Technique Le système UniAir de INA
Sommaire page 1. Introduction 3 2. Les avantages du système UniAir 4 3. Conception et fonctionnement 6 3.1 L actuateur UniAir 6 3.2 Les électrovannes de commande 11 3.3 Capteur de température pour la viscosité de l huile moteur 13 3.4 Caractéristiques 13 2
1. Introduction Malgré l hybridisation et l électrification croissante des systèmes de propulsion des véhicules, le moteur à explosion continuera à l avenir de jouer un rôle déterminant dans l industrie automobile. La sévérité accrue des valeurs limites d émission de CO2 fait de l optimisation du moteur à explosion un objectif prioritaire de l industrie automobile. L optimisation de la consommation est la tendance principale comparé d une part aux véhicules «low cost», à l éléctrification et à l hybridation des voitures. Une des pistes technologique pour atteindre les objectifs ambitieux de consommation et d émissions que se sont assignés les constructeurs est l utilisation de commandes variable des soupapes. Les tendances principales de l industrie automobile g Réduction des émissions de CO2 et de la consommation de carburant g Régulation des émissions g Optimisation du moteur à explosion Véhicules low-cost Electrification / hybridisation Le groupe Schaeffler développe depuis quelques années différents types de commandes variables de soupapes. L entreprise a constaté très tôt que les systèmes mécaniques de commandes de soupapes entièrement variables ne permettront pas de répondre de manière optimale aux défis de flexibilité de la commande des soupapes des moteurs. C est pour cette raison que le groupe Schaeffler a acquis, dès 2001, les droits de licence du système le plus prometteur de la commande flexible des soupapes, à savoir le système UniAir. La présente brochure est consacré au système UniAir de commande entièrement variables des soupapes. 3
2. Les avantages du système UniAir 2. Les avantages du système UniAir Commande des soupapes Phasage Levée des soupapes en continu g hydraulique g électro-mécanique discret g deux levées g poussoir à attaque directe piloté g butée hydraulique g bras intermédiaire g abre à came piloté g poussoir à galet g trois levées g levier intermediaire g arbre à came piloté en continu g électrique g mécanique g valvetronic g Hydraulique g UniAir Le système variable de commande de soupapes est l une des technologies clés pour la mise en oeuvre des stratégies d émissions Low-CO2. Les commandes des soupapes variables existantes à ce jour sont souvent réalisées par un décalage simultané de la courbe d ouverture et de fermeture (décalage des phases) et / ou une levée variable des soupapes d admission. Lors du déphasage, la position relative de l arbre à came par rapport au vilebrequin est modifiée, par ex. par un rotor de décalage hydraulique. Ce qui permet d influencer le recyclage des gaz d échappement ainsi que le taux effectif de compression. Avec la levée variable des soupapes, la levée est modifiée, par ex. par l action d un servomoteur actionnant un arbre excentrique. Les systèmes à levées variables éxistent en configuration à deux ou trois levées, mais aussi comme systèmes totalement variables. Levée des soupapes, point d ouverture et de fermeture des différents systèmes. Comparaison graphique levée Modification des points d ouverture et de fermeture de la soupape d admission par un déphasage. levée temps Modification du point d ouverture et de fermeture de la soupape d admission par un déphasage associé à une levée variable des soupapes. levée temps Levée totalement variable des soupapes avec le système UniAir. temps 4
Avec le système UniAir, il est possible pour la première fois de modifier non seulement la levée, le point d ouverture et de fermeture des soupapes mais aussi la durée d ouverture et le nombre d ouvertures de celles-ci. Le système UniAir permet donc, pour chacun des cylindres indépendamment lors de la séquence d admission d ouvrir et de refermer à plusieurs reprises les soupapes d admission en fonction de l état de charge du moteur et des éxigences du conducteur. Il est ainsi possible de réaliser un ajustement précis entre le besoin en énergie et l énergie mise en œuvre et d obtenir de ce fait un accroissement du rendement énergetique. UniAir devient ainsi la première commande de soupapes totalement variable et en continu. Sur les moteurs à essence conventionnels à commande par boitier papillon, lors de la mesure de la quantité d air appropriée, jusqu à 10 % de la quantité de carburant utilisée est détruite sous la forme d énergie servant à aspirer l air dans le cylindre contre la résistance du boitier papillon. En revanche, dans le cas de l utilisation d une commande totalement variable des soupapes, le boitier papillon peut rester complètement ouvert ou même être supprimé et l air peut alors être aspiré sans entrave dans la chambre de combustion durant la phase correspondante d aspiration. Avec UniAir, la quantité d air requise pour chaque état de fonctionnement est régulée directement dans les conduites d admission des différents cylindres par le contrôle de la durée ou de la géométrie de l ouverture des soupapes. Ceci est un facteur décisif pour la réalisation de la réduction des émissions de CO2. UniAir-Aktuator Les autres avantages de la commande de soupapes UniAir sont une réduction de la consommation de carburant, une augmentation de la puissance et du couple moteur ainsi qu une amélioration de la réactivité du moteur. La première application série fut réalisée dès septembre 2009 avec l Alfa Romeo Mito 1.4 litre Fire sous la désignation de Fiat «MultiAir». Entre temps, cette nouvelle technologie est présente également sur les Alfa Romeo Giulietta, Fiat Bravo, Fiat Punto EVO et Lancia Delta, avec la même appellation, ainsi que sur les Fiat 500 et Lancia Epsilon avec l appellation «TwinAir». 5
3. Conception et fonctionnement 3.1 L actuateur UniAir L actuateur UniAir commande l ouverture et la fermeture des soupapes d admission. L arbre à cames d admission est supprimé, en lieu et place sur la culasse est monté l actuateur UniAir. Les cames d admission sont positionnées sur l arbre à cames d échappement et actionnent ce que l on appelle les pistons de pompe. Pour chaque cylindre, il y a dans l actuateur UniAir, un actionneur (unité de pompage) qui commande avec l huile moteur de manière hydraulique les soupapes d admission. Selon la configuration du moteur (8 soupapes ou 16 soupapes) une pompe (actionneur) entraîne une ou deux soupapes d admission par cylindre. L entraînement mécanique de l actuateur UniAir s effectue au moyen de cames spécialement configurées sur l arbre à came d échappement. La commande électronique de celui-ci s effectue au moyen du module d asservissement du moteur. Ce qui permet de réaliser un moteur à essence sans boitier papillon, avec une commande de soupapes totalement variable et une charge d asservissement du moteur controlée par logiciel et couvrant l ensemble de la cartographie du moteur. Cette huile est contenue dans ce que l on appelle la chambre à haute pression. Le volume de cette huile peut être modulé au moyen d une électrovanne à 2x2 voies. Dans le cas d une électrovanne fermée, l huile agit comme une tige rigide de poussoir hydraulique. Dans le cas d une électrovanne ouverte, l huile moteur s écoule par le canal de circulation d huile dans la chambre à moyenne pression et l accumulateur de pression; les cames et soupapes sont désaccouplées. Durant la période au cours duquel les cames se trouvent sur le rayon du cercle de base, l accumulateur mécanique de pression permet de reconduire l huile dans la chambre haute pression qui s y était précédemment échappé. L alimentation en huile a également pour fonction de compenser les faibles déperditions d huile et de remplir a nouveau l ensemble du volume en huile pour le cycle moteur suivant. A la différence des commandes de soupapes conventionnelles ou électromécaniques, la transmission des profils de came à la soupape d admission du moteur ne s effectue pas au moyen d un élément rigide (comme par exemple par un poussoir à attaque directe ou par un linguet), mais par un volume défini d huile. 6
Constitution de l actuateur Chambre de moyenne pression avec arrivée et écoulement d'huile Accumulateur de pression Élément de pompage Chambre haute pression Vanne magnétique Unité de réception avec frein hydraulique (butée de fin de course) Arbre à came d échappement Linguet à rouleaux Les moteurs à commande conventionnelle des soupapes ouvrent et ferment toujours la soupape d admission selon l ensemble du profil défini de la came. Avec le système UniAir, le déplacement des soupapes est totalement découplé du profil de came par la chambre de haute pression. La levée complète de la soupape selon l ensemble du profil de came n est éffectif que quand l électrovanne de commande est fermée durant l ensemble de la durée. L huile moteur est dirigée directement vers l unité de frein et la soupape d admission s ouvre. Lors de la fermeture, afin d éviter, une percussion des soupapes sur le siège, chaque soupape du moteur dispose d un frein hydraulique (butée de fin de course). Celui-ci réduit la vitesse de rapprochement des soupapes. Juste avant que la soupape atteigne son siège, le frein hydraulique (la butée de fin de course) intervient et permet un contact régulier et adoucis de la soupape avec son siège. Ce qui permet de ménager le matériau des sièges de soupapes et d assurer une plus grande longévité. En outre, ce dispositif permet de réaliser une compensation hydraulique du jeu de la soupape. Le découplage du mouvement des soupapes du profil des cames permet aussi d obtenir une levée nulle. Dans ce cas, l électrovanne de commande reste ouverte durant toute la durée du cycle et la soupape d admission est fermée. L huile moteur s écoule par un canal de circulation d huile et par l électrovanne de commande ouverte dans la chambre de moyenne pression et dans l accumulateur de pression. De la levée maximale à la levée nulle, il est possible de réaliser, en continu, entre ces deux levées de base des soupapes, un nombre indéfini de levées variables des soupapes. Dans ce cas par exemple, une fermeture retardée de l électrovanne de commande entraîne une ouverture retardée de la soupape d admission, et l ouverture avancée entraîne une fermeture avancée de la soupape d admission (voir graphique page 8). Les deux mouvements sont indépendants les uns des autres et permettent de varier la levée de la soupape et le nombre de levées de soupapes au cours d un temps d admission du moteur. 7
3. Conception et fonctionnement En fonction des nécessités du point d ouverture et de fermeture ainsi que de la durée d ouverture des soupapes d admission, l électrovanne de commande sera fermée ou ouverte de façon variable. Les paramètres des différents états de charge sont mémorisés dans la cartographie de l unité de commande du moteur. Levée des soupapes en fonction de l état de l électrovanne de commande Levée complète Levée Fermeture avancée des soupapes d admission Levée Etat de l éléctrovanne de commande Levée de soupape Levée de soupape Ouvert Fermé Ouvert Temps Etat de l éléctrovanne de commande Ouvert Fermé Ouvert Temps Ouverture retardée des soupapes d admission Levée Levée nulle Levée Levée de soupape Levée de soupape Etat de l éléctrovanne de commande Ouvert Fermé Ouvert Temps Etat de l éléctrovanne de commande Ouvert Temps En règle générale lors de l utilisation quotidienne des véhicules, une levée complète des soupapes d admission est rarement nécessaire. La levée complète des soupapes durant toute la séquence, c est à dire une levée anticipée combiné à une fermeture retardée des soupapes d admission lors de la levée maximale, n est nécessaire que si le conducteur exige du moteur des performances maximales. Ceci est uniquement le cas lors d une demande simultanée d un régime moteur élevé et d un couple important. 8
Levée des soupapes en fonction de l angle du vilebrequin Performance maximale Ralentit moteur Échappement Levée maximale Admission Échappement Ouverture retardée de l admission (ORA) Admission Levée de soupape Levée de soupape Angle du vilbrequin Angle du vilbrequin Couple moteur à faible vitesse de rotation Cycle urbain Échappement Fermeture avancée de l admission (FAA) Admission Échappement Levée multiple Admission Levée de soupape Levée de soupape Angle du vilbrequin Angle du vilbrequin Une exploitation plus efficace de l énergie mise en œuvre, exige dans tous les autres états de charge, un temps d ouverture des soupapes réduit, soit une levée réduite ou une levée multiple des soupapes d admission. Le temps d ouverture étant plus bref, la bonne quantité d air est aspirée soit une quantité moindre, ce qui permet de réduire les pertes de pompage. 9
3. Conception et fonctionnement Représentation schématique de la commande des soupapes en fonction du couple et du régime moteur Couple Couple maximum Rendement volumetrique maximum g Fermeture avancée des soupapes (ouverture réduite des soupapes) Puissance maximale g Levée maximale g Fermeture retardée des soupapes (longue ouverture des soupapes) g Recoupement maximal des levées de soupapes Optimisation de la combustion Optimisation de la combustion g Levée multiple (déplacement de charge) Régime moteur 10
3.2 Les électrovannes de commande Les éxigences de précision requises du système UniAir pour toujours garantir la même levée de la même soupape ou pour le même actuateur tout le long de la culasse sont éxtrèmement élevées. Le respect des tolérances de tous les composants sont de ce fait très important, à commencer par les éléments de pompage jusqu au frein hydraulique (de fin de course). Les électrovannes de commande jouent un role primordial dans l ensemble du système et servent d élément de positionnement pour chaque courbe de levée de soupape requise. Lors de la configuration de ce nouveau type d électrovanne de commande, les exigences de temps d activation et de désactivation, la précision du temps d activation ainsi que la durabilité ont constitué des défis particuliers. L architecture du système conditionné par une électrovanne de commande «normalement ouverte» implique que l électrovanne de commande doit être actionnée une fois par rotation de l arbre à came, et dans le cas d une utilisation à levée multiple une activation multiple. Pour assurer le remplissage complet de la chambre de haute pression et, par conséquent, avoir la possibilité d une levée maximale des soupapes au cours du temps de charge du cycle suivant, l électrovanne de commande sera ouverte brièvement après chaque cycle afin d assurer la phase de remplissage. En mode à levée multiple, après la première ouverture, le systéme doit assurer que l induit dans l électrovanne de commande retrouve à nouveau sa position de repos avant que l électrovanne de commande soit activé une seconde fois. C est pourquoi l alimentation pour la seconde activation ne peut se produire qu env. 2 ms après que l induit ait atteint la position de repos. Les graphiques ci-dessous montrent la courbe de commande de l alimentation pour une électrovanne de commande et la courbe de levée de soupape moteur correspondante. Les graphiques présentent la comparaison des courbes pour une fermeture avancée des soupapes d admission et la courbe de levée maximale des soupapes. Pour la réalisation d une électrovanne de commande qui soit la plus rapide possible, avec une consommation de courant la plus faible possible, une stratégie spéciale d activation pour le courant d activation a été retenu. La courbe de courant se décompose en plusieurs séquences. A partir de l état non alimenté, avant l activation désiré de l électrovanne de commande, est établit ce qui est appelé le courant de pré-polarisation. Celui-ci réalise une pré-magnétisation de l électrovanne de commande, mais n active pas encore. Pour assurer un processus d activation rapide et précis, à l instant de l activation proprement dit, l électrovanne de commande est activé par un courant d une intensité maximale surélevée. Le point du temps d activation est déterminé par le logiciel en fonction de l état de fonctionnement du moteur. Après que l électrovanne de commande ait été complètement activée, l alimentation électrique est réduite au courant de maintien qui maintien celle-ci dans l état fermé. Le logiciel détermine alors, à nouveau, le moment de la coupure complète du courant. De cette manière, l électrovanne de commande s ouvre à nouveau. Mode fermeture avancée des soupapes d admission Mode ouverture retardée des soupapes d admission Objectif angulaire et mode Levée Fermeture avancée des soupapes d admission Ouverture retardée des soupapes d admission Courant Électrovanne de commande ouverte Électrovanne de commande fermé Électrovanne de commande ouverte Électrovanne de commande ouverte Électrovanne de commande fermé Électrovanne de commande ouverte 11
3. Conception et fonctionnement La précision des angles d ouverture et de fermeture des soupapes du moteur est extrêmement importante pour le fonctionnement du système. La précision de temps d activation des électrovannes de commande contribue également de manière déterminante au fonctionnement du système. Dès le montage des électrovannes de commande et de leurs sous-ensembles, différentes valeurs de fonctionnement sont mesurés pendant la production, comme par ex. le débit et les temps d activation. En outre, les ensembles sont réglés de manière à ce que les valeurs de fonctionnement soient situées dans les limites requises. De plus, afin d optimiser la précision des temps d activations, une fonction de compensation correspondante est réalisée. Cette fonction est active durant la totalité de la durée de vie du produit et agit ainsi également contre les changements de temps d activation consécutifs au vieillissement. Ceci assure une égalisation optimale du remplissage des cylindres. Pendant la durée de vie du système, l électrovanne de commande est activée env. 330 millions de fois. Réaliser ce nombre de cycles d activations, dans la précision requise, constitue une contrainte énorme pour l électrovanne de commande. Ce nouveau type d électrovanne de commande a été développé, avec le concour des dernières méthodes de conception et de simulation depuis la phase de conception jusqu à la maturité série, en coopération avec Continental Automotive Systems. Au cours de nombreux tests de fonctionnement et de durée de vie, aussi bien sur banc d essai des composants, que sur banc d éssai du système ainsi que sur le véhicule, la fonctionnalité a été vérifiée avec la plus grande précision et l électrovanne de commande intégré dans l ensemble du système. Les électrovannes de commande sont pilotés individuellement par le logiciel de commande au travers des paliers finaux correspondants. La tâche du logiciel de commande est de mettre en oeuvre les valeurs requises par la gestion du moteur, selon des modes définis, ainsi que des angles d ouverture et de fermeture des soupapes du moteur. Dans ce cas, il tient compte des différents facteurs d influence sur le comportement du système afin de déterminer le moment éxact d activation des électrovannes de commande. De cette manière, les temps d activation requis des soupapes moteurs sont «atteints». Dans un premier temps, il s agit d indiquer les temps d activation et de désactivation de chaque électrovanne de commande. Elles sont contrôlés individuellement à l aide des courbes de courant lors de chaque processus d activation et controlé individuellement pour chacun des cylindres, pour être ensuite réajustés au moyen de cartographies dans la commande du moteur, en fonction de l état de fonctionnement de celui-ci. La reconnaissance de la courbe de courant sur l ensemble des plages de température exigées et la viscosité d huile correspondante constitue en l occurrence le défi particulier. Afin de guarantir cette fonctionnalité, l ensemble des composants de l électrovanne de commande doivent être calés entre eux avec la plus grande précision. La conception du système et les caractéristiques de la courbe de levée des soupapes est définie, à coté de l électrovanne de commande, également par la conception du système et la géometrie de ces composants auxquels appartient par ex. le frein hydraulique (butée de fin de course). Il s agit dans ce cas de l unité de réception, qui transforme la pression hydraulique au travers d un élément de compensation hydraulique du jeux des soupapes en mouvement de la soupape moteur. Dans la mesure où la fermeture de la soupape moteur est toujours réalisée indépendamment du contour de la came, celle-ci n est pas freinée mécaniquement lors de la fermeture de la soupape. De grandes vitesses de fermeture des soupapes, qui d une part son responsable de l augmentation du niveau sonore et d autre part peuvent entrainer des détérioration des soupapes, sont évitées avec l aide de géometries hydrauliques de commande qui permettent de freiner la soupape en fin de course ballistique de fermeture par le guidage du piston de freinage. À l opposé de grande vitesse d ouverture sont atteinte, dans la mesure ou le frein (butée de fin de course) est activé par un clapet spécial anti-retour. Par la conception correspondante de tous ces composants, tant la fermeture au bon moment de la soupape moteur lors de conditions climatiques hivernales (jusqu à -30 C en Europe et -35 C aux USA), ainsi que la faible vitesse de fermeture de la soupape avec une huile moteur chaude est guarantie. 12
3.3 Capteur de température pour la viscosité de l huile moteur Le mouvement de soupape et, tout particulièrement, la fonction du frein (butée de fin de course) est également déterminée par des paramètres d environnement et de fonctionnement comme, par ex., le régime du moteur ou la viscosité de l huile. Pour tenir compte de ces valeurs, le système de commande a également besoin de ces informations. Notamment pour le démarrage à froid et par la suite pour le réchauffement interne du système, il est indispensable de suivre avec attention la viscosité de l huile. A cet égard, le capteur de température, en tant que technologie de capteur additionnelle, est un élément constitutif important du systéme. Le capteur mesure en temps réel la température de l huile dans la chambre de haute pression de l actuateur et fournit à l unité de commande une valeur importante pour la détermination de la viscosité de l huile. Dans ce cas, la mesure de la température de l eau de refroidissement et de l huile moteur éxistant sur le moteur n est pas assez rapide. Le capteur de température avec coefficients de température négatifs est pour cette application tout particulièrement étalonné pour une utilisation á des températures basses et posséde un temps de réaction maximum de 1,4 secondes. Attention : D une manière générale, il est particulièrement important de toujours utiliser l huile moteur recommandée et homologuée par le constructeur. L utilisation d une huile non adaptée peut entraîner des disfonctionnements et, dans les cas éxtrémes, empêcher le démarrage du moteur. 3.4 Caractéristiques Récapitulatif des principales caractéristiques du système UniAir : g réglage en continu de la levée variable des soupapes g réglage en continu du temps d ouverture et de fermeture des soupapes g possibilités d ouvertures multiples des soupapes au cours d un cycle de moteur à quatre temps g augmentation la performance jusquá 10% g augmentation de couple à bas régime jusqu à 15% g un facteur de sécurité très élevé, dans la mesure ou aucune casse moteur n est possible dans le cas d un dysfonctionnement g réduction jusqu a 10% des émissions de CO2 et réduction de la consommation 13
Notes Notes 14
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