L'élément hydraulique de rattrapage du jeu de soupape

MB Engine a développé à l’origine pour le système Intelvalve un élément hydraulique de rattrapage du jeu de soupape (ehrjs) miniaturisé et particulièrement innovant.

L’ehrjs en contact avec la queue de soupape est disposé à cet effet à l’extrémité du linguet ou du basculeur actionnant la soupape. Au cours du fonctionnement du moteur, il rattrape en continu le jeu entre l’arbre à cames et l’équipage mobile chargé d’actionner la soupape.

Les systèmes hydrauliques de rattrapage du jeu de soupape équipent la majorité des moteurs automobiles modernes en raison de leurs avantages, notamment de la réduction des bruits de distribution et des coûts de maintenance et d’assemblage.

On distingue :

Les poussoirs hydrauliques utilisés dans les commandes à attaques directes ou à tiges de culbuteurs.

Les linguets à butées hydrauliques (bh)-moteur Renault K7M.

Les linguets à éléments hydrauliques de rattrapage du jeu de soupape (ehrjs)-moteur Volkswagen 4cylindres diesel à injecteur-pompes.

Les basculeurs à ehrjs- moteur Renault G9T.

L’ehrjs miniaturisé a été conçu pour actionner les soupapes aux diamètres de queues allant de 5,5 à 7 mm des moteurs automobiles de dernière génération. Ses petites dimensions et sa légèreté résultent de l’optimisation de l’ensemble de ses paramètres de conception, de fonctionnement et d’implantation dans la culasse. A contrario les ehrjs actuellement commercialisés sont surdimensionnés car leur cahier des charges avec des diamètres de queues de soupapes allant de 7 à 10 mm remonte à plusieurs décennies.

La masse de l’ehrjs est de 2.9g pour la version prototype dont la surlongueur de 3 mm pour la rendre démontable est supprimée sur la version de série de masse 2.5g contre 12.6g pour celle d’un ehrjs INA.

Ce composant offre de nombreux avantages pour les moteurs à essence et diesel à commandes de soupapes conventionnelles et permet notamment d’équiper certains moteurs qui ne peuvent l’être avec les systèmes hydrauliques commercialisés.

Les dimensions réduites du linguet ou du basculeur hydraulique adapté au nouvel ehrjs permettent une diminution sensible de l’encombrement de la culasse ce qui représente un argument fort pour les motoristes.

Le linguet hydraulique double de conception impossible avec la butée hydraulique permet de diminuer le nombre de pièces.

Par rapport au linguet à butée hydraulique qui équipe de nombreux moteurs et réputé pour avoir la plus faible masse en mouvement des systèmes hydrauliques à rattrapage de jeu, le linguet et le basculeur hydraulique MB Engine présentent l’avantage d’une masse en mouvement encore inférieure de dix à vingt pourcents. En effet, les linguets à butées hydrauliques sont réalisés par emboutissage en tôle d’acier adapté à ce type de façonnage avec des déformations plastiques locales. Selon l’application, l’épaisseur des tôles peut varier entre 3 et plus de 4 mm afin que le linguet demeure en dehors du domaine de rupture en fatigue à la flexion. La technologie différente des linguets ou basculeurs MB Engine autorise l’utilisation d’aciers alliés à hautes caractéristiques mécaniques avec des épaisseurs environ 30% inférieures.

La masse en mouvement ramenée à la soupape du basculeur hydraulique est de l’ordre de 15 grammes contre environ 45g pour celui à ehrjs INA et 17 à 23g pour les linguets à butées hydrauliques des moteurs de série.

Un autre avantage réside dans l’absence de risque comme pour le linguet d’être désarçonné de sa butée hydraulique en cas de pollution de l’huile moteur avec la casse moteur qui s’ensuit. Ce cas de casse moteur est bien répertorié chez les grands spécialistes de l’échange standard.

La meilleure répartition des efforts sur la de queue de soupape grâce au patin de l’ehrjs autorise l’utilisation de soupape allégée avec un diamètre de queue diminué (environ -0.5mm) sans usure excessive du guide.

Un basculeur hydraulique adapté à l’ehrjs pour la commande des soupapes des moteurs automobiles à distribution conventionnelle et un arbre à cames spécifique ont été conçus, réalisés et testés en utilisant la maquette d’essais monocylindre.

Des campagnes d’essais d’une durée totale de 500 heures menées au banc distribution MB Engine ont permis de valider la fiabilité du basculeur hydraulique.

Sa masse en mouvement ramenée à la soupape inférieure est un paramètre important pour une meilleure dynamique de distribution.

L’ehrjs bénéficie en outre de caractéristiques technologiques inédites brevetables.

Ainsi l’optimisation de l’encombrement de l‘ehrjs et de la masse en mouvement ramenée à la soupape font des composants qui en sont équipés, des éléments nouveaux sans concurrent identifié donnant accès à des applications innovantes exclusives pour les moteurs diesel et essence.

Principe de fonctionnement

Avec référence à la figure, le système comprend un piston(1) qui se translate à l’intérieur d’un plongeur(0), un ressort (5) de rappel du plongeur et un clapet à bille(3).

Pendant la phase active de la came, la haute pression dans la chambre (6) transmet le mouvement à la soupape; la compression de l’huile et la fuite d’huile(7) réduisent sa longueur.

Quand les forces appliquées deviennent inférieures à celle du ressort du plongeur, l’expansion du système augmente le volume de la CHP (6) faisant chuter la pression. Sur le cercle de base, le jeu est ainsi compensé par le ressort du plongeur.

La pression alors supérieure dans la chambre de réserve d’huile(8) provoque l’ouverture du clapet (3) et permet le remplissage de la CHP.

Test de caractérisation

Le test de caractérisation de l’ehrjs fait partie de la procédure de contrôle en production. Il correspond au temps mis par le plongeur pour parcourir une distance spécifiée sous une charge constante avec une huile contrôlée. C’est un test de contrôle du jeu. La fuite est nécessaire pour compenser les effets des dilatations rapides par exemple des soupapes d’échappement lors d’un démarrage à froid mais ne doit pas être trop importante afin d’éviter les bruits de distribution au ralenti à chaud.

La valeur de la fuite requise à chaque tour d'arbre à cames détermine la valeur du jeu de fonctionnement compte tenu des efforts dans la commande de soupape.

Le jeu de fonctionnement évalué par ces calculs est compris entre 3 et 8 μm.

Un montage d’essais a été réalisé pour effectuer le test de caractérisation et pour quantifier le débit de fuite du clapet de l'ehrjs.

Le vérin pneumatique (3) commandé en tout ou rien par le pupitre de commande (2) fournit un effort constant sur l’ehrjs dont l’enfoncement est mesuré par un capteur laser (4) grâce à la cible (7). Le signal du capteur est traité par une centrale (5) puis acquis via un système rapide (configuré à 1kHz) (6). Il est ainsi possible de tracer l'allure du déplacement en fonction du temps.

Pour quantifier le débit de fuite du clapet, l’effort constant du vérin pneumatique (3) est appliqué sur un piston (8) qui soumet le clapet à une forte pression de 500 bars, égale à la valeur maximale dans la CHP de l’ehrjs. La procédure d’acquisition reste inchangée.

Le montage permet également de tester les systèmes de la concurrence.

Modélisation de la commande des soupapes pour simulation de la dynamique vibratoire

Les systèmes hydrauliques affectent très sensiblement la dynamique des commandes de soupapes dont la raideur dépend de l’élément le moins rigide qui est le volume d’huile de la CHP.

Pour une meilleure compréhension du fonctionnement hydraulique spécialement du clapet, la commande de soupape est modélisée sur ordinateur par un ensemble de masses concentrées reliées à des ressorts sans masse et à des amortisseurs visqueux constituant un système vibratoire à plusieurs degrés de libertés gouvernés individuellement par la loi de la mécanique de Newton.

Les équations du mouvement de chaque masse nodale sont intégrées numériquement simultanément par la méthode de Newmark. La pression dans la CHP nécessaire pour la résolution est fournie par la modélisation hydraulique de l’ehrjs. Le clapet influence directement la dynamique de la commande de soupape.

Aux régimes élevés pendant la phase active de levée, des vibrations peuvent provoquer la perte du contact came-basculeur entraînant l’ouverture du clapet avec perte ou introduction d’huile dans la CHP. Dans le cas d’une perte d’huile, la fermeture de la soupape est avancée ; c’est l’inverse dans le cas d’une introduction d’huile.

La corrélation des calculs avec les enregistrements des levées de soupapes et notamment des hauteurs de rebonds permettent de valider la dynamique.

Vue CAO de l'ehrjs

Différence de taille notable avec un ehrjs du commerce

Vues sur une soupape diamètre 5.5mm

Adaptation évidente aux soupapes actuelles

Vues du montages d'essais de l'ehrjs

Test de caractérisation des ehrjs

Synthèse des déplacements

Test de la fuite du clapet à bille de l'ehrjs

La très faible vitesse du piston 0.005mm/s correspond à une fuite quasi nulle

Linguet hydraulique double équipé d'ehrjs

Basculeur hydraulique équipé d'un ehrjs

Linguet hydraulique équipé d'un ehrjs

Le banc d'essais MB Engine

 

Armoire électrique du banc d'essai

Cette armoire comprend l'unité électronique de Parker modèle Compax 3 Drive.
 Celui-ci  permet de piloter via un ordinateur, le variateur du moteur triphasé du banc 
ainsi que le moteur brushless d'asservissement de la culasse à 4 cylindres.

Groupe hydraulique du banc