Capsule mécanique, la distribution la suite...

Bon il ne se passe pas grand aujourd'hui dans l'actualité automobile alors je continue mes capsules mécaniques. On en était rendu aux trains de soupapes. Aujourd'hui donc, je me concentrerai sur la relation entre les arbres à cames et les performances moteurs, ainsi que sur la distribution variable, le fameux VTEC de Honda.

Capsule mécanique – La distribution, 2ième partie.

Les arbres à cames versus les performances moteurs.

Comme je le disais dans ma précédente capsule, l'ouverture et la fermeture des soupapes est très importante pour déterminer la performance d'un moteur. En fait c'est vraiment au moment du design du moteur comme tel, que ces paramètres seront étudiés en détails par les ingénieurs. J'essaie de vous expliquer tout ça en peu de mot et de façon simple.

Premièrement, pour bien comprendre ce que je vais expliquer ici et probablement dans le reste de mes capsules, il faut s'imaginer le moteur à combustion interne comme une grosse pompe à air. Pour qu'il y est combustion, dans un moteur ou n'importe où ailleurs, on a besoin de trois choses. Le comburant, le carburant et de la chaleur. Dans le cas qui nous intéresse, le carburant est l'essence de pétrole dans le réservoir de la voiture. Le comburant lui est l'oxygène qui se retrouve dans l'air qui est aspiré par le moteur. Vous voyez où je veux en venir? Non. Alors je continue. Pour que notre combustion soit la plus efficace possible on doit avoir un rapport comburant (air) et carburant (essence) très précis. C'est ce que l'on appel le rapport stœchiométrique. Dans le cas de l'essence de pétrole, on a besoin de 14,7 part d'air pour 1 part d'essence. Donc, pour pouvoir brûler le carburant on doit aspirer de l'air et expirer les gaz brûlés. Pour aller plus vite et donc produire plus de puissance on doit aspirer plus d'air et expirer plus de gaz brûlés. Dans un moteur à combustion interne conventionnel, ce sont les soupapes qui feront ce travail. Le moment où elle s'ouvriront est primordial, je vous décris tout ça à l'instant.

Pour l'instant on va se concentrer sur la soupape d'admission. Pour ceux qui ne suivent pas les cours du prof-boffe de façon assidu, c'est la soupape qui amène le mélange air-essence dans la chambre de combustion. Deux paramètres sont important dans son fonctionnement. On va parler de levée et de durée d'ouverture. Les mêmes principes s'appliquent de façon générale à la soupape d'échappement, sauf que son but à elle est de faire sortir les gaz d'échappement.

La levée est simplement la distance entre le siège de la soupape, sur la structure de la culasse, et l'endroit où elle sera lorsqu'elle sera complètement ouverte. On parle ici d'à peine quelques millimètres. Il n'est pas trop compliqué de s'imaginer que plus la soupape s'ouvrira grandement plus on pourra laisser passer de mélange air-essence. C'est vrai et ça ne l'est pas. En fait, il faut s'imaginer qu'à plein régime la soupape ne peut pas rester ouverte très longtemps. Si elle a un chemin trop grand à parcourir elle ne pourra tout simplement pas faire son travail puisque le ressort de rappel n'aura pas assez d'énergie pour la faire se refermer assez rapidement. De même si la soupape ne s'ouvre pas assez grande, le mélange air-essence ne pénétrera pas assez rapidement dans la chambre à combustion et on gaspillera du carburant. De plus, dépendant de l'aérodynamique de la tubulure d'admission et de la forme de la chambre à combustion, une levée trop petite ou trop grande peut créer des turbulences dans le mélange air-essence qui crée des concentration de carburant dans la chambre de combustion. Ces concentrations peuvent tout simplement ne pas brûler ou pire encore elles peuvent créer des points chauds dans la chambre de combustion qui à la longue détruiront le moteur. Ce sont tous ces facteurs que les ingénieurs considèrent quand ils dessinent leur moteur. Finalement, la levée aura un impact direct sur la consommation et la puissance du moteur.

La durée d'ouverture quant à elle représente tout simplement la durée de temps où la soupape quitte son siège et le moment où celle-ci revient à son point de départ. Avec la bonne levée, plus on laisse la soupape ouverte longtemps, plus on laissera entrée de mélange air-essence. Évidemment, ceci n'est pas infinie. Prenons un moteur quatre cylindres 16 soupapes plutôt conventionnel à plein régime. Le vilebrequin tournera à environ 6 000 tr/min., les arbres à cames qui entraînent les soupapes tourneront donc à 3 000 tr/min. On est dans un moteur quatre temps donc chaque soupape s'ouvrira et se fermera 750 fois par minute. Théoriquement, la soupape d'admission restera ouverte 8 centième de secondes. Dans ce très court laps de temps, elle doit partir de son point initial, s'ouvrir complètement et revenir à son point de départ. Si on peut s'arranger pour qu'elle reste ouverte plus longtemps on pourra donc faire entrer plus de mélange. On ne peut pas la laisser ouverte trop longtemps non plus, puisque la culasse doit être fermé hermétiquement pour que le temps de compression soit efficace. Dans la vraie vie, on ouvre la soupape un peut avant que le piston passe du point mort bas au point mort haut dans son temps d'échappement.

La durée et la levée sont tous déterminée par le profile des cames. Plus la came sera allongée plus la levée sera grande. Plus la came sera évasée plus la durée sera grande.

En conclusion, on peut dire que la levée a moins d'impacts sur les performances moteur que la durée. Plus on ouvre la soupape longtemps plus on aura de puissance à haut régime et moins de couple à bas régime. Évidemment tout est histoire de compromis et les ingénieurs peuvent passer plusieurs nuits blanches à déterminer les bons paramètres.

L' « overlap ».

Bon désolé pour la non traduction en français, mais j'ai tout simplement aucune idée comment traduire ce terme. L'overlap peut être décrit de la façon suivante. Due au profile des arbres à cames les soupapes d'admission et d'échappement peuvent rester ouverte en même temps. Théoriquement, on ne veut pas que cela arrive puisque les gaz d'échappement se mélangerait à la charge d'air et d'essence. Dans la vraie vie, ça peut être quelque chose de souhaitable.

Premièrement, un principe de thermodynamique veut que deux gaz de différentes température ne se mélangent pas. Donc, si on fait entrer un gaz plus froid (le mélange air-essence) dans la chambre de combustion au moment du temps d'échappement, ce dernier poussera sur les gaz chaud de la combustion pour les faire sortir. De cette façon, on peut faire économiser de l'énergie au piston en lui facilitant le travail. De plus, due à ce principe, on peut se permettre de faire durer l'ouverture de la soupape d'admission plus longtemps ce qui aura pour bénéfice de faire entrer plus de mélange. Comme décris ci-haut.

Par contre, ceci peut avoir des effets néfastes tout dépendant du régime moteur. À des régime bas, comme au ralenti, l'énergie de la charge d'admission ne sera pas assez grande pour faire sortir les gaz d'échappement et une partie plus ou moins grande se mélangera donc à la quantité de mélange admise. Ces gaz sont déjà brûlés et ont donc donné leur énergie, ils diminueront d'autant plus le rapport stœchiométrique dans la chambre de combustion ce qui affectera l'efficacité de la combustion. En clair, cela fera étouffer le moteur.

C'est pourquoi l'overlap est surtout utilisé dans des moteurs de courses ou des moteurs plus performants comme dans les voitures sports. Encore une fois, c'est l'arbre à cames qui déterminera le temps d'overlap. Dans votre voiture de tous les jours c'est pas vraiment commun, mais ceux qui sont sérieux dans leur « tuning » peuvent profiter de ce phénomène en changeant les arbre à cames de leur moteur. Je reviendrai plus en détail sur ce sujet dans des capsules futures sur le tuning.

La distribution variable.

Bon si vous n'aviez pas déjà compris, le dessin du profile des arbres à cames du moteur est une affaire de compromis. Les cames sont en métal plein et aucun dispositif mécanique ne permet de changer leur profile. Du moins en théorie. La levée et la durée sont donc fixée à la phase conceptuelle du moteur pour donner le meilleur compromis entre performance, économie d'essence et pollutions.

Mais qu'est-ce qui arriverait si on trouvait un moyen de faire varier en continue les profiles des cames? Eh bien, depuis une bonne trentaine d'année cela est rendu possible grâce à la distribution variable.

La distribution variable consiste justement à faire varier la levée et la durée de l'ouverture des soupapes. La façon d'y arriver est à la fois simple et élégante. Au lieu d'avoir un seul profile de cames sur l'arbre on en ajoute deux. En déplaçant longitudinalement l'arbre à cames on peut donc faire bouger les cames selon deux, voir même trois profile de cames. On peut avoir un profile optimisé pour l'efficacité à bas régime et un profile pour le haute régime et plus de puissance. Encore une fois, tout est une question de compromis.

Honda a été un des premiers constructeurs à construire ce type de moteur. Dans le système VTEC, on a deux profiles de cames. Un optimisé pour une efficacité énergétique et une stabilité de régime quand le moteur tourne lentement et un autre optimisé pour la performance et la puissance quand le moteur tourne à plus haut régime. Le tout est sélectionné par l'ordinateur de bord qui contrôle le moteur. Différents facteurs comme la charge moteur, la vitesse du véhicule et la position de l'accélérateur etc... sont pris en compte par l'ordinateur pour déterminer quel profile convient le mieux aux conditions en vigueur. Ce dernier active ensuite un petit solénoïde qui amène de l'huile sous pression dans un petit poussoir hydraulique qui fait se déplace l'arbre à cames au complet.

Dans ses premières versions, comme le moteur de la Honda CRX de 1989, seulement les soupapes d'admission était contrôlé de cette façon et de plus seulement la durée était variable. Plus tard avec le i-VTEC et ces différentes versions, la levée devint aussi variable et les soupapes d'échappement furent aussi contrôlés de cette façon. Le temps que les autres constructeurs design leur propre système et aujourd'hui on retrouve ce type de système dans la plupart des moteurs qui se respectent.

Ce serait trop compliqués pour ce soir de voir ces systèmes en détails. En gros, il faut retenir que ce type de système permet d'avoir le meilleur des deux mondes. Un moteur peu gourmand et performant. Par contre, on ajoute des pièces et des systèmes ce qui n'améliore pas la fiabilité. Finalement, il y a plusieurs façon d'arriver aux même fins, je vous en parle dans une prochaine capsule ainsi que ce que le futur nous réserve dans ce domaine. Pour l'instant vous devez avoir le cerveau en feu, alors on fait un petite pause jusqu'à la prochaine chicane.