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Concept MPRBC | Retour au menu principal |
| Principes | Cycle 4 temps | Conversion du mouvement | Système de calage variable des soupapes | Système de réglage du taux de compression |
Les soupapes actuelles posent 4 grands problèmes :
De nombreuses cinématiques ont été développées :
- pour transmettre « globalement » le déplacement de la came vers la soupape (fig. III.22.)
- pour améliorer le contact des poussoirs avec la tige de soupape (fig. III.23.)
Aucune d’entre elles ne se distingue par sa compacité. Par ailleurs, les jeux, déformations et les éventuelles résonances vibratoires des pièces intermédiaires rendent difficile la connaissance précise de la loi de levée de soupape. Pour ces raisons, les arbres à cames en tête sont actuellement les plus utilisés. Signalons au passage que les arbres à cames avec culbuteurs introduisent une pièce en plus – le culbuteur – qui permet de régler l’amplitude du mouvement de la soupape dans la mesure où l’on peut modifier le point de pivot du culbuteur (fig. III.24.). Des cinématiques encore plus complexes existent comme le dispositif BMW Valvetronic (Cf. 3.c, défaut n°3) à 2 culbuteurs.
L’un des plus grands défauts des soupapes actuelles est l’étranglement qu’elles induisent au niveau de l’admission d’air frais juste avant la chambre de combustion. Ceci est inhérent à leur conception qui permet une bonne étanchéité en position fermée, mais provoque un écoulement turbulent au moment de l’admission, néfaste au bon remplissage du cylindre, d’autant plus que le mouvement du piston est rapide. C’est l’une des raisons de la multiplication récente du nombre des soupapes dans les moteurs pour augmenter la section de passage de l’air frais car il vaut mieux plusieurs petites soupapes qu’une seule grande soupape, ce qui vaut aussi bien pour l’admission que pour l’échappement.
Des parades sont mises en place comme des formes complexes de tubulures d’admission ou de déflecteurs pour permettre un remplissage tourbillonnaire (fig. III.25. et III.26.), mais non turbulent (les lignes de champ des vitesses du fluide sont toutes tangentes à une hélicoïde).
Sur la figure III.27., on observe que le coefficient de débit d’air sature rapidement, même en ouvrant beaucoup la soupape. De plus, les grandes ouvertures de soupapes obligent parfois à réaliser des échancrures dans le piston pour éviter une collision piston/soupape en début d’admission ou en fin d’échappement. On remarque aussi que certaines formes de la tubulure d’admission favorisent beaucoup le coefficient de débit, mais de telles tubulures sont coûteuses à réaliser en grandes séries…
On
peut montrer expérimentalement qu’en
définissant le nombre
de Mach Z par :
D : diamètre du cylindre dS : diamètre de la soupape aS : célérité du son dans l’air
Ump
: vitesse moyenne du piston au cours de
l’admission
: valeur moyenne du
coefficient de débit
il est possible de connaître le taux de remplissage du cylindre en air frais à l’aide de la courbe de la fig. III.28.
Pour mieux se rendre compte de la résistance des soupapes à la pénétration de l’air frais dans la chambre de combustion, nous allons analyser le cas concret d’un moteur essence 4 cylindres non suralimenté de 2 L avec 2 soupapes par cylindre (une d’admission, une autre d’échappement):
- cylindre de diamètre 80 mm et course de 100 mm
- soupape d’admission de diamètre 35 mm
- vitesses de rotation moteur : 1000, 3500 et 7000 tours/min
- vitesse du son dans l’air : 340 m/s à 25°C
- : 0,4
Soit N le nombre de tours/min, sur 1 tour vilebrequin, le piston effectue un aller-retour soit 200 mm avec nos hypothèses. Il le fait en un temps de 60s/N soit :
- 60 ms au ralenti (1000 tr/min), d’où Ump = 3,33 m/s
- 17 ms à régime nominal (3500 tr/min), d’où Ump = 11,76 m/s
- 8,6 ms à plein régime (7000 tr/min), d’où Ump =23,26 m/s
Ce qui nous donne Z1000 = 0.128, Z3500 = 0.451, Z7000 = 0.893
Même à bas régime, le taux de remplissage n’est que de 85 à 90%. Plus le piston est rapide et plus la situation se dégrade (turbulences de plus en plus fortes au niveau de la soupape) : à plein régime, il n’est plus que de 65 à 75 %.
Même si l’augmentation du nombre de soupapes et la suralimentation améliorent sensiblement le taux de remplissage...
...la vocation de ces techniques devrait être l’optimisation du fonctionnement moteur
et non pas la correction d’un défaut inhérent au type de soupapes utilisées.
Comme on l’a vu, les soupapes actuelles doivent être commandées avec un arbre à cames. Pour différentes raisons exposées dans la figure III.29., il est nécessaire, dans l’idéal, de modifier les lois de levée de soupapes au cours du fonctionnement moteur, en fonction de divers paramètres dont le plus important est la vitesse de rotation du vilebrequin. Par exemple, au ralenti, on avance la fermeture de la soupape d’admission pour aspirer moins d’air et donc moins consommer. Au contraire, à haut régime, on la retarde pour que plus d’air ait le temps de pénétrer dans la chambre. En ce qui concerne l’échappement, on peut avancer l’ouverture à haut régime pour chasser au maximum les gaz brûlés ou au contraire, à bas régime, la retarder pour avoir une combustion en mélange pauvre et moins consommer. On peut également souhaiter modifier le déplacement de la soupape : par exemple, faible ouverture à bas régime (toujours pour moins consommer) et forte ouverture à pleine puissance. Une autre application est la réalisation du cycle de Miller par une avance à la fermeture de l'admission (AFA), ou bien un retard à la fermeture de l'admission (RFA) de façon à admettre un volume de gaz frais inférieur au volume maximal de la chambre.
Lorsque les constructeurs conçoivent des moteurs où il est possible de réaliser tous ces réglages en fonctionnement, ils établissent une cartographie des avances et retards ainsi que des déplacements de soupapes en fonction de nombreux paramètres, dont les 2 principaux sont la charge du moteur (le couple à fournir au vilebrequin) et sa vitesse de rotation. La figure III.30. regroupe les principales lois de levée de soupapes envisageables où l’axe horizontal représente l’angle de rotation du vilebrequin et l’axe vertical représente l’amplitude de la levée de soupape.
Loi 1 : loi classique réglée une fois pour toutes : c’est un compromis entre les exigences de la fig. III.29. utilisé dans des moteurs rustiques (tondeuses, compresseurs…) ou bien des moteurs plus puissants où la minimisation des coûts est l’objectif prioritaire.
Loi 2 : loi à 2 déphasages fixes avec levée maximale constante, permettant parfois d’avoir un recouvrement admission/échappement. Si ce recouvrement a lieu, il n’est pas réglable.
Loi 3 : loi identique à la loi 2, à la seule différence que le déphasage est continuellement variable. Si le recouvrement de soupape a lieu, il sera réglable. La liberté de réglage commence à se dessiner bien qu’elle soit encore limitée. Pourtant, très peu de moteurs peuvent réaliser cette loi. Les moteurs BMW Vanos et les moteurs des Toyota Yaris (Cf. §3.c) appliquent cette loi de levée de soupapes.
Loi 4 : loi à déphasages continuellement variables à l’ouverture ET à la fermeture avec levée de soupape constante, réalisable à l’aide du système Camless (Cf. 3.c).
Lois 5 et 6 : loi à déphasages à l’ouverture (5) ou à la fermeture (6) fixes, mais à levée de soupape variable tout comme le déphasage à la fermeture (5) ou à l’ouverture (6).
Lois 7 et 8 : loi à levée de soupape constante, mais à déphasages à l’ouverture (7) ou à la fermeture (8) continuellement variables (réalisable par système Camless).
Loi 9 : loi de levée et de déphasages variables, tant à l’ouverture qu’à la fermeture, réalisable par camless si la levée n’est pas continuellement variable, ou par système électrohydraulique à phase et levée entièrement pilotable si la levée doit être continuellement variable (fig. III.31.).
Les 3 points suivants :
-
les
soupapes actuelles,
actionnables uniquement
par le sommet de leur tige, nécessitent des
systèmes de calage variable
d’une complexité importante pour des
résultats limités (déphasage
de
l’ordre de la dizaine de degrés,
réglage du déplacement de l’ordre du
millimètre).
- L’inertie de ces systèmes est parfois telle que le réglage souhaité ne se fait qu’au bout d’un régime transitoire durant plusieurs dizaines de cycles, soit le double de tours vilebrequin : c’est ainsi que la loi 4, a priori réalisable par un Vanos, ne l’est pas en réalité car il faudrait que le système réagisse dans une durée très courte devant celle d’un cycle.
- Il n’est pas possible de maintenir constamment en position une soupape alors que le moteur tourne, or cela peut être utile pour désactiver un cylindre (soupapes constamment ouvertes ou fermées). On pourra se reporter au système Cadillac DoD,
Le recours systématique aux soupapes actuelles ferait presque oublier que d’autres solutions existent !
avec, il est vrai, plus ou moins de succès. Il n’est toutefois pas inutile de s’y intéresser quelques instants car certaines d’entre elles présentent des avantages que n’ont pas les soupapes précédemment décrites
En ce qui concerne les moteurs 2 temps, les échanges gazeux se font d’une façon différente de celle des cycles à 4 temps puisqu’une partie de la course du piston est utilisée pour balayer les gaz brûlés. Aussi, les soupapes utilisées sont en général très différentes. Les soupapes les plus simples sont dénommées « valve Reed » (fig. III.32.) et sont montées sur le carter des moteurs 2 temps. Elles sont constituées de 2 languettes accolées ou non selon le sens du flux gazeux.
Elles présentent l’avantage de ne nécessiter aucune pièce mécanique de commande, mais cette simplicité pose plusieurs problèmes :
- limitation en fréquence des valves entraînant un régime moteur maximum limité.
- retard systématique et imprécis de l’ouverture à l’admission défavorisant le remplissage du carter.
- retard systématique et imprécis de la fermeture à l’admission entraînant l’expulsion d’une fraction des gaz frais du carter.
- utilisation impossible à la périphérie des chambres de combustion car, d’une part, leur étanchéité est insuffisante, d’autre part, elles y supportent mal les conditions agressives de température et de pression.
Les moteurs 2 temps utilisent fréquemment un fourreau comportant diverses lumières d’admission et d’échappement (fig. III.32.). Ces lumières se translatent au dessus des lumières fixes du cylindre, ce qui permet périodiquement leur ouverture et leur fermeture. Le mouvement du fourreau est assuré par un embiellage supplémentaire dont la manivelle est en prise avec le vilebrequin, soit via un engrenage, soit via une courroie. L’avantage principal de ce système est la rapidité des fermetures et ouvertures des lumières favorisant un fort taux de remplissage. Les inconvénients sont :
- Un réglage quasi impossible des déphasages et des sections d’ouverture des soupapes au cours du fonctionnement du moteur.
- Une puissance mécanique importante prélevée sur le vilebrequin pour actionner le fourreau.
- Une étanchéité peu performante du fourreau.
Si nous nous intéressons maintenant aux moteurs 4 temps, des systèmes de soupapes rotatives existent, mais ne se sont pas réellement développés. Pratiquement aucun motoriste n’industrialise ces types de soupapes qui restent généralement au stade de prototype (fig. III.33.).
Deux alternatives ont été envisagées : axe de rotation perpendiculaire à l’axe du cylindre (a), ou bien parallèle (b).
Les 2 solutions présentent les mêmes avantages et inconvénients :
· Avantages
o grandes sections de passage des gaz, gage d’un remplissage et d’une éjection des gaz brûlés très efficaces.
o déphasage des rotations des soupapes par rapport celle du vilebrequin avec des systèmes similaires au Vanos ou à celui de la Toyota Yaris.
o vitesse très rapide d’ouverture et de fermeture.
o précision des instants d’ouverture ou de fermeture car les jeux mécaniques ou les déformations des pièces ont peu d’influence sur l’angle de rotation des lumières à travers lesquelles s’écoule le fluide.
· Inconvénients
o Nécessité d’utiliser un engrenage conique pour transmettre le mouvement du vilebrequin aux soupapes car leurs axes sont orthogonaux (une simple courroie ne suffit pas).
o Faible étanchéité des soupapes, le moindre jeu ou une légère usure des pourtours circulaires des soupapes dégradent rapidement l’étanchéité.
Même si l’on peut envisager l’implantation de la plupart des systèmes de soupapes précédemment évoqués sur notre moteur, nous allons dresser la liste des caractéristiques du système de soupapes idéal pour notre moteur :
1. un système le plus plat possible pour ne pas faire prendre trop d’épaisseur au moteur.
2. une connexion mécanique avec les vilebrequins la plus compacte possible : une simple courroie ou un engrenage doivent suffire.
3. une faible puissance mécanique prélevée sur le vilebrequin pour actionner le système.
Cette exigence nécessite les conditions suivantes :
1. étanchéité suffisante des soupapes en position fermée
2. rapidité des fermetures et ouvertures de soupapes
3. grande section de passage du fluide
4. diminution des pertes de charge dans la conduite d’admission :
o limitation du nombre de changements de direction pour le fluide
o favoriser un écoulement non turbulent : pas d’obstacle à l’écoulement.
5. éventuelle augmentation du nombre de soupapes par chambre
Rappelons simplement la 5ème fonction du cahier des charges :
| Fonction | Critères | Niveau | Flexibilité | Commentaire |
| 5 : Permettre une grande liberté de calage variable des soupapes | Amplitude de réglage de l’angle de calage de la soupape | + / - 360° | Au moins | Le calage variable permet des ajustements indispensables pour respecter les normes anti-pollution et garantir de la puissance au moteur. Il permet aussi de réaliser le cycle de Miller par une avance de fermeture à l'admission (consommation réduite) |
| Vitesse de réglage du calage | 1 / 10 du temps nécessaire à 1 cycle moteur dans la chambre concernée | Au plus | Le calage variable doit être rapide par rapport au temps d'un cycle moteur | |
| Indépendance d'une chambre à l'autre | Totale indépendance d'une chambre à l'autre | / | Il faut pouvoir régler indépendamment chaque chambre de façon activer/désactiver à volonté la combustion dans ces chambres. | |
| Possibilité de maintenir une soupape constamment dans la même position moteur tournant | Ouverte, fermée ou partiellement ouverte | Toute position possible | Ceci revient à boucher/ouvrir continument les soupapes, ce qui peut avoir des applications pour les éteindre et même pour les transformer en compresseur en vue d'un stockage pneumatique en phase de freinage |
Aucun des systèmes de soupapes des §5.a et §5.b ne respecte simultanément les conditions requises par ces 4 caractéristiques.
L'invention concerne un dispositif
destiné à ouvrir et fermer
périodiquement des
conduits où s’écoulent des fluides
liquides, gazeux
ou polyphasiques. L’invention est une Soupape Anti-Erosion
à Rotations Epicycloïdales (SAERE). Le système
SAERE respecte
toutes les exigences du tableau ci-dessus et se caractérise
par :
1. un obturateur rotatif directement
contrôlé par les mouvements de
rotation d’un train épicycloïdal,
2. l’obturateur tourne entre 2 butées
à billes,
3. un seul
arbre du train épicycloïdal permet de
régler continûment et à
volonté à la fois les moments
d’ouverture/ fermeture du conduit et la section de
passage offerte au fluide qui s’y écoule,
4. des sculptures à la
périphérie du disque rotatif.
Comme
illustré sur les vues ci-dessus et ci-dessous, une allée centrale
peut être aménagée
pour l'implantation de bougies ou d'injecteurs exactement au centre de
chaque cylindre.
Sur le schéma suivant sont
présentés des
systèmes SAERE maximisant les surfaces
d'écoulement. On y
voit que la surface
maximum de
passage du
fluide peut aller jusqu'à un tiers de la section d'un
cylindre pour
l'admission, et un autre tiers pour l'échappement (le tiers
restant sera de préférence alloué
à
l'implantation de bougie, injecteur ou crayon de
préchauffage).
SAERE présente également l'avantage de ne pas
dévier la trajectoire du fluide
attiré naturellement dans l'axe du cylindre (contrairement
à une soupape traditionnelle qui dévie le fluide
à
90° et offre
une section de passage très limitée) :
Ci-dessous, une vue de dessous d'une implantation typique de 8 SAERE sur un moteur à 4 cylindres :
calage variable
entièrement pilotable en phase et en ouverture
indépendamment sur chaque chambre de combustion
respectant le cahier des charges
exigées pour les soupapes de SYCOMOREEN
Toutefois, la
présente invention trouvera son application plus
particulièrement dans les dispositifs MPRBC et POGDC
(non rotatif). Le dispositif(SAERE) est un perfectionnement du
système de soupapes à calage variable
entièrement
pilotable en phase et en ouverture, déjà
utilisé
et très partiellement décrit dans les brevets "Machine
à Pistons Rotatifs à Battement
Contrôlé(MPRBC) du 19/12/2007" et "Piston Octogonal
à Géométrie Déformable
Contrôlée (POGDC)"du 19/02/2009.
On
trouvera un
état de l'art détaillé portant sur les
technologies de soupape (mécanismes de soupape et "Variable
Valve
Timing") dans le
brevet(SAERE)
et en voici la synthèse en 4 points :
Point
n°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.
Point
n°2
: Les soupapes « poppet » (à
tige/tulipe) sont
prépondérantes malgré des
cinématiques
complexes pour les actionner. La section de passage offerte est
limitée.
Point
n°3
: Les systèmes "Variable Valve Timing" (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.
Point
n°4 :
De rares mécanismes VVT utilisent des trains
épicycloïdaux avec deux entrées :
l’une
principale(PRI) et l’autre réglage(REG).
L'invention se démarque nettement de l’état de l’art actuel, aussi bien par sa structure mécanique que par ses avantages techniques.
Elle est
composée (voir ci-dessus et ci-dessous) :
* 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.
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 n°1 et 2. sont
supprimés tandis que les avantages sont maintenus. Le
système VVT, contrairement au point n°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).
Puisque le train épicycloïdal est un mécanisme bi-mobile, les positions de ses pièces requièrent la connaissance de 3 mouvements de rotation : la rotation du planétaire(PLA), celle du porte-satellites(PST) et celle de la couronne(COU). C’est pourquoi un train épicycloïdal représente un optimum dans le cadre d’une soupape rotative à calage variable: comme illustré ci-dessous, il y a 6 possibilités d'attribution des rôles "rotation Principale(PRI)", "rotation de Réglage(REG)" et "rotation de l'obturateur(OBT)" aux éléments cinématiques(PLA,PST,COU) d'un train épicycloïdal. La rotation principale(PRI) provient de la machine(MAC) et la rotation de réglage(REG) provient d'un organe de commande(CMD).
Les animations ci-dessous
illustrent les
très larges capacités de calage variable
entièrement pilotable en
phase et en ouverture du système SAERE :
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