[Blog de Remundo] Machines et Animaux non conventionnels

[Remundo]

1. Etat de l’art des techniques de soupapes

1.a) La technologie la plus ancienne de valves est le tiroir coulissant, utilisé dans les machines à vapeur. Mais à la fin du XIXème siècle, le perfectionnement des machines à vapeur et les premiers moteurs à explosion génèrent des pressions plus importantes : la friction s’accroît et compromet l’étanchéité et la longévité des tiroirs coulissants. Ceci va conduire à la soupape « moderne ».

1.b) Les valves à tige/tulipe (‘poppet valves’) apparaissent à la fin du XIXème siècle pour des machines à vapeur perfectionnées (par exemple US339809 en 1886), puis leurs évolutions améliorent la respiration des moteurs à combustion pour l’admission et l’échappement. Elles résolvent les problèmes de friction et d’étanchéité par l’assemblage métallique solidaire d’une tige et d’une « tulipe », laquelle appuie sur une portée (le siège de soupape), grâce à un ressort de rappel et/ou à la pression des gaz dans la chambre de combustion. La tige est guidée axialement en translation par la culasse du moteur et ouverte par une poussée intermittente en partie haute par divers moyens mécaniques (arbre à cames, embiellages, basculeurs, galets…) animés par la machine(MAC).

Avant même le XXème siècle, des motoristes proposent déjà des implantations spécifiques de la culasse avec des soupapes ‘poppet’, comme dans GB189519735A datant de 1895 émanant de DE DION & BOUTON. Ces soupapes induisent des progrès importants dans le rendement des moteurs à combustion interne, lesquels permettent dès 1900 jusqu’à nos jours le plein essor des engins motorisés, notamment les automobiles.
Ce rappel historique n’est pas dénué d’intérêt car les valves ‘poppet’ ont géométriquement peu évolué. Elles sont presque universellement utilisées pour les moteurs.

1.c) Durant le XXème siècle, de nombreux ingénieurs et inventeurs souhaitent explorer une autre voie : les soupapes rotatives. Il paraît en effet mécaniquement peu judicieux de convertir le mouvement de rotation du moteur (en général à pistons, bielles et vilebrequin) en un mouvement de translation, de surcroît éloigné car placé en partie haute du moteur alors que le vilebrequin est en partie basse.

Ainsi les soupapes rotatives se développent et sont expérimentées selon deux voies différentes :

- Les soupapes à arbres rotatifs, d’axe parallèle à l’arbre moteur, typiquement bien décrites par les brevets de Roland Claude CROSS (1923 à 1963, par exemple CA370900A), mais avec des variantes nombreuses, notamment antérieures telles que celles de la valve MINERVA BOURNONVILLE(années 1920), ou de FRAYER & HOWARD(1909), ou bien celle de BUTLER(1904). On peut citer comme autres travaux relatifs : MUELLER (1914), FRANCIS(1921), FREYLER(1927), MELLORS(1944), valves rotatives NORTON (années 1960), LOTUS 2 temps à valve rotative (années 1990), valves rotatives sphériques de Georges J.COATES (années 1990, par exemple US4944261A, encore en développement).

- Les soupapes à arbres rotatifs, d’axe orthogonal à l’arbre moteur, et bien décrites par les brevets de Franck ASPIN(1935 à 1975, par exemple FR931056A), avec de nombreuses autres variantes ultérieures comme celle de Walter FROEDE (années 1950), mais aussi antérieures comme celle de Léonard VALLILEE(1911) ou Fernand FOREST(1881). On peut citer comme autres travaux relatifs : Marcel ECHARD(1920), DENNISSON(1921), Frank W. OFELDT(1924), CRAWFORD(1925), PEACY(1926), Walter F. ISLEY(1942), TJAARDA pour BRIGGS(1942 à 1943), GERNANDT pour BRIGGS(1944) , et une récente approche élastique WO2008129392A1 par THYSSENKRUPP METALURGICA.

[Remundo]

SAERE : vue en perspective éclatée

à gauche : partie train épicycloïdale,
au milieu : partie anti-érosion,
à droite : partie obturateur/lumière vers la chambre

[Silenius]

Si je comprends bien, les segments sont en rotation dans l'alésage, n'y a t'il pas usure a ce niveau ?
Fernand FOREST, c'est bien le précurseur du moteur MAP (Manufacture d'armes Parisienne) 2 temps balayage uniflow avec 2 pistons opposés obturant un même cylindre ?

[Remundo]

Salut Silénius, pas plus que dans les moteurs à pistons. Au bout d'un moment, après rodage, les cotes sont optimales et l'usure s'estompe... et ces pièces sont remplaçables si besoins.

Aller, je vous mets la suite

[Remundo]

Par rapport aux soupapes à tige/tulipe traditionnelles, les soupapes rotatives sont conceptuellement plus séduisantes car elles permettent des ouvertures/fermetures rapides sur une large section d’écoulement, en déviant moins le fluide et sans problème d’inertie ou de vibration car leur chaîne cinématique ne comporte que des pièces équilibrées en rotation. Elles se développent significativement à partir des années 20 où Harry RICARDO les envisage pour les moteurs à vitesses de rotation élevées dans son livre « The High Speed Internal Combustion Engine ».

Et pourtant les soupapes rotatives souffrent encore de deux importants problèmes techniques :
- soumises à la pression de la chambre tout en étant en mouvement, elle dissipent par friction une importante puissance mécanique,
- la friction engendre une érosion des soupapes, de fait rapidement peu étanches. Le moteur perd de la puissance par des fuites lors de la compression et de la détente.

Ceci les a empêché, malgré de nombreux essais et propositions, de détrôner la soupape à tige/tulipe : cette dernière supprime le mouvement et met à profit la pression de la chambre de combustion pour l’étanchéité : ainsi cette pression devient une alliée qui ne dissipe aucune énergie.

Les promoteurs de soupapes rotatives en sont conscients et proposent de nombreux systèmes destinés à limiter le frottement pour des soupapes rotatives :
- Soit par des mécanismes ralentissant la soupape rotative au moment de la compression/détente (le pic de pression) avec des cinématiques élaborées : croix de Malte / roue de Genève (MUELLER,MELLORS), ou engrenages à rapport de réduction variable au cours du mouvement(DENNISSON).
- Soit en appliquant un effort contraire à la soupape pendant le pic de pression (CROSS, CRAWFORD) : l’exercice étant particulièrement difficile puisque les fuites peuvent survenir et le bon compromis friction/fuites peut dériver au cours de la durée de vie du moteur (mécanisme complexe en haut-cylindre).
- Soit en apportant du lubrifiant de diverses manières entre la culasse et la valve rotative (ECHARD, FRANCIS, OFELDT, PEACEY, FREYLER, ASPIN, NORTON) avec plus ou moins de succès car ce lubrifiant part souvent dans la chambre de combustion et ne ralentit pas toujours suffisamment l’usure des soupapes.

Bien entendu, tous ces choix technologiques ont été repris, perfectionnés, modifiés conceptuellement ou concrètement par de nombreux intervenants (motoristes et indépendants) tout au long du XXème siècle.

1.d) Citons enfin les systèmes à chemises mobiles (ou à « fourreau coulissant ») destinés à supprimer la soupape : ils ouvrent et ferment périodiquement des lumières d’admission ou d’échappement à la manière de tiroirs coulissants élaborés. Le premier brevet de chemise mobile est déposé en 1905 par Charles Yale KNIGHT et Liman Bernard KILBOURNE (US14,729). Le système est repris jusque dans les années 1940 par PEUGEOT, PANHARD, VOISIN et MINERVA et sur quelques rares moteurs d’avions. Il est progressivement abandonné car il consomme beaucoup d’huile et pose des problèmes d’usure et de frottements à cause d’une double friction : la chemise mobile frotte à la fois sur le piston et le cylindre. Plus récemment, la société anglaise RCV, créée en 1997 poursuit le développement des « RCV engines » avec une chemise rotative, principalement pour motoriser les scooters.


SAERE : autres vues éclatées en perspective et de profil

[Remundo]

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).

[Remundo]

SAERE : train épicycloïdal typique et compatible

[Silenius]

Est-ce possible de commander directement l'obturateur rotatif par un moteur pas-a-pas trés rapide ?

[Remundo]

Salut Silénius,

oui tout à fait.

On peut aussi avoir une moteur courant continu asservi en position.

Je vous donne la suite du brevet SAERE

[Remundo]

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.

[Remundo]

SAERE : 6 combinaisons

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

[Remundo]

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).

Autres trains épicycloïdaux typiques et compatibles avec SAERE

[Remundo]

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.

[Remundo]

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



Autres trains épicycloïdaux typiques et compatibles avec SAERE

[Remundo]

SAERE : possibilités infinies de profils à superposer

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