Intérêts et enjeux de la distribution variable

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1 UTILISATION RATIONNELLE DE L'ENERGIE DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE ET ENVIRONNEMENT 8ème Cycle de conférences Intérêts et enjeu de la distribution variable 1

2 Intérêts et enjeu de la distribution variable Introduction Méthodes Réalisations Conclusions 2

3 Quelques dates: Introduction 1876 : Premier moteur à allumage commandé : Nikolaus Otto et Beau de Rochas 1893: Premier moteur à allumage par compression Rudolph Diesel 1902: Un premier brevet sur un système de distribution variable Louis Renault 1954: Apparition du premier déphaseur en production de série VCP Alfa Romeo 1989: Apparition en série du système VTEC Honda : "Eplosion" de solutions de moteurs à distribution variable 2001: Le premier moteur sans papillon de gaz en série Valvetronic-Vanos BMW : Prévision: production en série de la distribution électromagnétique 3

4 Introduction Plage de fonctionnement du moteur d automobile sur cycle de conduite NEDC Source IFP Source AVL 4

5 Introduction Distribution fie Lois de levée réelles Loi de levée idéale 5

6 Introduction Distribution variable Variation de la levée Variation combinée de la levée et de la durée Variation du moment de FA (soit précoce, soit tardive) + Variation de la levée Variation du moment de OA (soit précoce, soit tardive) + Variation de la levée 6

7 Introduction Distribution variable Implications - Avantages LA DIAGRAMME DE DISTRIBUTION Pompage Turbulence Remplissage Homogénéisation COMBUSTION Rendement Pollution Puissance 7

8 Introduction LE CONTRÔLE PAR "VANNAGE" Inconvénients: Pertes par pompage Réduction du rapport réel de compression Dégradation énergétique 8

9 Introduction LE CONTRÔLE PAR "REMPLISSAGE" Early Intake Valve Closing Late Intake Valve Closing + Variable intake Valve Lift Cycle Miller - Atkinson 9

10 Intérêts et enjeu de la distribution variable Introduction Méthodes Réalisations Conclusions 10

11 Méthodes 1. Déphaseurs Rôle: Modification d ouverture des soupapes d admission et/ou d échappement sans altérer leurs durées But: Améliorer: - la dépollution - la consommation - les performances Bénéfices EGR interne Stabilité du ralenti Diminution des pertes par pompage Remplissage optimal sur une plus grande plage de régime Contrôle réponse Turbo en régimes transitoires 11

12 Méthodes DEPHASEURS Position Construction Fonctionnement Admission DOHC Renault Mercedes Alfa Romeo Échappement DOHC GM Admission Échappement Aubes Renault Toyota Rampe hélicoïdale Alfa Romeo Peugeot Honda Chaîne Porsche Subaru Min-Ma (commutable) En continu Dual VVT DOHC Bmw Leus Electro-hydraulique par UCE injection Pilotage Electrique par UCE injection SOHC Honda Mitsubishi Renault OHV GM 12

13 Méthodes 2. LEVEE ET DUREE VARIABLES Commutables Honda VTEC-E, i-vtec Toyota VVTLi Mitsubishi MIVEC Porsche VarioCAM Audi Valvelift Bmw Valvetronic - Vanos Nissan VEL Delphi VVA Honda Advanced VTEC Fiat INA UniAir En continu 13

14 Méthodes DISTRIBUTION VARIABLE - Cahier des charges 1. Pièces caractérisées par une compleité acceptable. 2. Adaptation au différentes architectures de culasses. Encombrement acceptable 3. Cinématique stable cycle par cycle et cylindre par cylindre 4. Énergie réduite nécessaire à l entraînement de la distribution 5. La capacité de désactivation des soupapes et à la limite la désactivation des cylindres 6. Très bon temps de réponse 7. Sans maintenance pendant tout la durée de vie 8. Surcoût acceptable 14

15 Intérêts et enjeu de la distribution variable Introduction Méthodes Réalisations Conclusions 15

16 Groupe 1: DÉPHASEURS Variable Cam Phaser Fonctionnalité: Décalage maimum entre les arbres de distribution et le vilebrequin: V Temps de réponse: ms Gains: Augmentation du couple moteur 6 à 10% et de la puissance 5% Réduction du ralenti d environ 7% Dépollution: NO 40% et HC 25% 16

17 Déphaseur à rampe hélicoïdale Pilotage Electro-hydraulique par UCE Injection en fonction des paramètres moteur Constructeurs: PSA, Mercedes, Ford, GM, BMW, Porsche etc. 17

18 Déphaseur à aubes Constructeurs: Renault, Toyota etc. 18

19 Déphaseur piloté électriquement Leus LS 460, modèle 2006, moteur V8 Réalisations Gains Amélioration du démarrage moteur et de la montée en température Fonctionnement même à partir du ralenti 19

20 Groupe 2: LEVEE ET DUREE VARIABLES Variable Valve Timing and Lift Systèmes commutables (tout ou rien) Système à variation en continu 20

21 Honda VTEC Variable valve Timing and lift Electronic Control 21

22 Honda VTEC-i 3 stages = VTEC 3 stages + déphaseur Honda Civic IMA Hybrid 22

23 Toyota VVTLi Variable Valve Timing and Lift with intelligence Gain de couple de 22% pour les régimes au dessus de 6000 tr/min Temps de glissement du verrou 20 ms 23

24 Mitsubishi MIVEC Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control SOHC. Performances semblable au moteur IDE et stratification de la charge Diminution de la pollution de 25% par rapport au limites de la législation japonaise Gain de consommation de 30% pour le ralenti et de16% en mode ville pour le MIVEC MD 24

25 Porsche Variocam Plus Levée mini 3,6 mm Levée mai 11 mm Variation du moment d ouverture 40 V 25

26 Économie de carburant de 13 % et Diminution des HC d environ 45% pour le ralenti Réalisations Porsche Variocam Plus Augmentation de la stabilité de la combustion en faible régime et charge partielle Gain des performances de 13,5 % pour le couple maimum Une dépollution remarquable rapportée à EURO IV: 54% HC, 30% CO, 24% NO Le passage entre les deu modes de fonctionnement nécessite 60 ms 26

27 Audi Valvelift Levée mai = 11 mm, Levée moyenne = 5.7 mm, Levée mini = 2 mm Temps de réponse = 1 cycle moteur Course aiale de la douille = 7 mm 27

28 BMW Valvetronic Apparition en 2001 : BMW 316 Le premier moteur en série sans papillon de gaz! Levée = 0,3 9,7 mm Variation OA = 60 RAC 28

29 BMV Valvetronic Réduction importante des pertes par pompage par la stratégie EIVC Économie de carburant: 30% au ralenti et sur NEDC 15% pour le moteur 1.8 l Dépollution: Euro IV pour λ = 1 et TWC Bonne réponse du moteur à l accélération Temps de réponse de 300 ms entre levée mini et mai Le levier nécessite une grande précision : 8 µm 29

30 Nissan VEL Variable Valve Event and Lift Mécanisme desmodromique Levée mini = 1,4 mm Durée mini = 120 V Levée mai = 11,1 mm Durée mai = 280 V Économie de carburant d environ 10 % conforme au cycle urbain japonais Diminution de 75% pour HC en démarrage à froid par la stratégie LIVO en utilisant un déphaseur Régime maimum du moteur à 7200 tr/min Diminution d environ 70% d énergie à l entraînement de l arbre à cames dans des faibles régimes 30

31 Delphi Levée = 0-9 mm Durée = V Déphasage angle levée mai = 0-80 V 31

32 Delphi Économie de carburant d environ 12% pour une fonctionnement à λ = 1 Augmentation du couple moteur de 11% pour certains points de fonctionnement Temps de réponse de 300 ms entre 0 et 9 mm levée de soupape Diminution d énergie à l entraînement de l arbre cames sur les faibles régimes Le gabarit de culasse n est pas affecté 32

33 Advanced VTEC - Honda Variable valve Timing and lift Electronic Control 1. Ensemble levier, 2. Culasse, 3. Soupape, 4. Siége de soupape, 5. Ressort, 6. Tulipe de soupape, 7. Came d admission, 8. Arbre à cames, 9. Culbuteur à rouleau, 10. Levier à rouleau, 11. Cylindre oscillant, 12. Pièce intermédiaire, 20. Articulation du levier, 21. et 22. Rouleau, 24. et 25. Engrenage, 32. Rampe de culbuteurs Stratégie EIVC ( par déphaseur) Économie de carburant ~ 13% Dépollution ULEV 33

34 HARA VVLT Variable Valve Lift and Timing OHV OHC 34

35 HARA VVLT Variable Valve Lift and Timing Masse réduite Ralenti stable à 600 tr/min Gain de consommation de carburant au ralenti ~ 30 % Possibilité de contrôle du moteur en l absence du papillon de gaz Diminution d énergie à l entraînement de l arbre à cames dans les faibles régimes 35

36 PATTAKON CVVA Continuously Variable Valve Actuation Ralenti stable entre tr/min Régime mai 7000 tr/min 36

37 Fiat UniAir Régime maimum de fonctionnement environ 7000 tr/min Gain de consommation de carburant 13% Contrôle de la charge cylindre par cylindre Diminution d énergie à l entraînement de l arbre à cames dans les faibles régimes 37

38 CAMLESS Distribution électrohydraulique - HVA Pression d huile maimale bar Possibilités de fonctionnement avec différentes lois de distribution (polynomiales, trapézoïdale, triangulaire) Possibilités d ouvertures multiples sur cycle Possibilité de désactivation des soupapes et à la limite des cylindres 38

39 CAMLESS Distribution électromagnétique EVA Tension d alimentation V Temps de commutation entre ouverture et fermeture de soupapes d environ 3 ms Possibilité de désactivation des soupapes et à la limite des cylindres Économie de carburant 10% 39

40 SYNTHESE Critères Solutions BMW Valvetronic NISSAN VEL DELPHI VVA HONDA Advanced VTEC HARA VVL PATTAKON VVL FIAT UniAir HVA EVA Levée variable Durée variable Avance variable Rapport de transmission variable Lost motion Cam oscillante Desmodromique X Camless 40

41 Intérêts et enjeu de la distribution variable Introduction Méthodes Réalisations Conclusions 41

42 Conclusions Moteur à distribution variable Étapes d évolution du moteur essence Allumage Carburation Distribution Variable Économie d énergie + Réduction émissions 42

43 Conclusions Potentiel de la distribution variable Source IFP 43

44 Références

45 UTILISATION RATIONNELLE DE L'ENERGIE DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE ET ENVIRONNEMENT 8ème Cycle de conférences Intérêts et enjeu de la distribution variable adrian.biziiac@daciagroup.com adi.clenci@upit.ro podevin@cnam.fr 45