Soutenance mémoire
État de l’art de la distribution à levée variable dans les moteurs thermiques
Fonctionnement d’un moteur thermique quatre temps
Généralités à propos des moteurs thermiques
Les moteurs quatre temps sont aujourd’hui utilisés dans la plupart des véhicules [1]. Ils fonctionnent en transformant l’énergie potentielle chimique du carburant en énergie cinétique. Différentes architectures existent mais les plus courantes sont des moteurs alternatifs à combustion interne. Ces moteurs sont composés de plusieurs cylindres dans chacun desquels coulisse un piston. Ce mouvement de translation entraine la rotation du vilebrequin par l’intermédiaire d’une bielle. L’alimentation de la chambre de combustion se fait via le conduit d’admission, dont l’embouchure peut être fermée par une ou plusieurs soupapes, dites soupapes d’admission [2]. Selon les moteurs, le combustible est injecté dans ce conduit (injection indirecte) ou dans le cylindre (injection directe). L’évacuation des gaz brulés se fait par le conduit d’échappement, obturable grâce aux soupapes d’échappement. Dans un moteur à essence, l’explosion est déclenchée par l’étincelle d’une bougie un peu avant que le piston soit au point le plus haut de sa course (Point Mort Haut ou PMH), on parle alors de moteur à allumage commandé. Dans les moteurs diesels, le combustible est injecté à haute pression et s’enflamme spontanément. Il existe aussi des prototypes utilisant l’auto inflammation de l’essence (combustion HCCI [3, 4, 5]) mais ce concept n’est pas encore mature.
Le cycle de fonctionnement de ces moteurs se fait sur deux tours et est divisé en quatre étapes ,. Les soupapes d’admission sont alors ouvertes et le cylindre se remplit d’air, additionné d’essence si l’injection est indirecte puis elles se referment légèrement après le PMB. Le décalage entre l’angle d’ouverture des soupapes et le PMH est appelé l’Avance d’Ouverture de l’Admission (AOA) et celui entre l’angle de fermeture et le PMB est appelé Retard de Fermeture de l’Admission (RFA).
Vient ensuite la phase de compression où les deux jeux de soupapes sont fermés et le piston remonte vers son PMH. La pression et la température des gaz augmentent et, un peu avant d’atteindre le PMH, l’explosion est déclenchée, par l’étincelle de la bougie pour un moteur à allumage commandé ou par autoallumage pour un moteur à allumage par compression. Nous sommes alors à la moitié du cycle moteur et le vilebrequin a fait un tour.
L’étape suivante est l’étape moteur du cycle. La pression dans le cylindre augmente brusquement à cause de l’explosion et fournit le travail au piston qui retourne à son PMB en détendant les gaz.
Les résidus de la combustion sont évacués pendant la phase d’échappement, qui conclut le second tour moteur et le cycle. Durant celle-ci, les soupapes d’admission s’ouvrent et le piston chasse les gaz brulés dans le conduit d’échappement. De la même manière que pour l’admission, le décalage entre le l’angle d’ouverture des soupapes d’échappement et le PMB est appelé l’Avance d’Ouverture de l’Echappement (AOE) et celui entre l’angle de fermeture et le PMH est appelé Retard de Fermeture de l’Echappement (RFE). Notons qu’à un moment, les deux jeux de soupapes sont ouverts. C’est ce qui s’appelle le croisement de la distribution.
Présentation d’un système de distribution en attaque directe
La distribution d’un moteur à combustion interne est constituée de l’ensemble des mécanismes qui permettent l’admission des gaz frais et le refoulement des gaz brulés. De nombreuses solutions, comme la distribution à fourreaux ou à lumières ont existé mais, à l’heure actuelle, la distribution se fait essentiellement par des soupapes actionnées par des cames [2]. Ces mécanismes peuvent être regroupés en quatre catégories :
— les systèmes à tige et culbuteur ;
— les systèmes à culbuteur ;
— les systèmes à attaque directe ;
— les systèmes à linguet.
Les soupapes les plus utilisées sont placées au dessus du cylindre et sont appelées “soupapes en tête”. Historiquement, leur actionnement était effectué grâce à des tiges et des culbuteurs . Dans cette configuration, l’arbre à cames est situé à proximité du vilebrequin et est synchronisé avec celui-ci grâce à des pignons. Les cames appuient sur les tiges, souvent équipées d’un rouleau pour réduire les frottements, qui font pivoter le culbuteur et actionnaient ainsi la soupape. Ces systèmes sont compacts, simples à concevoir et à entretenir mais l’inertie des nombreuses pièces mobiles limite le régime maximum du moteur et sa puissance spécifique, ce qui fait que cette architecture est rarement utilisée à l’heure actuelle.
Pour réduire l’inertie de la distribution, il a fallu s’affranchir des tiges de culbuteurs et déplacer l’arbre à cames au dessus des cylindres (Fig. 1.6). Ces systèmes sont appelés “systèmes culbutés à arbre à cames en tête”. La synchronisation avec le vilebrequin se fait grâce à une chaine, une courroie crantée ou plus rarement une cascade de pignons. Les cames entrainent les culbuteurs qui actionnent les soupapes en pivotant. Pour limiter les frottements avec les cames, les culbuteurs peuvent être équipés d’un rouleau. Afin de réduire à nouveau l’inertie, il est possible de s’affranchir des culbuteurs. Dans ce cas, les soupapes sont alors actionnées via des poussoirs en translation (Fig. 1.7) ou, plus rarement, directement par les cames. Cela s’appelle “l’attaque directe”. Les cames d’admission et d’échappement doivent se trouver sur des arbres à cames différents. On parle de “double arbre à cames en tête”. Chaque soupape est généralement associée à un poussoir et une came. Ces systèmes permettent des régimes élevés mais la suppression des rouleaux augmente les frottements et l’usure. De plus, dans cette configuration, les jeux sont difficiles à maîtriser. Bien que des butées hydrauliques de rattrapage de jeu existent, celles-ci sont coûteuses et augmentent les masses mobiles. Le jeu est donc généralement réglé au montage en intercalant un grain calibré entre le poussoir et la soupape ou en utilisant un poussoir calibré.
L’architecture à linguet . À la différence d’un culbuteur, l’axe de rotation d’un linguet est situé à l’une de ses extrémités. Cela permet une plus grande souplesse sur les lois de levées et facilite l’utilisation d’une butée hydraulique de rattrapage de jeu. Le linguet porte un rouleau sur lequel appuie l’arbre à cames, ce qui limite les frottements. Les moteurs utilisant une telle configuration ont une puissance spécifique importante et sont principalement utilisés dans le sport et la compétition. Grâce aux progrès réalisés dans les matériaux et les traitements de surface, les problématiques liées à l’attaque directe sont de moins en moins importantes. La qualité des usinages permet de réduire les jeux de montage et les nouveaux matériaux traités permettent de réduire l’usure des cames et des poussoirs. Ces avancées, couplées à la facilité de conception, au faible coût et à la compacité, expliquent l’utilisation courante de l’attaque directe dans les véhicules de tourisme moderne [7]. Ces systèmes de distribution ouvrent les soupapes selon une loi de levée définie lors de la conception du moteur. Son profil est inscrit dans une came dont la rotation est synchronisée avec le vilebrequin par une courroie ou une chaîne. La levée doit faire des compromis sur, entre autres, la puissance maximale à haut régime, le rendement, l’usure des pièces et les frottements. Elle joue un rôle important au niveau du rendement de cycle et notamment avec pertes de charges dans le conduit d’admission, appelées “pertes par pompage”.
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Table des matières
Introduction générale
1 État de l’art de la distribution à levée variable dans les moteurs thermiques
1 Fonctionnement d’un moteur thermique quatre temps
1.1 Généralités à propos des moteurs thermiques
1.2 Rendements d’un moteur thermique
1.3 Présentation d’un système de distribution en attaque directe
1.4 Définition des pertes par pompages
2 Potentiel des levées variables des soupapes
2.1 Principes de la déconnexion de cylindre
2.2 Cycle de Miller-Atkinson
3 Mécanismes à levée variable
3.1 Suppression de l’arbre à cames
3.2 Variation du calage
3.3 Variation de la durée et/ou de la hauteur
3.4 Systèmes à plusieurs cames
3.5 Déconnexion par mouvement perdu
3.6 Conclusion
4 Sujet d’étude – Objectif de la thèse
2 Dimensionnement d’un mécanisme de levée variable à trois états
1 Fonctions et performances attendues du composant eLift3
2 Lois de levées réalisables par eLift3
3 Solutions techniques proposées
4 Modélisation mécanique du poussoir lors d’une levée
4.1 Calcul des efforts de contact
4.2 Modèle statique d’un ressort
4.3 Pression de Hertz au contact came/poussoir
4.4 Largeur et rayon de base des cames et courbure du poussoir
4.5 Dimensionnement des goupilles
5 Résultats du dimensionnement des différentes architectures
5.1 Architecture à poussoirs en série
5.2 Architecture à trois ressorts parallèles
5.3 Architecture sans ressort intérieur
5.4 Discussion et choix de l’architecture
6 Conclusion
3 Dimensionnement d’un système de verrouillage électro-magnéto-mécanique
1 Objectifs
2 Architectures d’actionneurs et méthodes de calcul
2.1 Actionneurs linéaires
2.2 Méthodes de calcul de champ magnétique
2.3 Méthodes d’optimisation
3 Modélisation de l’actionneur linéaire
3.1 Géométrie détaillée
3.2 Modèle magnétique
3.3 Modèle électrique
3.4 Modèle mécanique dynamique
3.5 Couplage des modèles
4 Optimisation de l’actionneur
4.1 Optimisation de l’alimentation
4.2 Optimisation de la géométrie
4.3 Résultats et discussion
5 Conclusion
Conclusion générale
