Calage variable des soupapes - Variable valve timing

Culasse de Honda K20Z3 . Ce moteur utilise un calage variable en continu pour les soupapes d'admission

Dans les moteurs à combustion interne , le calage variable des soupapes ( VVT ) est le processus de modification du moment d'un événement de levée de soupape , et est souvent utilisé pour améliorer les performances, l'économie de carburant ou les émissions. Il est de plus en plus utilisé en combinaison avec des systèmes à levée variable des soupapes . Il existe de nombreuses façons d'y parvenir, allant des dispositifs mécaniques aux systèmes électrohydrauliques et sans came . Des réglementations de plus en plus strictes sur les émissions poussent de nombreux constructeurs automobiles à utiliser des systèmes VVT.

Les moteurs à deux temps utilisent un système de soupapes de puissance pour obtenir des résultats similaires à ceux du VVT.

Théorie de fond

Les soupapes d'un moteur à combustion interne sont utilisées pour contrôler le débit des gaz d' admission et d'échappement entrant et sortant de la chambre de combustion . Le moment, la durée et la levée de ces événements de soupape ont un impact significatif sur les performances du moteur . Sans calage variable des soupapes ou levée variable des soupapes , le calage des soupapes est le même pour tous les régimes et conditions du moteur, des compromis sont donc nécessaires. Un moteur équipé d'un système d'actionnement à calage variable des soupapes s'affranchit de cette contrainte, permettant d'améliorer les performances sur toute la plage de fonctionnement du moteur.

Les moteurs à pistons utilisent normalement des soupapes entraînées par des arbres à cames . Les cames ouvrent ( soulèvent ) les soupapes pendant un certain temps ( durée ) au cours de chaque cycle d'admission et d'échappement. Le moment de l'ouverture et de la fermeture de la soupape, par rapport à la position du vilebrequin, est important. L'arbre à cames est entraîné par le vilebrequin par l'intermédiaire de courroies de distribution , d' engrenages ou de chaînes .

Un moteur nécessite de grandes quantités d'air lorsqu'il fonctionne à haute vitesse. Cependant, les soupapes d'admission peuvent se fermer avant que suffisamment d'air ne pénètre dans chaque chambre de combustion, ce qui réduit les performances. D'autre part, si l'arbre à cames maintient les soupapes ouvertes pendant de longues périodes, comme avec une came de course, des problèmes commencent à se produire à des régimes moteur inférieurs. L'ouverture de la soupape d'admission alors que la soupape d'échappement est encore ouverte peut entraîner la sortie de carburant non brûlé du moteur, entraînant une baisse des performances du moteur et une augmentation des émissions. Selon le livre de l'ingénieur David Vizard "Building Horsepower", lorsque l'admission et l'échappement sont ouverts simultanément, l'échappement à pression beaucoup plus élevée repousse la charge d'admission hors du cylindre, polluant le collecteur d'admission avec l'échappement, dans le pire des cas. .

Continu versus discret

Les premiers systèmes de calage variable des soupapes utilisaient un réglage discret (par paliers). Par exemple, une synchronisation serait utilisée en dessous de 3 500 tr/min et une autre au-dessus de 3 500 tr/min.

Des systèmes plus avancés de "calage variable continu des soupapes" offrent un réglage continu (infini) du calage des soupapes. Par conséquent, le calage peut être optimisé pour s'adapter à tous les régimes et conditions du moteur.

Déphasage des cames versus durée variable

La forme la plus simple de VVT est de came mise en phase , de sorte que l'angle de phase de l' arbre à cames est vers l' avant ou vers l' arrière ayant subi une rotation par rapport au vilebrequin. Ainsi les vannes s'ouvrent et se ferment plus tôt ou plus tard ; cependant, la levée et la durée de l'arbre à cames ne peuvent pas être modifiées uniquement avec un système de mise en phase des cames.

Atteindre une durée variable sur un système complexe VVT, tel que plusieurs profils de came

Effet typique des ajustements de synchronisation

Fermeture tardive de la soupape d'admission (LIVC) La première variante du calage variable continu des soupapes consiste à maintenir la soupape d'admission ouverte légèrement plus longtemps qu'un moteur traditionnel. Il en résulte que le piston pousse l'air hors du cylindre et vers le collecteur d'admission pendant la course de compression. L'air qui est expulsé remplit le collecteur avec une pression plus élevée, et lors des courses d'admission suivantes, l'air qui est aspiré est à une pression plus élevée. Il a été démontré que la fermeture tardive des soupapes d'admission réduit les pertes de pompage de 40 % dans des conditions de charge partielle et diminue les émissions d' oxyde nitrique ( NOx ) de 24 %. Le couple moteur de pointe n'a montré qu'une baisse de 1% et les émissions d'hydrocarbures sont restées inchangées.

Fermeture anticipée de la soupape d'admission (EIVC) Une autre façon de réduire les pertes de pompage associées à un régime moteur bas et à des conditions de vide élevé consiste à fermer la soupape d'admission plus tôt que la normale. Cela implique de fermer la soupape d'admission à mi-chemin de la course d'admission. Les demandes d'air/carburant sont si faibles dans des conditions de faible charge et le travail requis pour remplir le cylindre est relativement élevé, de sorte que la fermeture précoce des soupapes d'admission réduit considérablement les pertes de pompage. Des études ont montré que la fermeture précoce des soupapes d'admission réduit les pertes de pompage de 40 % et augmente l'économie de carburant de 7 %. Il a également réduit les émissions d'oxyde nitrique de 24 % dans des conditions de charge partielle. Un inconvénient possible à la fermeture précoce des soupapes d'admission est qu'elle abaisse considérablement la température de la chambre de combustion, ce qui peut augmenter les émissions d'hydrocarbures.

Ouverture précoce des soupapes d'admission L' ouverture précoce des soupapes d'admission est une autre variante qui a un potentiel important pour réduire les émissions. Dans un moteur traditionnel, un processus appelé chevauchement des soupapes est utilisé pour aider à contrôler la température du cylindre. En ouvrant la soupape d'admission tôt, une partie des gaz d'échappement inertes/combustés reflue du cylindre, via la soupape d'admission, où il se refroidit momentanément dans le collecteur d'admission. Ce gaz inerte remplit ensuite le cylindre lors de la course d'admission suivante, ce qui aide à contrôler la température du cylindre et les émissions d'oxyde nitrique. Il améliore également l'efficacité volumétrique, car il y a moins de gaz d'échappement à expulser sur la course d'échappement.

Fermeture précoce/tardive des soupapes d'échappement Le moment de fermeture précoce et tardive des soupapes d'échappement peut être manipulé pour réduire les émissions. Traditionnellement, la soupape d'échappement s'ouvre et les gaz d'échappement sont poussés hors du cylindre et dans le collecteur d'échappement par le piston lorsqu'il se déplace vers le haut. En manipulant la synchronisation de la soupape d'échappement, les ingénieurs peuvent contrôler la quantité de gaz d'échappement restant dans le cylindre. En maintenant la soupape d'échappement ouverte légèrement plus longtemps, le cylindre se vide davantage et est prêt à être rempli avec une plus grande charge d'air/carburant sur la course d'admission. En fermant la soupape légèrement plus tôt, il reste plus de gaz d'échappement dans le cylindre, ce qui augmente le rendement énergétique. Cela permet un fonctionnement plus efficace dans toutes les conditions.

Défis

Le principal facteur empêchant cette technologie d'être largement utilisée dans les automobiles de série est la capacité de produire un moyen rentable de contrôler le calage des soupapes dans les conditions internes d'un moteur. Un moteur fonctionnant à 3000 tours par minute fera tourner l' arbre à cames 25 fois par seconde, de sorte que les événements de calage des soupapes doivent se produire à des moments précis pour offrir des avantages en termes de performances. Les actionneurs de soupapes électromagnétiques et pneumatiques sans came offrent le meilleur contrôle du calage précis des soupapes, mais, en 2016, ne sont pas rentables pour les véhicules de production.

Histoire

Machines à vapeur

L'histoire de la recherche d'une méthode de durée d'ouverture variable des soupapes remonte à l'âge de machines à vapeur lorsque la durée d'ouverture de la vanne a été appelée « vapeur coupure ». Le mécanisme de distribution Stephenson , tel qu'il est utilisé sur les premières locomotives à vapeur, soutenu coupure variable , c'est-à-dire change le moment auquel l'admission de vapeur aux cylindres est coupée pendant la course motrice.

Les premières approches de la coupure variable ont couplé des variations de coupure d'admission avec des variations de coupure d'échappement. L'admission et la coupure d'échappement ont été découplées avec le développement de la valve Corliss . Ceux-ci étaient largement utilisés dans les moteurs stationnaires à charge variable et à vitesse constante, avec coupure d'admission, et donc de couple, commandés mécaniquement par un régulateur centrifuge et des vannes de déclenchement .

Au fur et à mesure que les soupapes à champignon sont entrées en service, un engrenage de soupape simplifié utilisant un arbre à cames a été utilisé. Avec de tels moteurs, une coupure variable pouvait être obtenue avec des cames à profil variable qui étaient déplacées le long de l'arbre à cames par le régulateur. Les voitures à vapeur Serpollet produisaient de la vapeur à haute pression très chaude, nécessitant des soupapes à champignon, et celles-ci utilisaient un mécanisme d'arbre à cames coulissant breveté, qui non seulement variait la coupure de la soupape d'admission mais permettait d'inverser le moteur.

Avion

Un premier Clerget V-8 expérimental de 200 ch des années 1910 utilisait un arbre à cames coulissant pour modifier le calage des soupapes. Certaines versions du moteur radial Bristol Jupiter du début des années 1920 incorporaient un engrenage de calage variable des soupapes, principalement pour faire varier le calage des soupapes d'admission en relation avec des taux de compression plus élevés. Le moteur Lycoming R-7755 avait un système de calage variable des soupapes composé de deux cames pouvant être sélectionnées par le pilote. L'un pour le décollage, la poursuite et l'évasion, l'autre pour la croisière économique.

Automobile

L'opportunité de pouvoir faire varier la durée d'ouverture des soupapes pour l'adapter à la vitesse de rotation d' un moteur est apparue pour la première fois dans les années 1920, lorsque les limites maximales de régime autorisé commençaient généralement à augmenter. Jusqu'à cette époque, le régime de ralenti d'un moteur et son régime de fonctionnement étaient très similaires, ce qui signifie qu'il n'y avait guère besoin d'une durée de soupape variable. La première utilisation du calage variable des soupapes était sur la 1903 Cadillac Runabout et Tonneau créé par Alanson Partridge brosse brevet 767,794 « INLET VALVE VITESSE INTERNE MOTEURS COMBUSTION » déposée 3ème Août 1903, et a accordé le 16 Août 1904. Quelque temps avant 1919 Lawrence Pomeroy, le concepteur en chef de Vauxhall, avait conçu un moteur de 4,4 L pour un remplacement proposé pour le modèle 30-98 existant qui s'appellera le H-Type. Dans ce moteur, l'unique arbre à cames en tête devait se déplacer longitudinalement pour permettre l'engagement de différents lobes d'arbre à cames. C'est dans les années 1920 que les premiers brevets d'ouverture de vanne à durée variable ont commencé à apparaître - par exemple le brevet américain US Patent 1 527 456 .

En 1958, Porsche a déposé une demande de brevet allemand, également demandé et publié sous le nom de brevet britannique GB861369 en 1959. Le brevet Porsche utilisait une came oscillante pour augmenter la levée et la durée de la soupape. La came desmodromique entraînée via une tige de poussée/traction à partir d'un arbre excentrique ou d'un plateau cyclique . On ne sait pas si un prototype fonctionnel a déjà été fabriqué.

Fiat a été le premier constructeur automobile à breveter un système de calage variable des soupapes automobile fonctionnel qui comprenait une levée variable. Développé par Giovanni Torazza à la fin des années 1960, le système utilisait une pression hydraulique pour faire varier le point d'appui des suiveurs de came (brevet américain 3 641 988). La pression hydraulique change en fonction du régime moteur et de la pression d'admission. La variation d'ouverture typique était de 37%.

Alfa Romeo a été le premier constructeur à utiliser un système de calage variable des soupapes dans les voitures de série (brevet américain 4 231 330). Les modèles à injection de carburant de l' Alfa Romeo Spider 2000 de 1980 étaient équipés d' un système VVT ​​mécanique. Le système a été conçu par Ing Giampaolo Garcea dans les années 1970. Tous les modèles Alfa Romeo Spider à partir de 1983 utilisaient un VVT électronique.

En 1989, Honda a lancé le système VTEC . Alors que le précédent Nissan NVCS modifie le phasage de l'arbre à cames, le VTEC passe à un profil de came séparé à des régimes moteur élevés pour améliorer la puissance de pointe. Le premier moteur VTEC produit par Honda était le B16A qui a été installé dans les berlines Integra , CRX et Civic disponibles au Japon et en Europe.

En 1992, Porsche a introduit pour la première fois VarioCam , qui était le premier système à fournir un réglage continu (tous les systèmes précédents utilisaient un réglage discret). Le système a été lancé dans la Porsche 968 et fonctionnait uniquement sur les soupapes d'admission.

motocyclettes

Le calage variable des soupapes a été appliqué aux moteurs de moto, mais a été considéré comme une "pièce maîtresse technologique" non utile jusqu'en 2004 en raison de la pénalité de poids du système. Depuis lors, les motos dont le VVT ​​ont inclus la Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), la Ducati Multistrada 1200 (2015), la BMW R1250GS (2019) et la Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), la Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.

Marin

Le calage variable des soupapes a commencé à se répercuter sur les moteurs marins. Le moteur marin VVT de Volvo Penta utilise un déphaseur à cames, contrôlé par l'ECM, qui fait varier en continu l'avance ou le retard du calage de l'arbre à cames.

Diesel

En 2007, Caterpillar a développé les moteurs C13 et C15 Acert qui utilisaient la technologie VVT ​​pour réduire les émissions de NOx, afin d'éviter l'utilisation de l'EGR après les exigences de l'EPA de 2002.

En 2010, Mitsubishi a développé et lancé la production en série de son 4N13 1,8 L DOHC I4, le premier moteur diesel de voiture de tourisme au monde doté d'un système de calage variable des soupapes.

Nomenclature automobile

Phasers hydrauliques à palettes sur un modèle découpé de moteur Hyundai T-GDI

Les fabricants utilisent de nombreux noms différents pour décrire leur mise en œuvre des différents types de systèmes de calage variable des soupapes. Ces noms incluent :

  • AVCS (Subaru)
  • AVLS (Subaru)
  • CPS (Proton) mais proton utilise le moteur vvt pour son nouveau modèle de 2016
  • CVTCS (Nissan, Infiniti)
  • CVVT (développé par Hyundai motor Co., Kia, mais il peut également être fondé sur Geely, Iran Khodro, Volvo)
  • DCVCP - phasage à came variable continue double (General Motors)
  • DVT (calage variable desmodromique, Ducati)
  • DVVT (Daihatsu, Perodua, Wuling)
  • MIVEC (Mitsubishi)
  • MultiAir (FCA)
  • VCT (Ford)
  • N-VCT (Nissan)
  • S-VT (Mazda)
  • Ti-VCT (Ford)
  • VANOS - Variable NOckenwellenSteuerung 'calage d'arbre à cames' sans et avec Valvetronic (BMW) ajoutée
  • Variatore di fase Alfa Romeo(VCT)Variateur de phase Alfa Romeo est un système de variation de distribution conçu par Alfa Romeo, le premier utilisé dans une voiture de série (ALFA ROMEO spider duetto 1980)
  • VarioCam (Porsche)
  • VTEC , i-VTEC (Honda, Acura)
  • VTi , (Citroën, Peugeot, groupe BMW)
  • VVC (MG Rover)
  • VVL (Nissan)
  • Levage des soupapes (Audi)
  • VVA ( Yamaha )
  • VVEL (Nissan, Infiniti)
  • VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Maruti, Isuzu, Groupe Volkswagen, Toyota)
  • VVT-i , VVTL-i (Toyota, Lexus)
  • VTVT (Hyundai)

Méthodes de mise en œuvre de la commande variable des vannes (VVC)

Commutation de came

Cette méthode utilise deux profils de came, avec un actionneur pour basculer entre les profils (généralement à un régime moteur spécifique). La commutation de came peut également fournir une levée de soupape variable et une durée variable, mais le réglage est discret plutôt que continu.

La première utilisation de production de ce système était le système VTEC de Honda . Le VTEC modifie la pression hydraulique pour actionner une goupille qui verrouille le culbuteur à haute levée et haute durée sur un ou plusieurs culbuteurs adjacents à faible levée et basse durée.

Déphasage des cames

De nombreux systèmes VVT de production sont du type à cames en phase , utilisant un dispositif appelé variateur. Cela permet un réglage continu de la synchronisation de la came (bien que de nombreux systèmes anciens n'utilisaient qu'un réglage discret), mais la durée et la levée ne peuvent pas être ajustées.

Came oscillante

Ces conceptions utilisent un mouvement oscillant ou oscillant dans un lobe de came partiel, qui agit sur un suiveur. Ce suiveur ouvre et ferme alors la vanne. Certains systèmes à came oscillante utilisent un lobe de came conventionnel, tandis que d'autres utilisent un lobe de came excentrique et une bielle. Le principe est similaire aux moteurs à vapeur, où la quantité de vapeur entrant dans le cylindre était régulée par le point de "coupure" de la vapeur.

L'avantage de cette conception est que le réglage de la portance et de la durée est continu. Cependant, dans ces systèmes, la portance est proportionnelle à la durée, de sorte que la portance et la durée ne peuvent pas être ajustées séparément.

Les systèmes à cames oscillantes BMW ( valvetronic ), Nissan ( VVEL ) et Toyota ( valvematic ) agissent uniquement sur les soupapes d'admission.

Entraînement à came excentrique

Les systèmes d'entraînement à came excentrique fonctionnent grâce à un mécanisme à disque excentrique qui ralentit et accélère la vitesse angulaire du lobe de la came pendant sa rotation. Faire ralentir le lobe pendant sa période d'ouverture équivaut à allonger sa durée.

L'avantage de ce système est que la durée peut être variée indépendamment de la portance (cependant ce système ne fait pas varier la portance). L'inconvénient est que deux entraînements excentriques et deux contrôleurs sont nécessaires pour chaque cylindre (un pour les soupapes d'admission et un pour les soupapes d'échappement), ce qui augmente la complexité et le coût.

MG Rover est le seul constructeur à avoir sorti des moteurs utilisant ce système.

Lobe de came tridimensionnel

Ce système se compose d'un lobe de came qui varie sur sa longueur (semblable à une forme de cône). Une extrémité du lobe de came a une durée courte/profil de levage réduit, et l'autre extrémité a une durée plus longue/profil de levage plus important. Entre les deux, le lobe assure une transition en douceur entre ces deux profils. En déplaçant la zone du lobe de came qui est en contact avec le suiveur, la levée et la durée peuvent être modifiées en continu. Ceci est réalisé en déplaçant l'arbre à cames axialement (en le faisant glisser à travers le moteur) de sorte qu'un suiveur stationnaire soit exposé à un profil de lobe variable pour produire différentes quantités de portance et de durée. L'inconvénient de cet agencement est que les profils de came et de suiveur doivent être soigneusement conçus pour minimiser les contraintes de contact (en raison du profil variable).

Ferrari est couramment associé à ce système, mais on ne sait pas si des modèles de production à ce jour ont utilisé ce système.

Profil de lobe de came combiné à deux arbres

Ce système n'est pas connu pour être utilisé dans les moteurs de production.

Il se compose de deux arbres à cames parallèles (étroitement espacés), avec un suiveur pivotant qui enjambe les deux arbres à cames et est actionné par deux lobes simultanément. Chaque arbre à cames possède un mécanisme de phasage qui permet de régler sa position angulaire par rapport au vilebrequin du moteur. Un lobe commande l'ouverture d'une vanne et l'autre la fermeture de la même vanne, donc une durée variable est obtenue grâce à l'espacement de ces deux événements.

Les inconvénients de cette conception incluent :

  • Avec des réglages de longue durée, un lobe peut commencer à réduire sa portance alors que l'autre continue d'augmenter. Cela a pour effet de diminuer la portance globale et éventuellement de provoquer des problèmes dynamiques. Une entreprise prétend avoir résolu dans une certaine mesure le taux inégal d'ouverture du problème de la vanne, permettant ainsi une longue durée à pleine levée.
  • Taille du système, en raison des arbres parallèles, des suiveurs plus grands, etc.

Profil de lobe de came combiné coaxial à deux arbres

Ce système n'est pas connu pour être utilisé dans les moteurs de production.

Le principe de fonctionnement est que le seul suiveur s'étend sur la paire de lobes rapprochés. Jusqu'à la limite angulaire du rayon du nez, le suiveur "voit" la surface combinée des deux lobes comme une surface continue et lisse. Lorsque les lobes sont exactement alignés la durée est minimale (et égale à celle de chaque lobe seul) et lorsqu'à l'extrême étendue de leur désalignement la durée est maximale. La limitation de base du schéma est que seule une variation de durée égale à celle du rayon vrai du nez de lobe (en degrés d'arbre à cames ou le double de cette valeur en degrés de vilebrequin) est possible. En pratique ce type de came variable a une plage maximale de variation de durée d'environ quarante degrés vilebrequin.

C'est le principe derrière ce qui semble être la toute première suggestion de came variable apparaissant dans les dossiers de brevets de l'USPTO en 1925 (1527456). L'"arbre à cames Clemson" est de ce type.

Arbre à cames hélicoïdal

Également connu sous le nom de « profil combiné coaxial à deux arbres avec mouvement hélicoïdal », ce système n'est connu pour être utilisé dans aucun moteur de production.

Il a un principe similaire au type précédent, et peut utiliser le même profil de lobe de durée de base. Cependant au lieu d'une rotation dans un seul plan, le réglage est à la fois axial et en rotation donnant un aspect hélicoïdal ou tridimensionnel à son mouvement. Ce mouvement surmonte la plage de durée restreinte du type précédent. La plage de durée est théoriquement illimitée mais serait typiquement de l'ordre d'une centaine de degrés de vilebrequin, ce qui est suffisant pour couvrir la plupart des situations.

La came serait difficile et coûteuse à produire, nécessitant un usinage hélicoïdal très précis et un assemblage soigné.

Moteurs sans came

Les conceptions de moteurs qui ne reposent pas sur un arbre à cames pour actionner les soupapes offrent une plus grande flexibilité pour obtenir un calage variable des soupapes et une levée variable des soupapes . Cependant, il n'y a pas encore eu de moteur sans came de série pour les véhicules routiers.

Système hydraulique

Ce système utilise l'huile de lubrification du moteur pour contrôler la fermeture de la soupape d'admission. Le mécanisme d'ouverture de la soupape d'admission comprend un poussoir de soupape et un piston à l'intérieur d'une chambre. Il y a une électrovanne contrôlée par le système de commande du moteur qui est alimentée et fournit de l'huile à travers un clapet anti-retour pendant le temps de levage de la came et l'huile se remplit dans la chambre et le canal de retour vers le carter est bloqué par le poussoir de soupape . Lors du mouvement descendant de la came, à un instant particulier, le passage de retour s'ouvre et la pression d'huile se libère vers le carter moteur.

Les références

Liens externes