à 2J.

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Autres trains épicycloïdaux typiques et compatibles avec SAERE

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4.d) Trois cinématiques épicycloïdales remarquables pour (SAERE) découlent de la relation de WILLIS (Fig.2B):

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SAERE : possibilités infinies de profils à superposer

entre ceux de la lumière(LUM) et les sculptures(SCU) de la périphérie de l'obturateur(OBT)