Intérêts et enjeux de la distribution variable -...

Adrian Biziiac, Adrian Clenci, Pierre Podevin, 20 mars 2007 Automobile Dacia, Université de Pitesti, CNAM Paris

1

Intérêts et enjeuxde la

distribution variable

UTILISATION RATIONNELLE DE L'ENERGIE DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE

ET ENVIRONNEMENT8ème Cycle de conférences


2

Introduction

Méthodes

�

Conclusions

Intérêts et enjeux de la distribution variableIntérêts et enjeux de la distribution variableIntérêts et enjeux de la distribution variable

Réalisations


3

Quelques dates: 1876 : Premier moteur à allumage commandé :

Nikolaus Otto et Beau de Rochas

1893: Premier moteur à allumage par compressionRudolph Diesel

1902: Un premier brevet sur un système de distribution variableLouis Renault

1954: Apparition du premier déphaseur en production de sérieVCP – Alfa Romeo

1989: Apparition en série du système VTEC Honda

1990-2000: "Explosion" de solutions de moteurs à distribution variable

2001: Le premier moteur sans papillon de gaz en sérieValvetronic-Vanos – BMW

2010-2015: Prévision: production en série de la distribution électromagnétique

IntroductionIntroductionIntroduction


4

Plage de fonctionnement du moteur d’automobile


Source AVL

Source IFP

surcycle de conduite

NEDC


5

Distribution fixe

Lois de levée réelles Loi de levée idéale



6

Distribution variable

Variation du moment de OA(soit précoce, soit tardive)

+Variation de la levée

Variation du moment de FA(soit précoce, soit tardive)

+Variation de la levée

Variation de la levéeVariation combinée dela levée et de la durée



7

Distribution variableImplications - Avantages

LA DIAGRAMME DE DISTRIBUTION

Pompage Remplissage

COMBUSTION

Turbulence

Homogénéisation

Rendement Pollution Puissance



8

Dégradation énergétique

Inconvénients:Pertes par pompage

Réduction du rapport réel de compression


LE CONTRÔLE PAR "VANNAGE"


9

LE CONTRÔLE PAR "REMPLISSAGE"

Cycle

Miller - Atkinson


Early Intake Valve Closing – Late Intake Valve Closing+

Variable intake Valve Lift


10

�

Introduction

Méthodes

Conclusions

Réalisations



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Rôle:Modification d’ouverture des soupapes d’admission et/ou d’échappement sans altérer leurs durées

But:Améliorer:- la dépollution- la consommation- les performances

1. Déphaseurs

Bénéfices

EGR interne Remplissage optimal sur une

plus grande plage de régime

Diminution des pertes par pompage

Stabilité du ralenti

Contrôle réponse Turbo

enrégimes transitoires

MéthodesMéthodesMéthodes


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DEPHASEURS

AubesRenaultToyota

RampehélicoïdaleAlfa Romeo

PeugeotHonda

ChaînePorscheSubaru

Min-Max(commutable)

En continu

Electro-hydrauliquepar UCE injection

Electriquepar UCE injection

AdmissionDOHCRenault

MercedesAlfa Romeo

AdmissionÉchappement

ÉchappementDOHC

GM

Dual VVTDOHCBmwLexus

SOHCHonda

MitsubishiRenault

OHVGM

Construction FonctionnementPosition

Pilotage



13

HondaVTEC-E, i-VTEC

ToyotaVVTLi

MitsubishiMIVEC

PorscheVarioCAM

AudiValvelift

2. LEVEE ET DUREE VARIABLES

Commutables En continu

BmwValvetronic - Vanos

NissanVEL

DelphiVVA

HondaAdvanced VTEC

Fiat – INAUniAir



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DISTRIBUTION VARIABLE - Cahier des charges

1. Pièces caractérisées par une complexité acceptab le.

4. Énergie réduite nécessaire à l’entraînement de l a distribution

3. Cinématique stable cycle par cycle et cylindre p ar cylindre

5. La capacité de désactivation des soupapes et à l a limite la désactivation des cylindres

2. Adaptation aux différentes architectures de cula sses. Encombrement acceptable

7. Sans maintenance pendant tout la durée de vie

8. Surcoût acceptable

6. Très bon temps de réponse



15

�

Introduction

Méthodes

Conclusions

Réalisations



16

Groupe 1:

DÉPHASEURSVariable Cam Phaser

Fonctionnalité:

Décalage maximum entre les arbres de distribution e t le vilebrequin: 40 – 50°VTemps de réponse: 300 – 400 ms

Gains:

Augmentation du couple moteur 6 à 10% et de la puis sance 5%Réduction du ralenti d’environ 7%Dépollution: NOx 40% et HC 25%

RéalisationsRéalisationsRéalisations


17

RéalisationsRéalisationsRéalisationsDéphaseur à rampe hélicoïdale

Pilotage

Electro-hydraulique par UCE Injection en fonction de s paramètres moteur

Constructeurs:PSA, Mercedes, Ford, GM, BMW, Porsche etc.


18

RéalisationsRéalisationsRéalisationsDéphaseur à aubes

Constructeurs:Renault, Toyota etc.


19

Déphaseur piloté électriquementLexus LS 460, modèle 2006, moteur V8


Gains

Amélioration du démarrage moteur et de la montée en températureFonctionnement même à partir du ralenti


20

Groupe 2:

LEVEE ET DUREE VARIABLESVariable Valve Timing and Lift

Systèmes commutables (tout ou rien)

Système à variation en continu



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Honda VTECVariable valve Timing and lift Electronic Control



22

RéalisationsRéalisationsRéalisationsHonda VTEC-i 3 stages = VTEC 3 stages + déphaseur

Honda Civic IMA Hybrid


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Toyota VVTLiVariable Valve Timing and Lift with intelligence


Temps de glissement du verrou 20 ms

Gain de couple de 22% pour les régimes au dessus de 6000 tr/min


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Mitsubishi MIVECMitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control

.

SOHC


Performances semblable au moteur IDE et stratificat ion de la charge

Diminution de la pollution de 25% par rapport aux l imites de la législation japonaise

Gain de consommation de 30% pour le ralenti et de16 % en mode ville pour le MIVEC MD


25

Porsche Variocam Plus


Levée mini 3,6 mm

Levée maxi 11 mm

Variation du moment d’ouverture 40°V


26

Porsche Variocam Plus

Économie de carburant de 13 % etDiminution des HC d’environ 45% pour le ralenti

Augmentation de la stabilité de la combustionen faible régime et charge partielle

Gain des performances de 13,5 % pour le couple maxi mum

Une dépollution remarquable rapportée à EURO IV:54% HC, 30% CO, 24% NOx

Le passage entre les deux modes de fonctionnement nécessite 60 ms



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Audi Valvelift

Levée maxi = 11 mm, Levée moyenne = 5.7 mm, Levée m ini = 2 mm

Temps de réponse = 1 cycle moteur

Course axiale de la douille = 7 mm



28

BMW Valvetronic

Apparition en 2001 : BMW 316Le premier moteur en série sans papillon de gaz !

Levée = 0,3 ÷ 9,7 mm

Variation OA = 60°RAC



29

BMV Valvetronic

Réduction importante des pertes par pompage par la stratégie EIVC

Économie de carburant: 30% au ralenti et sur NEDC ≈ 15% pour le moteur 1.8 l

Dépollution: Euro IV pour λ = 1 et TWC

Temps de réponse de 300 ms entre levée mini et maxi

Le levier nécessite une grande précision : 8 µm

Bonne réponse du moteur à l’accélération



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Nissan VELVariable Valve Event and Lift

Mécanisme desmodromique

Levée mini = 1,4 mm Durée mini = 120 °VLevée maxi = 11,1 mm Durée maxi = 280°V

Économie de carburant d’environ 10 % conforme au cycle urbain japonaisDiminution de 75% pour HC en démarrage à froid par la stratégie LIVO en utilisant un déphaseur

Régime maximum du moteur à 7200 tr/minDiminution d’environ 70% d’énergie à l’entraînement de l’arbre à cames dans des faibles régimes



31

Delphi


Levée = 0 - 9 mmDurée = 0 – 260 °VDéphasage angle levée maxi = 0 - 80 °V


32

Delphi

Économie de carburant d’environ 12% pour une fonctionnement à λ = 1

Augmentation du couple moteur de 11% pour certains points de fonctionnement

Temps de réponse de 300 ms entre 0 et 9 mm levée de soupape

Diminution d’énergie à l’entraînement de l’arbre cames sur les faibles régimes

Le gabarit de culasse n’est pas affecté



33

Advanced VTEC - HondaVariable valve Timing and lift Electronic Control

1. Ensemble levier,2. Culasse,3. Soupape,4. Siége de soupape,5. Ressort,6. Tulipe de soupape,7. Came d’admission,8. Arbre à cames,9. Culbuteur à rouleau,10. Levier à rouleau,11. Cylindre oscillant,12. Pièce intermédiaire,20. Articulation du levier,21. et 22. Rouleau,24. et 25. Engrenage,32. Rampe de culbuteurs


Stratégie EIVC ( par déphaseur)Économie de carburant ~ 13%Dépollution ULEV


34

HARA VVLTVariable Valve Lift and Timing


OHV OHC


35

HARA VVLTVariable Valve Lift and Timing


Ralenti stable à 600 tr/minGain de consommation de carburant au ralenti ~ 30 %

Possibilité de contrôle du moteur en l’absence du papillon de gazDiminution d’énergie à l’entraînement de l’arbre à cames dans les faibles régimes

Mas

se r

édui

te


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PATTAKON CVVAContinuously Variable Valve Actuation


Ralenti stable entre 350 - 750 tr/minRégime maxi 7000 tr/min


37

Fiat UniAir


Régime maximum de fonctionnement environ 7000 tr/minGain de consommation de carburant 13%Contrôle de la charge cylindre par cylindre

Diminution d’énergie à l’entraînement de l’arbre à cames dans les faibles régimes


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Pression d’huile maximale 150 - 200 barPossibilités de fonctionnement avec différentes lois de distribution (polynomiales, trapézoïdale, triangulaire)

Possibilités d’ouvertures multiples sur cyclePossibilité de désactivation des soupapes et à la limite des cylindres

CAMLESSDistribution électrohydraulique - HVA


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CAMLESSDistribution électromagnétique – EVA

Tension d’alimentation 36 – 42 VTemps de commutation entre ouverture et fermeture de soupapes d’environ 3 ms

Possibilité de désactivation des soupapes et à la limite des cylindresÉconomie de carburant ≈ 10%



40

Avance variable

Camless

Desmodromique

Cam oscillante

Lost motion

Rapport de

transmission variable

Durée variable

Levée variable

Solutions

Critères


SYNTHESE

x

NISSANVEL

x

x

x

X

x

x

x

DELPHIVVA

x

x

x

x

HONDAAdvanced

VTEC

x

x

x

HARAVVL

x

x

x

x

FIATUniAir

x

x

PATTAKONVVL

x

HVA

x

x

x

x

x

x

EVA

x

x

BMWValvetronic

x

x

x

x


41

Introduction

Méthodes

� Conclusions

Réalisations



42

ConclusionsConclusions

Étapes d’évolution du moteur “essence”

Allumage

Carburation

Distribution Variable

Économie d’énergie Réduction émissions+

Moteur à distribution variableMoteur à distribution variable


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ConclusionsConclusionsPotentiel de la distribution variablePotentiel de la distribution variable

Source IFP


44

www.auto-innovations.comwww.avl.comwww.ifp.comwww.pattakon.comwww.bmw.de

Références


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Intérêts et enjeuxde la

distribution variable

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