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LA DISTRIBUTION VARIABLE
Une multitude de distributions variables sont aujourd'hui sur le marché : systèmes de décalage
de l'arbre à cames (2 positions ou continu), de variation de la durée d'ouverture ou de la levée des soupapes, de déconnexion des soupapes…
Et bien sûr, certains systèmes assurent plusieurs de ces fonctions dans un même mécanisme…
C'est parfois du génie. Ce n'est pas toujours facile de s'y retrouver. Auto-innovations vous détaille tous ces systèmes.
L'intérêt de la distribution variable
La première distribution variable a été commercialisée par le constructeur Alpha Roméo au début des années 1980. Son objectif était de permettre une respiration du moteur sur une plus large plage de régime.
En effet, le défaut d'une distribution à calage fixe est de n'être optimale qu'à un seul régime du moteur.
Prenons l'exemple d'un calage de l'admission d'un moteur optimisé pour un régime de 3 000 tr/mn.
La soupape d'admission se ferme lorsque le piston
commence sa remontée. Ce dernier ne refoule pas l'air admis car la masse en
mouvement dans la tubulure d'admission à une inertie suffisante (une vitesse pour simplifier) pour contrer la montée en pression dans le cylindre.
Système VVTL-i de Toyota A plus bas régime, la vitesse de la veine d'air dans la tubulure est plus faible. Le piston met aussi
plus de temps à remonter si bien qu'une partie de l'air repartira dans l'admission avant la fermeture de la soupape. Il faudrait, dans ce cas, fermer la soupape plus tôt.
A plus haut régime, la soupape se ferme alors que la pression de l'air, due à sa vitesse élevée
dans la tubulure d'admission, est encore supérieure à celle qui règne dans le cylindre. Il serait alors souhaitable de retarder la fermeture de la soupape pour optimiser le remplissage du cylindre.
La distribution variable va donc permettre de suivre cette loi du remplissage et, de ce fait,
d'augmenter le couple du moteur à bas et haut régime.
Système Variocam Plus de Porsche
La variation du calage de l'arbre à cames
La variation du calage de l'arbre à cames est généralement réalisée par une rampe hélicoïdale placée entre l'arbre à cames et son pignon d'entraînement.
Un piston hydraulique est lié à la rampe hélicoïdale. Son déplacement permet une rotation de l'arbre par rapport à son pignon (comme un écrou dans sa vis).
1. Pression hydraulique de commande 2. Arbre à cames 3. Rampe hélicoïdale à l'intérieur du pignon d'entraînement : déplacement
longitudinal dû à la pression 4. Rampe hélicoïdale sur l'arbre à cames : rotation par rapport au pignon
Dans le cas du système utilisé par Peugeot (ci-dessus), le décalage peut atteindre 25° (50° au
niveau du vilebrequin). Ce système donne deux positions d'ouverture des soupapes. Les moteurs qui privilégient la performance à haut régime utilisent ce système pour réduire le
manque de couple à mi-régime. Il est à noter que le calage est retardé au régime de ralenti pour améliorer sa stabilité et réduire
les émissions de gaz polluants. Il faut aussi ajouter que la distribution variable est utilisée en priorité pour l'admission.
Le système VANOS Le système VANOS de BMW permet des calages progressifs des soupapes d'admission entre les
positions minimale et maximale. Le piston hydraulique reçoit de la pression sur chacune de ses faces. La position de l'arbre à cames est mesurée par un capteur et les pressions sont gérées par un boîtier électronique.
Evidemment, ce système répond efficacement au besoin de chaque régime. Le système Bi-VANOS permet un calage variable des arbres à cames de l'admission et de
l'échappement.
Porsche n'utilise pas une rampe hélicoïdale mais un piston à palettes pour le décalage.
L'ensemble paraît plus compact pour un résultat identique.
Le Système VVC La palme de la complication revient sans conteste au système VVC de Rover. Il est utilisé pour
l'arbre à cames de l'admission du moteur 4 cylindres 1.8 de la Rover MG. Le VVC, Variable Valve Control, ne réalise pas un décalage de l'arbre à cames mais fait varier
la durée d'ouverture des soupapes. Pour parvenir à ce résultat, il fait varier la vitesse angulaire de la came sur le poussoir. En
d'autres termes, la vitesse de came est différente suivant si cette dernière est face au culbuteur ou à l'opposé.
Temps d'ouverture de la soupape augmenté
Temps d'ouverture de la soupape réduite
La came est ralentie quand la soupape est ouverte
La came est accélérée quand la soupape est fermée
La came est accélérée quand la soupape est ouverte
La came est ralentie quand la soupape est fermée
Pour créer cette variation de vitesse angulaire, une roue a été placée entre l'arbre à cames et son
pignon d'entraînement. Cette roue a la particularité de se désaxer de l'arbre à cames. A l'intérieur de celle-ci, l'entraînement est assuré par un pion coulissant dans une rainure.
La valeur du désaxage de la roue est pilotée par un pignon de commande.
1 - Pignon d'entraînement de la distribution 2 - Partie excentrée 3 - Pignon de commande du désaxage 4 - Arbre à cames du 1er cylindre 5 - Arbre à cames du 2me cylindre
Lorsque le pignon d'entraînement fera un demi-tour (180°), l'arbre à cames ne tournera que de
160°. Il tournera, par contre, de 200° lorsque le pignon d'entraînement fera son demi-tour suivant.
Je sais, pas facile à comprendre. Mais c'est vraiment la distribution à calage variable la plus
compliquée au monde. Le VVC impose l'utilisation d'un arbre à cames par cylindre. L'arbre à cames du deuxième
cylindre passe à l'intérieur de celui du premier. Les arbres à cames des deux premiers cylindres sont entraînés de façon classique par une
courroie dentée côté distribution. Ceux des deux derniers cylindres sont entraînés par l'arbre à came d'échappement à l'autre extrémité du bloc moteur.
Cette distribution variable très particulière a été brevetée en 1973.
Les variations du calage et de la levée des soupapes
Quelques moteurs ne se contentent pas seulement de faire varier les moments d'ouverture et de fermeture des soupapes, mais aussi leurs levées. Les objectifs de chacun des systèmes divergent en fonction des constructeurs.
Toyota utilise un système de culbuteur double : le VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift
with intelligence).
Les deux soupapes d'un même cylindre sont liées au même culbuteur.
Par contre, à l'opposé du culbuteur, chaque bras
s'appuie sur une came de profil différent.
A bas régime et faible charge, le deuxième bras, réservé pour le haut régime, est déconnecté
grâce à un système de piston interne. Le culbuteur ne peut suivre que la came " bas régime ".
Pour le haut régime, une pression hydraulique pousse un piston à l'intérieur du bras du culbuteur. Le bras " haut régime " s'appuie alors sur le piston et impose un mouvement différent aux soupapes.
Le système Variocam Plus Le système Variocam Plus de Porsche utilise trois cames par soupape.
Le profil de la came centrale a des faibles levée (3 mm) et durée d'ouverture.
Cette came est utilisée pour le régime de ralenti et
les faibles charges (légère ouverture du papillon des gaz).
Elle permet de réduire les émissions de gaz polluants
et l'effet de pompage et d'améliorer la souplesse du moteur.
Le profil des cames extérieures, identiques, donne
une durée d'ouverture et une levée des soupapes plus importantes (10 mm).
Elles sont évidemment réservées pour optimiser le
remplissage des cylindres et délivrer le maximum de puissance.
La sélection de la came est décidée par le poussoir.
Ce dernier est équipé d'un piston piloté hydrauliquement. Sans pression sur ce piston, la soupape est commandée directement par la came centrale.
Lorsque la pression fait remonter le piston, la soupape suit le profil des cames extérieures. Chaque soupape est remontée par deux ressorts pour éviter le phénomène " d'affolement ".
Le Système VTEC Honda est certainement le constructeur qui a la plus grande notoriété quant à l'utilisation de la
distribution variable grâce à la famille VTEC (Variable-valve Timing and Electronic-lift Control). Les moteurs actuels utilisent le système i-VTEC qui intègre un calage variable VTC (Variable
Timing Control) et une commande indépendante pour chaque soupape d'admission d'un même cylindre.
A l'opposé du système Toyota, le i-VTEC sépare les mouvements des deux soupapes d'admission à bas régime.
Si le mouvement de la première soupape est
inchangé, la deuxième suit une came qui ne la lève que d'environ 1 millimètre. Autant dire qu'elle est pratiquement fermée.
Cette technique donne un fort effet de
tourbillon de l'air dans le cylindre (effet swirl). Cela a pour objectif d'augmenter la vitesse de combustion. Le résultat est une diminution de la production de gaz nocifs.
Honda CRV
La deuxième soupape est reconnectée à 2 200 tr/mn par un piston qui lie les deux culbuteurs.
Il faut ajouter que le système VTC vient
ensuite modifier le calage de l'arbre à cames à mi-régime pour privilégier la puissance.
Une des évolutions intéressantes du i-VTEC est celle utilisée sur différents modèles comme les
Honda NSX, Acura RSX ou Honda S2000. Les deux soupapes d'admission d'un même cylindre sont commandées par 3 culbuteurs…
Prenons le cas du moteur de la Honda S2000. A bas régime et faible charge, chaque soupape a son propre culbuteur, chacun commandé par sa propre came.
A partir de 5 850 tr/mn (et aussi en fonction de la
position du papillon des gaz), le culbuteur central, qui s'appuie sur une troisième came, vient verrouiller les deux autres culbuteurs. Ce verrouillage s'effectue en 0,1 seconde et est totalement indétectable par le conducteur.
La zone rouge du moteur est à 9 000 tr/mn.
La subtilité de ce système est, qu'en fonctionnement " bas régime ", les deux soupapes ont un
profil de levée différent. Cette technique donne un léger effet de swirl de l'air d'admission dans le cylindre pour augmenter la stabilité de la combustion à bas régime.
Détail du moteur Honda S2000
Le système valvetronic
BMW a lancé une première mondiale au Salon de Genève 2001 : le contrôle de l'admission par les soupapes.
But de l'opération : réduire l'effet de pompage qui pèse lourd dans le bilan énergétique du moteur.
Sur le moteur à essence, le papillon des gaz régulant l'arrivée de l'air est supprimé. L'admission
de l'air est seulement régulée par les soupapes d'admission. Le but de cette technique est de limiter les pertes par pompage lorsque le moteur est à faible
charge. (Définition du "pompage" en fin de dossier). Le principe de fonctionnement
Un levier est placé entre l'arbre à cames et le culbuteur à rouleau habituel.
A forte charge, ce levier est en permanence en
contact avec la came . La descente de la soupape est de 9,7 mm. La soupape est ouverte pendant 250° de vilebrequin.
A faible charge, le levier est éloigné de la came par
l'action du moteur électrique (jaune). Le levier ne suit qu'une partie du mouvement de la came . Le temps d'ouverture de la soupape est plus court et son déplacement peut être réduit jusqu'à 0,25 mm.
Ouverture maximale avec faible demande
de puissance
Ouverture maximale avec une demande de
puissance maximale
Notez la présence d'un papillon des gaz (throttle valve) qui serait utilisé en cas de
dysfonctionnement du système.
La mécanique en détail
Le moteur électrique fait tourner un axe par l'intermédiaire d'une vis sans fin. Il est commandé par un microprocesseur 32 bits/40MHz et réagit en environ 0,3 seconde.
Cet axe déplace le levier grâce à une came :
Suivant sa position, le levier est déplacé totalement ou en partie par la came de l'arbre à cames.
Le contact entre la came et le levier, de
même qu'entre le levier et le culbuteur se font sur des rouleaux. Un ressort assure le rappel du levier.
L'ensemble du mécanisme demande un
précision d'horloger car un écart maximal de 8 microns est accepté pour ne pas créer de dysfonctionnement entre les cylindres.
L'ensemble du système ne pèse que 5 kg. Il faut aussi ajouter que le moment d'ouverture et de fermeture est aussi variable grâce au
système VANOS. Comme vous le devinez, si la perte due au pompage est fortement diminuée, elle n'est pas
totalement annulée puisqu'il y a encore un "frein" au niveau du passage des soupapes. Par contre, si le piston descend lorsque la soupape est fermée, il n'y a pas de perte d'énergie puisque cette dernière est récupérée à la remontée du piston.
Saab a totalement résolu le problème sur son moteur SCC. Mais le moteur Saab est un prototype alors que le moteur BMW est commercialisé depuis juin 2001.
Il y a de la compétition dans l'air...
BMW annonce une baisse de la consommation de 18% au ralenti et de 6% à 3 000 tr/mn. L'avantage du système valvetronic est surtout mesurable en utilisation "faible charge".
Cette technologie a été lancée sur la nouvelle BMW 316ti compact. Le moteur a une cylindrée
de 1,8 litres. Il développe 115 ch. à 5 500 tr/mn et a un couple maxi de 175 Nm dont 160 Nm sont disponibles entre 2 000 et 5 000 tr/mn.
Le pompage ?
Le pompage est le résultat des forces de pression et de dépression au-dessus du piston et qui s'opposent à la rotation du moteur.
Une dépression est créée pendant la phase d'aspiration (descente du piston). Elle est due au
mouvement de l'air freiné par le filtre à air, le volet d'accélérateur et le passage au niveau des soupapes. Le passage au niveau du volet d'accélérateur est le frein le plus important lorsqu'il est peu ouvert et est très préjudiciable au rendement du moteur à faible charge.
La pression est créée pendant la phase d'échappement (remontée du piston) par le passage au
niveau des soupapes et les tuyaux d'échappement.
