Le dispositif de distribution variable

visite(s)

Dispositifs de distribution variable
Intelvalve - AACV

MB Engine a été créé dans le but de développer les deux classes de mécanismes de distribution variable brevetés par MB bien auparavant. Les améliorations apportées donneront lieu à un brevet de perfectionnement pour chacun des mécanismes au moment de l’industrialisation.

Aucune vue des plans ou des pièces ne peut donc être montrée sauf accord de confidentialité signé entre les parties.

Dispositif Intelvalve

La classe du mécanisme Intelvalve se caractérise par l’utilisation d’une chaîne cinématique à deux cames; une came rotative actionnant une came alternative.

Le moteur essence à distribution variable Intelvalve

Pour remédier aux problèmes du compromis de la loi d’ouverture des soupapes d’admission et de la régulation de la charge par vannage, en extension de mes travaux de doctorat sur la distribution variable, j’avais conçu puis breveté en 1981 un dispositif de commande de soupapes à durée d’ouverture et levée de soupapes variables.

Le système utilise une chaîne cinématique à deux cames. Une came rotative communique le mouvement à une came alternative. En utilisant, avec l’arbre de commande, tout ou partie du profil de la came alternative, on obtient la famille des levées de soupapes représentée et les familles des vitesses et accélérations correspondantes. On peut ainsi faire varier la durée d’ouverture et la levée des soupapes selon les valeurs requises à chaque point de fonctionnement du moteur.

L’utilisation de linguets doubles à ehrjs miniaturisés diminue le nombre de pièces elles mêmes miniaturisées, aboutissant à une architecture du haut moteur très compacte, comparable à celle d’un moteur à distribution conventionnelle.

Le linguet à ehrjs contribue à la bonne répétabilité des lois de levées entre les cylindres tout au long de la vie du moteur. En effet, l’ehrjs rattrape le jeu soupape fermée en maintenant le galet en contact sur le cercle de base de la came alternative toujours au même point pour une levée donnée. Ce n’est pas le cas avec un linguet à butée hydraulique qui en s’inclinant vers le haut ou vers le bas selon que la butée s’enfonce ou s’allonge, modifie un peu la position du galet sur le cercle de base, empêchant une bonne répétabilité des levées d’un cylindre à l’autre, préjudiciable pour la petite levée (étalement 60 degrés vilebrequin – levée max 0.3mm) du ralenti uniquement dont la stabilité est perturbée.

La première version du système Intelvalve a été validée par des essais d’une centaine d’heures sur une maquette électrique monocylindre avant des essais en 1980 sur le moteur essence monocylindre de recherche IFP-Renault-CNRS utilisé pour mes travaux de thèse avec des gains de consommations maximum de l’ordre de 30% aux faibles charges.

En 2007, Une version du système Intelvalve à linguets individuels à fait l’objet d’essais au moyen d’un démonstrateur entraîné sur le banc distribution de Danielson Engineering (DE), l’ensemble étant entièrement conçue par MB Engine, démontrant le fonctionnement correct du mécanisme,

En 2009, les essais sur le banc distribution de DE d’une culasse spécifique à 16 soupapes entièrement conçue par MB Engine et équipée du même mécanisme à l’admission, avec l’actionneur d’asservissement de la commande, ont validé le bon fonctionnement du dispositif et de son asservissement, confirmant les résultats du démonstrateur monocylindre.

En 2010, la version du système Intelvalve à linguet double également entièrement conçue par MB Engine a fait l’objet d’essais en version monocylindrique sur le banc distribution de DE, validant son bon fonctionnement.
A partir de 2011, MB Engine a disposé de son propre banc distribution pour réaliser ces essais.

En 2020, la commande et le rappel de la came alternative du système Intelvalve ont été simplifiés améliorant encore l’implantation dans la culasse.

Avec le moteur essence à distribution Intelvalve, il devient possible d’envisager une nouvelle génération de moteur atmosphérique avec une plage de fonctionnement plus étendue et un grand potentiel d’améliorations des performances. Remédier aux problèmes du compromis de la loi d’ouverture des soupapes et de la régulation de la charge par vannage, constitue avec la gestion électronique (de l’allumage – de l’injection – de la dépollution avec pot catalytique et sonde lambda) les deux principales évolutions du moteur essence depuis plusieurs décennies.

Objectifs de performances :

Puissance spécifique 110 ch/l ou 81 kw/l à 7000 tr/mn (critères de régime de rotation : Nécessité d’un régime de puissance contenu pour un moteur de grande diffusion – loi des pertes mécaniques quasi linéaire avec le régime)

Puissance spécifique 110 ch/l ou 81 kw/l à 7000 tr/mn

Couple spécifique 12 daN.m/l à 5000tr/mn - 9.5 daN.m/l à 1500 tr/mn.

Puissance massique 2.75 ch/kg ou 2 kw/kg – masse spécifique 40kg/l

Consommation à pleine charge : minimale 155 g/chh ou 210 g/kwh soit le rendement effectif de 39% =1kwh/(12.2 kwh/kg x 0.21kg) à pleines charges sur 82% de la plage d’utilisation (voir aperçu du moteur Matra).

Consommation à la puissance maximale 170 g/chh ou 170/0.736=231 g/kwh soit le rendement effectif de 36%.

Pour atteindre ces résultats en rupture avec les moteurs actuels, MB Engine s’appuie sur deux bases solides.

Le système Intelvalve qui est en avance par sa miniaturisation et par son nombre inférieur de pièces sur ses concurrents Valvetronic de BMW et Valvematic de Toyota. Il procure une réduction de la masse mobile ramenée à la soupape par rapport aux commandes de soupapes classiques des culasses à linguets et butées hydrauliques.

Il autorise également une architecture compacte de culasse avec un encombrement comparable à celui des culasses des moteurs modernes contribuant au total avec sa puissance spécifique, aux plus intéressantes possibilités de dowsizing.

S’il se révèle être le composant déterminant et nécessaire de cette nouvelle génération de moteur, il ne suffit cependant pas pour obtenir les performances visées qui réclament des progressions significatives de l’aérodynamique interne, de la définition de la chambre de combustion à très haut rapport volumétrique, du rendement mécanique et de l’allègement.

Toutes ces améliorations relèvent du savoir faire en usage dans les moteurs atmosphériques de Formule1.

Pour mettre en œuvre ces nouveaux moteurs, MB Engine associera au système Intelvalve, toute la connaissance indispensable des moteurs de Formule1, acquise pendant 16 années de pratique dont 12 à Peugeot Sport et 4 à Matra Sport à l’époque du V12 de Formule1. En particulier, l'aérodynamique interne dont MB a eu la responsabilité pour tous les V10 Peugeot et qui concerne la définition de la chambre de combustion, des conduits d'admission et d'échapement incluant les tubulures (aux moyens de logiciels de sa conception servant de données pour alimenter la CAO) et de leurs optimisations aérodynamiques en soufflerie y compris celle des soupapes.
Notons pour fixer les idées quelques valeurs éclairantes des moteurs de Formule1 : Masse spécifique 30 kg/l ; 35 kg/l pour le dernier V10 Peugeot (40 kg/l pour le V10 de la 905) Rapport volumétrique égal à 14 avec un taux de remplissage égal à 1.3 pour les V10 Peugeot utilisés les deux dernières saisons.

Voir aussi dans historique, « Aperçu du moteur Matra à distribution variable » pour la justification des performances visées.

Le rendement effectif du niveau des moteurs automobiles diesels suralimentés résulte d’améliorations importantes dans les trois domaines fondamentaux qui gouvernent la performance :

- La réunion d’une aérodynamique interne avancée et du système Intelvalve permet de réduire notablement les pertes par transvasements sur toute la plage de fonctionnement, pas seulement en réduisant le pompage aux faibles charges et également d’obtenir les taux de remplissage requis, largement améliorés et supérieurs à un.

- L’utilisation d’une chambre de combustion à haut rapport volumétrique procure une augmentation notable du rendement thermodynamique. Sa définition et celle de l’aérodynamique interne sont interdépendantes. Le cliquetis intervient aux régimes de couple et de puissance où le remplissage est maximum. Le remplacement des gaz brûlés par des frais grâce à un balayage efficace de la chambre à la double vertu d’augmenter le taux de remplissage pour les performances mais surtout de repousser la limite de l’auto-allumage malgré un rapport volumétrique de 14 pour les performances visées. L’adaptation optimale à ces points de fonctionnement de la durée d’ouvertures des soupapes est un paramètre important.

- Les régimes de couple et de puissance plus élevés pour ce moteur de nouvelle génération en favorisant la vitesse de combustion par une plus grande turbulence, contribuent à cette possibilité d’avoir un rapport volumétrique supérieur.

- Notons que pour les moteurs atmosphériques les plus performants équipant les Ferrari de route avec 135ch/l ou 100 kw/l (optimisés en termes d’aérodynamique interne, de chambre à haut rapport volumétrique, de diagramme de distribution hauts régimes), le rapport volumétrique est selon les modèles compris entre 12.5 et 14.

- L’allègement des pièces en mouvements, de l’attelage mobile et de la distribution, les levées de soupapes réduites aux faibles charges, la réduction de la pression et du débit d’huile, l’utilisation d’auxiliaires aux rendements optimisés (pompe à huile autorégulée) contribueront de manière significative à la réduction des pertes mécaniques.

Les seuils d’émissions moyennes des cycles normalisées ont conduit les constructeurs à faire du dowsizing (voir le moteur essence à turbocompresseur) avec un petit moteur à turbocompresseur en mettant à profit la réduction de poids, des pertes mécaniques et par pompage.

Comparons à titre d’exemple, le moteur à distribution Intelvalve à un moteur à turbocompresseur de grande diffusion aux caractéristiques raisonnablement envisageables (compte tenu de la dégradation de son rendement effectif aux fortes charges avec le niveau de suralimentation)

Moteur 4 cylindres Intelvalve cylindrée 2 l (alésage 86mm x course 86mm)

Puissance 220 ch ou 162 kw à 7000 tr/mn – poids 80 kg (version hybride)

Couple 24 daN.m à 5000 tr/mn et 19 daN.m à 1500 tr/mn

Moteur 3 cylindres à turbocompresseur 1.5 l (84mm x 90 mm)

Poids 90 kg – puissance 225 ch ou 165 kw à 5500 tr/mn – couple 30 daN.m à 1500 tr/mn

Puissance spécifique 150 ch/l ou 110 kw/l - couple spécifique 20 daN.m/l

Masse spécifique 60 kg/l - puissance massique 2.5 ch/kg ou 1.85 kw/kg

Par rapport au moteur à turbocompresseur, celui à distribution Intelvalve a une cylindrée 33% supérieure, un poids 10% inférieur, un couple maximum équivalent à la roue compte tenu de leurs cylindrées et régimes maximum respectifs et de la même manière, un couple 30% inférieur à 1500 tr/mn.

Les puissances volumiques sont du même ordre – les 98 mm de plus en longueur du 2 litres sont compensés par les volumes occupés par le turbocompresseur, ses auxiliaires et l’échangeur.

Le moteur à distribution Intelvalve grâce à ses caractéristiques intéressantes pour le dowsizing n’a donc besoin que de 33% de cylindrée supplémentaire.

Ses pertes mécaniques du même ordre (embiellage et pièces en mouvement plus légères – levées de soupapes réduites aux faibles charges), son rendement thermodynamique élevé et ses pertes par transferts de masses optimisés lui assure un rendement effectif sensiblement supérieur.

Sa consommation spécifique est en ordre de grandeur, 10% inférieure aux faibles charges et 20% inférieure aux pleines charges (voir le moteur à turbocompresseur). Il génère une traînée de refroidissement inférieure, sans celle supplémentaire de l’échangeur d’air du moteur suralimenté.

Des moteurs à turbocompresseur exploitant davantage le potentiel de puissance spécifique (par exemple 200 ch/l ou 150 kw/l) ont été commercialisés puisqu’aucune norme réglementaire n’a été instaurée pour inciter les motorisations offrant un bon bilan environnemental sur toute leur plage d’utilisation.

Le moteur à distribution variable associée à une boîte à double embrayages à 7 ou 8 rapports permet de réaliser l’optimisation complète de la chaîne de traction thermique et donc de réduire la consommation (en abaissant le régime de rotation) la voiture se trouvant en permanence au meilleur point de fonctionnement possible du moteur optimisé par le système Intelvalve.

Bien-que son couple aux roues inférieur de 20% à 30% au bas régime de 1500 tr/mn ne soit pas avec une boîte de vitesses classique un réel handicap étant donné sa valeur correcte et qu’il suffit de se trouver sur un rapport inférieur pour effectuer une même relance, la boite à double embrayage efface ce seul point qui n’est pas à son avantage.

L’arbre à cames variables (AACV)

La classe du mécanisme de l’AACV se caractérise par un mécanisme interposé entre chaque came qui leur impose un mouvement relatif par rapport à l’arbre menant.

Le moteur à essence à AACV

Pour remédier aux problèmes du compromis de la loi d’ouverture des soupapes du moteur atmosphérique et améliorer ses performances tout en diminuant sa consommation, mon père génial concepteur (il fut responsable du bureau d’études à la Polymécanique chez Motobécane avant de rejoindre le groupe Mors où il y a fait l’étude et les plans du scooter Mors 125 cm^3 vainqueur de Paris Nice et du critérium moto de France à Monthléry en 1955, dans les deux catégories tourisme et sport) m’avait « parachevé » pour l’innovation en concevant en 1972 un dispositif de commande de soupapes à durée d’ouverture variable et levée maximale constante dont il équipa un moteur 1600 Alfa Roméo. On décida de breveter le dispositif en 1974 avant les premiers contacts avec le département de Matra Sport F1.

La courbe de couple obtenue avec le moteur Matra à double AACV en tête se situe au dessus de la courbe d’origine, sans aucun creux avec une augmentation supérieure à 20% aux bas régimes et avec des réductions significatives de consommations. Pour exploiter totalement cet avantage que procurent les AACV en optimisant les instants d’ouvertures et de fermetures des soupapes, il faut pour un moteur atmosphérique augmenter la plage de fonctionnement et donc le régime maximum, la puissance étant au premier ordre proportionnelle au régime. Sans distribution variable, une telle pratique conduit à un moteur creux aux bas régimes car recrachant par les soupapes une partie de la charge et, ou réaspirant des gaz brûlés.

La courbe théorique de consommation de la Matra Bagheera confirme l’intérêt évident de la distribution à AACV aux charges partielles.

L’AACV à durées d’ouvertures variables génère une famille de lois de levées de soupapes avec un étalement allant typiquement de 180 à 280 degrés vilebrequin et avec une levée maximale constante.

La variation est obtenue au moyen d’un mécanisme interposé entre chaque came, qui leur impose un mouvement relatif téta à loi sinusoïdale par rapport au mouvement d’entraînement alpha de l’arbre menant entraîné par le moteur et dont la commande permet d’ajuster l’amplitude et la phase.

Pendant la levée active de la came, lorsque ce mouvement relatif s’ajoute (ou se soustrait) à celui d’entraînement, l’angle de came effectif diminue (ou augmente), car le menant a moins (ou plus) tourné que la came menée.

La rotation absolue béta de la came est la somme du mouvement d’entraînement alpha de l’arbre menant et du mouvement relatif téta.
béta=alpha+téta.
L’angle de came effectif vu par le moteur est donc alpha=béta-téta

L’AAC variables se compose de l’arbre menant entraîné par le moteur sur lequel sont montés les cames avec leurs mécanismes de variations.

La commande permet de faire varier l’amplitude et le signe du mouvement relatif. Dans le cas particulier où l’amplitude est nulle, le mouvement relatif s’annule et la loi de levée de soupape correspond alors rigoureusement à la loi de came : alpha= béta.

Le mouvement relatif téta (béta) s’annule tous les 180 degrés.

MB Engine a repris le développement de son AACV qui est une version perfectionnée des dispositifs utilisés sur les moteurs Alfa et Matra.

En 2015 des études de perfectionnement de l’AACV ont été menées sur deux moteurs d’un grand constructeur automobile durant une période de trois ans. Celle portant sur la redéfinition du haut moteur d’un trois cylindres turbo à essence a reçu l’aval de la commission technique du constructeur validant sa faisabilité pour une application série.

Ces études d’adaptation et de faisabilité entièrement menées par MB Engine, ont mis à profit le fait que l’AACV soit démontable, pour imaginer une platine livrée toute équipée, sans palier d’arbre à cames coupé, à coiffer sur la culasse.

L’actionneur d’asservissement comprend un moteur DC brushless dont les bobinages statoriques sont redéfinis pour maximiser le couple au démarrage et un réducteur à train hypocycloïdal à un seul satellite et deux couronnes intérieures, dont l’encombrement est particulièrement peu important.

Une version monocylindre est à l’étude pour une première validation du dispositif perfectionné sur le banc d’essais de MB Engine.

Dispositif intervalve