Calage variable des soupapes (VVT)

Théorie de base

La technologie multi-soupapes est devenue la norme dans la conception du moteur, le réglage variable des soupapes devient l’étape suivante pour améliorer la puissance du moteur, quelle que soit la puissance ou le couple.

Comme vous le savez, les soupapes activent la respiration du moteur. Le moment de la respiration, c’est-à-dire le moment de l’admission et de l’échappement de l’air, est contrôlé par la forme et la phaseangle des cames. Pour optimiser la respiration, le moteur nécessite un calage des soupapes différent à différentes vitesses. Lorsque le régime augmente, la durée de la course d’admission et d’échappement diminue de sorte que l’air frais ne devient pas assez rapide pour entrer dans la chambre de combustion, tandis que l’échappement devient insuffisant pour quitter la chambre de combustion. Par conséquent, la meilleure solution consiste à ouvrirles soupapes d’admission plus tôt et fermer les soupapes d’échappement plus tard. En d’autres termes, le chevauchement entre la période d’admission et la période d’échappement devrait être augmenté à mesure que le régime augmente.

Sans la technologie de synchronisation VariableValve, les ingénieurs choisissaient le meilleur timing de compromis.Par exemple, une camionnette peut adopter moins de chevauchement pour les avantages de la sortie à basse vitesse. Un moteur de course peut adopter un chevauchement considérable pour une grande vitessepuissance. Une berline ordinaire peut adopter une optimisation du calage des soupapes à mi-régime, de sorte que la maniabilité à basse vitesse et la sortie à haute vitesse ne seront pas trop sacrifiées. Peu importe lequel, le résultat est simplement optimisé pour une vitesse particulière.

Avec le calage variable des soupapes, la puissance et le couple peuvent être optimisés à travers une large bande de tr / min. Les résultats les plus remarquables sont:

• Le moteur peut tourner plus haut, augmentant ainsi la puissance de crête. Par exemple, le moteur Neo VVL de 2 litres de Nissan produit 25% de puissance de pointe en plus que sa version non VVT.
• Le couple à basse vitesse augmente, améliorant ainsi la maniabilité. Par exemple, la Fiat Barchetta 1.Le moteur à 8 VVT fournit 90% du couple de pointe entre 2 000 et 6 000 tr/min.

De plus, tous ces avantages viennent sans aucun inconvénient.

VariableLift

Dans certains modèles, la levée des soupapes peut également être modifiée en fonction du régime du moteur. À grande vitesse, une portance plus élevée accélère l’admission et l’échappement de l’air, optimisant ainsi davantage la respiration. Bien entendu, à une vitesse plus faible, un tel liftwill générera des effets contraires tels que la détérioration du processus de mélange du carburant et de l’air, diminuant ainsi le rendement ou conduisant même à des ratés d’allumage. Par conséquent, la portance devrait être variable en fonction du régime moteur.

1)VVT à changement de came

Honda a été le pionnier du VVT utilisé par les voitures de route à la fin des années 80 en lançant son célèbre système VTEC (Contrôle électronique de la distribution des soupapes). D’Abordapparu dans Civic, CRX et NS-X, puis est devenu standard dans la plupart des modèles.

Vous pouvez le voir sous la forme de 2 jeux de cames ayant des formes différentes pour permettre différents temps et soulèvement. Un ensemble fonctionne à une vitesse normale, par exemple en dessous de 4 500 tr / min. Un Autresubstitue à une vitesse plus élevée. De toute évidence, une telle disposition ne permet pas un changement continu de synchronisation, donc le moteur fonctionne modestement en dessous de 4 500 tr / min maisau-dessus de ce qu’il va soudainement se transformer en animal sauvage.

Ce système améliore la puissance de pointe – il peut élever la ligne rouge à près de 8 000 tr / min (même 9 000 tr / min en S2000), tout comme un moteur avec arbres à cames de course, et augmenter la puissance maximale de 30 ch pour un moteur de 1,6 litre!! Cependant, pour exploiter un tel gain de puissance, vous devez maintenir le moteur en ébullition au-dessus durepm de seuil, un changement de vitesse fréquent est donc nécessaire. Comme le couple à basse vitessegagne trop peu (rappelez-vous, les cames d’un moteur normal servent généralement à travers0-6 000 tr / min, tandis que les « cames lentes » du moteur VTEC doivent encore servirà travers 0-4 500 tr / min), la maniabilité ne sera pas trop impressionnante. En bref, le système de changement de came est le mieux adapté aux voitures de sport.

Honda a déjà amélioré son VTEC à 2 étages en 3 étages pour certains modèles. Bien sûr, plus il y a de scène, plus il devient raffiné. Il offre toujours un couple moins large que les autres systèmes à variation continue. However, cam-changingsystem remains to be the most powerful VVT, since no other system can vary the Liftof valve as it does.

Advantage:	Powerful at top end
Disadvantage:	2 or 3 stages only, non-continuous; no much improvement to torque; complex
Who use it ?	Honda VTEC, Mitsubishi MIVEC, Nissan Neo VVL.

Le dernier VTEC à 3 étages de Honda a été appliqué dans le moteur Civic sohc au Japon.Le mécanisme a 3 cames avec un profil de synchronisation et de levage différent. Notez que leurs dimensions sont également différentes – la came du milieu (synchronisation rapide, portance élevée), comme le montre le schéma ci-dessus, est la plus grande; la came du côté droit (ralentissement, portance moyenne) est de taille moyenne ; la came latérale gauche (synchronisation lente, lowlift) est la plus petite.

Ce mécanisme fonctionne comme ceci:

Étape 1 (basse vitesse): les 3 pièces de culbuteurs se déplacent indépendamment. Par conséquent, le culbuteur gauche, qui actionne la valve de gauche, est entraîné par la came gauche à faible portance. Le culbuteur droit, qui actionne la soupape d’admission droite, est entraîné par la came droite à levage moyen. Le timing des deux caméras est relativement lent par rapport à la came du milieu, qui actionne novalve maintenant.

Étape 2 (vitesse moyenne): la pression hydraulique (peinte en orange sur la photo) relie les culbuteurs gauche et droitensemble, laissant le culbuteur central et la came fonctionner seuls. Étant donné que la came haute est plus grande que la came gauche, ces culbuteurs connectés sont en fait entraînés par la came droite. En conséquence, les deux soupapes d’admission obtiennent un calage lent maisune levée moyenne.

Étape 3 (haute vitesse): la pression hydraulique connecte tous les 3 culbuteurs ensemble. Puisque la came du milieu est la plus grande, les deux valves d’entrée sont en fait entraînées par cette came rapide. Par conséquent, une synchronisation rapide et un highlift sont obtenus dans les deux vannes.

Un autre exemple – Nissan Neo VVL

Très similaire au système de Honda, mais les cames droites et gauche ont le même profil. À basse vitesse, les deux culbuteurs sont pilotésindépendamment par ces cames droite et gauche à faible portance et à synchronisation lente. À grande vitesse, 3 culbuteurs sont reliés entre eux de sorte qu’ils sont entraînés par la came centrale à haute portance à synchronisation rapide.

Vous pensez peut-être qu’il doit s’agir d’un système à 2 étages. Non, ça ne l’est pas. Puisque Nissan Neo VVLDUPLIQUE le même mécanisme dans l’arbre à cames d’échappement, 3 étages pourraient être obtenus de la manière suivante:

Étage 1 (basse vitesse): les soupapes d’admission et d’échappement sont en configuration lente.
Étape 2 (vitesse moyenne): configuration fastintake + configuration d’échappement lent.
Étape 3 (haute vitesse): les soupapes d’admission et d’échappement sont en configuration rapide.

2)Cam-Phasing VVT

Cam-phasing VVT est le mécanisme le plus simple, le moins cher et le plus couramment utilisé en ce moment. Cependant, son gain de performance est également le moins, trèsavec en effet.

Fondamentalement, il fait varier le calage des soupapes en décalant l’angle de phase des arbres à cames. Par exemple, à grande vitesse, l’arbre à cames d’entrée sera tourné à l’avance de 30 ° pour permettre une admission plus précoce. Ce mouvement est contrôlé par la gestion du moteursystème selon les besoins et actionné par des engrenages de soupapes hydrauliques.

Notez que le VVT en phase de came ne peut pas faire varier la durée d’ouverture de la vanne. Il permet simplement une ouverture plus tôt ou plus tard de la vanne. Ouverture précédenterésultats en clôture plus tôt, bien sûr. Il ne peut pas non plus varier la levée de la vanne, contrairement au VVT changeant de caméra. Cependant, le VVT à phase de came est la forme de VVT la plus simple et la moins chère car chaque arbre à cames ne nécessite qu’un seul actionneur de phase hydraulique, contrairement à d’autres systèmes qui utilisent un mécanisme individuel pour chaque cylindre.

Continuousor Discret

Simplercam-phasing VVT a seulement 2 ou 3 réglages d’angle de décalage fixes à choisir, tels que 0 ° ou 30 °. Un meilleur système a un décalage variable continu, par exemple, toute valeur arbitrale comprise entre 0 ° et 30 °, dépend du régime.Évidemment, cela fournit le calage des soupapes le plus approprié à n’importe quelle vitesse, améliorant ainsi considérablement la flexibilité du moteur. De plus, la transitionest si lisse qu’à peine perceptible.

Intakeand Exhaust

Certains modèles, tels que le système Double Vanos de BMW, ont un VVT à phasage variable aux arbres à cames d’admission et d’échappement, ce qui permet un meilleur chevauchement, donc une efficacité accrue. Cela explique pourquoi BMW M3 3.2 (100hp/litre)is more efficient than its predecessor, M3 3.0 (95hp/litre) whose VVT isbounded at the inlet valves.

In theE46 3-series, the Double Vanos shift the intakecamshaft within a maximum range of 40° .The exhaust camshaft is 25°.

Advantage:	Cheap and simple, continuous VVT improves torque delivery across the whole rev range.
Disadvantage:	Lack of variable lift and variable valve opening duration, thus less top end power than cam-changing VVT.
Who use it ?	Most car makers, such as: · Entrée Audi V8, discrète à 2 étages · Entrée et échappement BMW Double Vanos, continue · Échappement Ferrari 360 Modena, discrète à 2 étages · Entrée Fiat (Alfa) SUPER FIRE, discrète à 2 étages · Entrée Ford Puma 1.7 Zetec SE, discrète à 2 étages · Jaguar AJ-V6 et entrée AJ-V8 mise à jour , continu · Entrée moteur Lamborghini Diablo SV, discrète à 2 étages · Entrée Porsche Variocam, discrète à 3 étages · Renault 2.Entrée de 0 litre, discrète à 2 étages · Entrée Toyota VVT-i, continue · Volvo 4 / 5 / 6- moteurs modulaires à cylindres – entrée, continu

Exemple: Vanos de BMW

D’après l’image, il est facile de comprendre son fonctionnement. L’extrémité de l’arbre à cames intègre un filetage d’engrenage. Le filetage est couplé par un capuchon qui peutse déplacer vers et à l’écart de l’arbre à cames. Parce que le filetage de l’engrenage n’est pas parallèle à l’axe de l’arbre à cames, l’angle de phase se déplacera vers l’avant si le capuchon est pressé vers l’arbre à cames. De même, en éloignant le capuchon de l’arbre à camesrésulte à décaler l’angle de phase vers l’arrière.

Si la poussée ou la traction est déterminée par la pression hydraulique. Il y a 2 chambres juste à côté du bouchon et elles sont remplies de liquide (ces chambres sont colorées respectivement en vert et en jaune sur la photo) Un piston mince sépare ces 2 chambres, la première se fixe rigidement au bouchon. Le liquide entre dans les chambres via des vannes électromagnétiques qui contrôlent la pression hydraulique agissant sur les chambres. Par exemple, si le système de gestion du moteur signale l’ouverture de la soupape à la chambre verte, la pression hydraulique agit sur le piston mince et pousse ce dernier, accompagné du capuchon, vers l’arbre à cames, décalant ainsi l’angle de phase vers l’avant.

La variation continue du calage est facilement mise en œuvre en positionnant le bouchon à une distance appropriée en fonction du régime moteur.

Un autre exemple : ToyotaVVT-i

Macro illustration of the phasing actuator

Toyota’s VVT-i(Variable Valve Timing – Intelligent) has been spreading to more and more ofits models, from the tiny Yaris (Vitz)to the Supra. Son mécanisme est plus ou moins le même que les Vanos de BMW, c’est aussi une conception à variation continue.

Cependant, le mot « Integillent » met l’accent sur le programme clevercontrol. Non seulement varie le timing en fonction du régime du moteur, mais il prend également en compte d’autres conditions telles que l’accélération, la montée ou la descente.

3) VVT à changement de cames et à phasage de cames

La combinaison de VVT à changement de cames et de VVT à phasage de cames pourrait satisfaire à l’exigence de puissance et de flexibilité haut de gamme tout au long de la gamme, mais c’est inévitablement plus complexe. Au moment de la rédaction de cet article, seuls Toyota et Porsche ontde tels dessins. Cependant, je crois qu’à l’avenir, de plus en plus de voitures de sport accepteront ce type de VVT.

Example: Toyota VTL-i

Toyota’s VVTL-iis the most sophisticated VVT design yet. Its powerful functions include:

• Calage variable des soupapes à cames en continu
• Levage variable à 2 étages plus durée d’ouverture des soupapes
• Appliqué aux soupapes d’admission et d’échappement

Le système pourrait être une combinaison du VVT-i existant et du VTEC de Honda, bien que le mécanisme de la portance variable soit différent de Honda.

Comme VVT-i, le calage variable des soupapes est mis en œuvre en déplaçant l’angle de phase de l’ensemble de l’arbre à cames vers l’avant ou vers l’arrière au moyen d’unactionneur hydraulique fixé à l’extrémité de l’arbre à cames. Le timing est calculé par le système de gestion du moteur avec la vitesse du moteur, l’accélération, la montée ou la descente, etc. prise en considération. De plus, la variation est continue sur une large plage allant jusqu’à 60 °, par conséquent, la synchronisation variable seule est peut-être la conception la plus parfaite jusqu’à présent.

Ce qui rend le VVTL-i supérieur au VVT-i ordinaire est le « L », qui signifie Ascenseur (ascenseur de soupape) comme tout le monde le sait. Voyons l’illustration suivante:

Comme VTEC, le système de Toyota utilise un seul culbuteur pour actionner les deux soupapes d’admission (ou d’échappement). Il a également 2 lobes à cames agissant sur ce suiveur de culbuteur, les lobes ont un profil différent – un avec un profil de durée d’ouverture de soupape plus long (pour la grande vitesse), un autre avec un profil de durée d’ouverture de soupape plus court (pour la basse vitesse). À basse vitesse, la slowcam actionne le suiveur de culbuteur via un roulement à rouleaux (pour réduire les frottements).La came à grande vitesse n’a aucun effet sur le suiveur de bascule caril y a un espacement suffisant sous son poussoir hydraulique.
<Une sortie de couple plate (courbe bleue)

Lorsque la vitesse a augmenté jusqu’au point de seuil, la broche coulissante est poussée par une pression hydraulique pour remplir l’espacement. La came à grande vitesse devient efficace.Notez que la came rapide offre une durée d’ouverture de soupape plus longue tandis que la goupille coulissante ajoute une levée de soupape. (pour Honda VTEC, la durée et la portance sont mises en œuvre par les lobes de came)

De toute évidence, la durée variable d’ouverture des soupapes est une conception en 2 étapes, contrairement à la conception continue du Rover VVC. Cependant, VVTL-i offre une portance variable, ce qui soulève beaucoup sa puissance de sortie à grande vitesse. Par rapport à Honda VTEC et à des conceptions similaires pour Mitsubishi et Nissan, le système de Toyota a un timing variable en continu, ce qui l’aide à atteindre une bien meilleure flexibilité de vitesse basse à moyenne. C’est donc sans aucun doute le meilleur VVT aujourd’hui. However, it isalso more complex and probably more expensive to build.

Advantage:	Continuous VVT improves torque delivery across the whole rev range; Variable lift and duration lift high rev power.
Disadvantage:	More complex and expensive
Who use it ?	Toyota Celica GT-S

Example 2: Porsche Variocam Plus

Variocam Plus uses hydraulic phasing actuator and variable tappets

Variocam of the 911 Carrera uses timing chain for cam phasing.

La Variocam Plus de Porsche aurait été développée à partir de la Variocam qui dessert la Carrera et la Boxster. Cependant, j’ai trouvé leurs mécanismesvirtuellement rien ne partage. La Variocam a été introduite pour la premièreintroduit à la 968 en 1991. Il a utilisé une chaîne de distribution pour faire varier l’angle de phase de l’arbre à cames, fournissant ainsi un calage variable des soupapes à 3 étages. 996 Carrera et Boxster utilisent également le même système. Cette conception est unique et brevetée, mais elle est en fait inférieure à l’actionneur hydraulique préféré par d’autres constructeurs automobiles, en particulier elle ne permet pas beaucoup de variation de l’angle de phase.

Par conséquent, le Variocam Plus utilisé dans la nouvelle 911 Turbo utilise finalement l’actionneur hydraulique populaire au lieu de la chaîne. Un expert du secteur bien connu a décrit le calage variable des soupapes comme continu, mais cela semble en contradiction avec la déclaration officielle faite précédemment, qui a révélé que le système avait un calage des soupapes à 2 étages.

Cependant, les changements les plus influents du « Plus » sont l’ajout d’une levée de soupape variable. Il est mis en œuvre en utilisant des poussoirs hydrauliques variables. Comme sur la photo, chaque vanne est desservie par 3 lobes de came – celui du centre a nettement moins de portance (3 mm seulement) et une durée d’ouverture de la vanne plus courte. En d’autres termes, c’est la came « lente ». Les deux lobes de came externes sont exactement les mêmes, avec un timing rapide et une portance élevée (10 mm). La sélection des lobes à cames se fait par le poussoir variable, qui se compose en fait d’un poussoir intérieur et d’un poussoir extérieur (en forme d’anneau). Ils pouvaient être verrouillés ensemble par une goupille hydraulique qui les traversait. De cette manière, les lobes de came « rapides » actionnent la vanne, assurant une portance élevée et une ouverture de longue durée. Si les poussoirs ne sont pas verrouillés ensemble, la vanne sera actionnée par le lobe de came « lent » via le poussoir intérieur. Le poussoir extérieur se déplacera indépendamment du poussoir de soupape.

En outre, le mécanisme de levage variable est exceptionnellement simple et peu encombrant. Les poussoirs variables sont légèrement plus lourds que les poussoirs ordinaires et n’engagent pas plus d’espace.

Nevertheless,at the moment the Variocam Plus is just offered forthe intake valves.

Advantage:	VVT improves torque delivery at low / medium speed; Variable lift and duration lift high rev power.
Disadvantage:	More complex and expensive
Who use it ?	Porsche 911 Turbo

4) Rover’s uniqueVVC system

Rover introduced its own system calls VVC (Variable Valve Control) in MGFin 1995. De nombreux experts le considèrent comme le meilleur VVT compte tenu de sa polyvalence – contrairement au VVT à changement de came, il fournit un calage variable en continu, améliorant ainsi la distribution du couple à régime faible à moyen; et contrairement au VVT à phase de came, il peut allonger la durée d’ouverture des soupapes (et en continu), augmentant ainsi la puissance.

Fondamentalement, VVC utilise un disque rotatif excentrique pour entraîner les soupapes d’admission de tous les deux cylindres. Puisque la forme excentrique crée une rotation non linéaire, l’ouverture des valves peut varier. Vous ne comprenez toujours pas? eh bien, tout mécanisme intelligent doitêtre difficile à comprendre. Sinon, Rover ne sera pas le seul constructeur automobile à l’utiliseril.

VVC a un retrait: puisque chaque mécanisme individuel sert 2 cylindres adjacents, le moteur aV6 a besoin de 4 mécanismes de ce type, et ce n’est pas bon marché. V8 a également besoin de 4 telsmécanisme. V12 est impossible à monter, car il n’y a pas assez d’espace pourajuster le disque excentrique et les engrenages d’entraînement entre les cylindres.

Advantage:	Continuously variable timing and duration of opening achieve both drivability and high speed power.
Disadvantage:	Pas finalement aussi puissant que le VVT à changement de came, en raison du manque de portance variable; Cher pour les V6 et V8; impossible pour les V12.
Qui l’utilise ?	Moteur Rover 1.8 VVC desservant MGF, Caterham et Lotus Elise 111S.

Avantage du VVT sur la consommation et les émissions de carburant

L’EGR (recirculation des gaz d’échappement) est une technique couramment adoptée pour réduire les émissions et améliorer le rendement énergétique. Cependant, ce sont des VVT qui exploitent vraiment tout le potentiel de la RGE.

En théorie, un chevauchement maximal est nécessaire entre les soupapes d’admission et les soupapes d’échappement s’ouvrant lorsque le moteur tourne à haute vitesse. Cependant, lorsque la voiture roule à vitesse moyenne sur autoroute, c’est-à-dire que le moteur tourne à la charge légère, un chevauchement maximal peut être utile pour réduire la consommation de carburant et les émissions. Étant donné que les soupapes d’échappement ne se ferment pas avant que les soupapes d’admission ne soient ouvertes pendant un certain temps, une partie des gaz d’échappement sont recirculés dans le cylindre en même temps que le nouveau mélange carburant / air est injecté. Comme une partie du mélange carburant / air est remplacée pargaz d’échappement, moins de carburant est nécessaire. Parce que les gaz d’échappement comprennent principalement des gaz non combustibles, tels que le CO2, le moteur fonctionne correctement au mélange carburant / air le plus maigre sans échouer à brûler.