La qualité des performances du moteur, son efficacité, sa puissance, son couple, son économie de fonctionnement, dépendent de nombreux facteurs, dont le calage des soupapes, c’est-à-dire la synchronisation de l’ouverture et de la fermeture des soupapes d’admission et d’échappement.
Dans un moteur à combustion interne classique à quatre temps, les soupapes sont actionnées par des cames d’arbre à cames. Le profil de ces cames détermine le couple et la durée de l’ouverture (c’est-à-dire la largeur des phases), ainsi que la course des soupapes.
Les phases ne peuvent pas être modifiées dans la plupart des moteurs modernes. Et le fonctionnement de ces moteurs n’est pas très efficace. Le fait est que la nature du comportement des gaz (mélange de carburant et gaz d’échappement) dans le cylindre, ainsi que dans les orifices d’admission et d’échappement, varie en fonction des modes de fonctionnement du moteur. La vitesse d’écoulement change constamment, ce qui entraîne divers types de vibrations du milieu gazeux élastique, qui conduisent à des résonances utiles ou, au contraire, à des congestions parasites. Pour cette raison, la vitesse et l’efficacité du remplissage des cylindres ne sont pas les mêmes selon le mode de fonctionnement du moteur.
Par exemple, pour le fonctionnement au ralenti, des phases étroites de calage des soupapes avec une ouverture tardive et une fermeture précoce des soupapes sans phases de chevauchement (le moment où les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes) sont appropriées. Pourquoi ? Parce qu’il est ainsi possible d’exclure l’évacuation des gaz d’échappement dans le collecteur d’admission et la libération d’une partie du mélange combustible dans le tuyau d’échappement.
La situation change beaucoup lorsqu’on travaille à la puissance maximale. Avec l’augmentation de la vitesse, le temps d’ouverture des soupapes diminue naturellement, mais pour fournir un couple et une puissance élevés à travers les cylindres, il est nécessaire de faire circuler un volume de gaz beaucoup plus important qu’au ralenti. Comment résoudre une tâche aussi difficile ? Ouvrir les soupapes un peu plus tôt et augmenter la durée de leur ouverture, en d’autres termes, rendre les phases aussi larges que possible. Parallèlement, la phase de chevauchement est généralement d’autant plus large que le régime est élevé, pour un meilleur drainage des cylindres.
Les concepteurs doivent donc concilier un certain nombre d’exigences qui s’excluent mutuellement et faire des compromis difficiles lors du développement et de la mise au point des moteurs. Jugez-en par vous-même. Avec les mêmes phases fixes, le moteur devrait avoir une bonne traction à basse et moyenne vitesse, une puissance acceptable à haute vitesse. Et en plus, percoler au ralenti, être aussi efficace et respectueux de l’environnement que possible. C’est là tout le problème !
Mais depuis longtemps, ces tâches sont aussi faciles à accomplir que d’écraser des pois pour les concepteurs – ils sont capables de modifier les caractéristiques du moteur au point de le rendre méconnaissable en décalant et en changeant la largeur des phases de distribution des soupapes. Besoin d’augmenter le couple ? D’accord. Augmenter la puissance ? Bien sûr. Réduire la consommation ? Pas de problème. Cependant, il s’avère parfois nécessaire de sacrifier certains paramètres pour en améliorer d’autres.
Et si l’on apprenait au mécanisme de distribution des gaz à s’adapter aux différents modes de fonctionnement du moteur ? C’est facile. Heureusement, il existe de nombreux moyens d’y parvenir. L’une d’entre elles est l’utilisation d’un déphaseur – un embrayage spécial capable de faire tourner l’arbre à cames d’un certain angle par rapport à sa position initiale sous l’influence de l’électronique de commande et de l’hydraulique. Un tel système est le plus souvent installé à l’admission. Lorsque la vitesse augmente, l’embrayage fait tourner l’arbre en cours de rotation, ce qui entraîne une ouverture plus précoce des soupapes d’admission et, par conséquent, un meilleur remplissage des cylindres à haute vitesse.
Mais les ingénieurs irrépressibles ne se sont pas arrêtés là et ont développé un certain nombre de systèmes qui permettent non seulement de décaler les phases, mais aussi de les élargir ou de les rétrécir. Cela peut se faire de plusieurs manières, en fonction de la conception. Par exemple, dans le système Toyota VVTL-i, une came supplémentaire au profil modifié entre en action à la place de la came habituelle après avoir atteint un certain nombre de tours (6 000 tr/min). Le profil de cette came définit une loi différente pour le mouvement des soupapes, des phases plus larges et, par ailleurs, une course plus longue. Lorsque le vilebrequin atteint le régime maximum (environ 8500 tr/min), à une vitesse de rotation de 6000-6500 tr/min, le moteur semble trouver un second souffle, capable de donner à la voiture une accélération forte et puissante.
Il est merveilleux de pouvoir modifier le couple et la durée de l’ouverture. Et si nous essayions de modifier la hauteur du relevage ? Après tout, cette approche permet de se débarrasser du papillon des gaz et de transférer le contrôle des modes de fonctionnement du moteur à la commande des soupapes.
Pourquoi le papillon des gaz est-il nuisible ? Il aggrave le remplissage des cylindres à basse et moyenne vitesse. En effet, une forte dépression est créée dans le conduit d’admission sous le papillon fermé lorsque le moteur tourne. À quoi cela conduit-il ? À une forte inertie du milieu gazeux raréfié (mélange air-carburant), à une détérioration de la qualité du remplissage des cylindres, à une diminution de la puissance du moteur et de la vitesse de réponse de la pédale d’accélérateur.
L’idéal serait donc de n’ouvrir la soupape d’admission que le temps nécessaire pour remplir le cylindre avec un mélange de combustion. La réponse des ingénieurs est un système de contrôle mécanique de la levée de la soupape d’admission. Dans ces systèmes, la hauteur de levage et, par conséquent, la durée de la phase d’admission sont modifiées en fonction de la pression exercée sur la pédale d’accélérateur. Selon diverses sources, les économies réalisées grâce à l’utilisation d’un système de commande sans papillon peuvent aller de 8 à 15 %, tandis que l’augmentation de la puissance et du couple est de l’ordre de 5 à 15 %. Mais ce n’est pas tout.
Bien que le nombre et la taille des soupapes aient atteint le maximum possible, l’efficacité du remplissage et du nettoyage des cylindres peut être encore améliorée. Grâce à quoi ? Grâce à la vitesse d’ouverture des soupapes. Cependant, l’entraînement mécanique perd du terrain au profit de l’entraînement électromagnétique.
Quel est l’autre avantage de l’entraînement électromagnétique ? Le fait est que la loi (accélération à tout moment) de la levée des soupapes peut être perfectionnée et que la durée d’ouverture des soupapes peut être modifiée dans des limites très larges. L’électronique, selon le programme configuré, peut ne pas ouvrir de temps en temps des soupapes inutiles et désactiver les cylindres. Dans quel but ? Pour économiser de l’argent, par exemple au ralenti, en conduite stabilisée ou en freinant avec le moteur. Outre les modes, la commande électromagnétique des soupapes est capable de transformer un moteur à quatre temps ordinaire en un moteur à six temps en cours de fonctionnement. Nous nous demandons si de tels systèmes apparaîtront bientôt sur les chaînes de montage.
Il n’est peut-être plus possible d’augmenter encore l’efficacité du moteur grâce à la distribution. Il ne sera possible d’obtenir encore plus de puissance et de couple à partir du même volume avec une consommation moindre qu’en utilisant d’autres moyens. Par exemple, la suralimentation combinée ou des constructions qui modifient le taux de compression, d’autres carburants. Mais il s’agit là d’une toute autre histoire.
Il s’agit d’une traduction. Vous pouvez lire l’original ici : https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
