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| Principios | cyclo 4 veces | Conversión del movimiento | Sistema del variable regulando de las válvulas | Sistema de regular del rate de compresión | Rendimientos y aplicaciones |
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.
Les POGDC rotatifs n'ont plus besoin de soupapes car ils fonctionnent en aspiration et refoulement continu.
Le POGDC rotatif à carter rotatif n'a plus besoin de soupapes !
Le POGDC rotatif à carter fixe n'a plus besoin de soupapes !
Le POGDC "rotatif double combustion" à carter fixe n'a plus besoin de soupapes !
mais d'une simple soufflante d'air frais !
De plus, SYCOMOREEN a conçu pour ses moteurs PRBC et POGDC non rotatifs un système de soupapes respectant toutes les exigences du cahier des charges. Il s'implante tel que que les vues CAO suivantes (en vert et rose, avec courroies d'entraînement noir-transparent).
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