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2. Valvetronic

2.1. Introduction

Il existe plusieurs possibilités pour améliorer le rendement d’un moteur ainsi que pour réduire la consommation énergétique. Les solutions qui s’offrent à nous afin d’augmenter le rendement d’un moteur sont les suivantes :

a) restriction des pertes mécaniques

b) optimisation générale du moteur 

c) limitation des pertes à l’alternance de charge

a) Restriction des pertes mécaniques

Les pertes mécaniques sont généralement engendrées par une série de facteurs qui dépendent directement du régime. Pour restreindre ces pertes de charge, certaines mesures ont vu le jour telles que le passage de la friction par glissement à la friction par roulement dans la commande des soupapes ou encore l'utilisation d'huiles moteur de meilleure qualité.

b) Optimisation générale du moteur

Il y a trois possibilités pour améliorer le rendement du moteur grâce à son optimisation :

Premièrement, on peut  améliorer le rendement d’un moteur en augmentant son rapport volumétrique. Le rapport volumétrique maximal est défini par la limite de cliquetis à pleine charge. Le cliquetis est détecté par  des détecteurs de cliquetis. Le rapport volumétrique de compression pourrait être augmenté pour les faibles charges. L’idéal serait alors d’avoir un rapport volumétrique variable en fonction de la charge mais cette technologie n’est pas encore d’actualité chez BMW. Cependant je me suis renseigné pour savoir si quelqu’un étudiait cette possibilité et j’ai vu qu’un constructeur de pièces automobiles lyonnais avait créé et breveté le système MCE-5 qui est un système où le rapport volumétrique évolue en fonction de la charge, du régime moteur mais aussi avec les conditions climatiques (température, pression,...).

Deuxièmement, on a aussi la possibilité de jouer sur la richesse du mélange, en effet lorsqu’on a un mélange pauvre (rapport carburant/air), c'est-à-dire λ est > 1 la consommation de carburant diminue. Pour information, le mélange qui offre le couple maximum et donc le rendement maximum est de 18:1, le mélange qui offre la puissance maximum est de 12,5:1.

L’idéal est donc de permettre la variation de la richesse du mélange en fonction des conditions de roulage : lorsque le conducteur enfonce la pédale d’accélérateur (qu’il cherche la puissance) il est plutôt préférable d’avoir un mélange riche et inversement, s’il roule paisiblement on a plutôt intérêt à avoir un mélange se rapprochant le plus du rendement maximum (18:1).

Les voitures qui ne disposent pas d’un système permettant de faire varier la richesse du mélange ont un mélange fixe qui est le mélange stœchiométrique (14,7:1) λ=1 ce mélange allie la puissance et le rendement sans faire trop de concessions.

Troisièmement, on peut optimiser la combustion. Les paramètres de la combustion, sont la durée de la combustion et le moment fort de la combustion.

Actuellement cette combustion est optimisée au moyen de boîtiers de gestion moteur qui interviennent sur le moment optimal de l'allumage et de l'injection ainsi que la durée d’injection en fonction de  chaque point de fonctionnement du moteur. Aujourd’hui, il est très difficile d’améliorer d’avantage cette optimisation de la combustion. Toutes autres améliorations n’apporteraient qu’un très faible gain au niveau de la consommation.

c) Limitation des pertes à l’alternance de charge

Le couple moteur est régulé par la régulation du débit d'admission d'air au moyen d'un papillon. Le papillon fait varier la charge (la quantité d’air qui entre dans le moteur). 

Pour chaque point de charge, le papillon des gaz engendre une dépression plus ou moins importante dans le conduit d'admission.

La génération de cette dépression dans le conduit d’admission entraine de grosses pertes de charge. Les pertes de charge sont inversement proportionnelles à la charge moteur, en effet plus le papillon des gaz est ouvert moins il y a de pertes de charge et plus le papillon est fermé (faible charge moteur) plus les pertes de charge sont importantes. L'admission d’air dans les cylindres à la pression ambiante (sans perte de charge) est donc idéal si l’on veut accroître le rendement moteur et diminuer la consommation. Pour que cela soit possible il faut une commande de charge sans restriction de débit.

Les ingénieurs BMW ont inventé un système (Valvetronic) permettant justement de régler la charge du moteur désirée en fonction des conditions de roulage et cela sans générer trop de pertes de charge.

2.2. Qu’est ce que le Valvetronic ?

Le système Valvetronic est un système qui permet une commande entièrement variable des soupapes, avec comme objectif de pouvoir choisir librement le point de fermeture de l'admission. Ce système comprend la commande entièrement variable de la levée des soupapes et le calage variable des arbres à cames (Vanos). Cela permet donc de commander la charge moteur sans restriction de débit. La commande de la levée des soupapes n'est assurée que du côté admission. 

Pour information, la commande de charge sans restriction du débit est uniquement possible si:

- la levée de la soupape d'admission peut être commandée de manière variable

- le calage des arbres à cames d'admission et d'échappement peut être commandé de manière variable.

Les avantages généraux du système Valvetronic sont les suivant :

- augmentation du rendement moteur.

- augmentation de la dynamique du moteur.

- réduction de la consommation.

- amélioration en terme d’émission polluantes à l’échappement.

Le système Valvetronic II équipe une partie des nouvelles BMW Z4 E89 (2.3i et 3.0i), c’est une évolution de la première version mais le principe de fonctionnement est exactement le même. La levée maximale est de 9,9 mm à pleine charge et de 0,18 mm au ralenti. 

Voici quelques caractéristiques des moteurs munis du système Valvetronic II :

- couple spécifique de 100Nm/l .

- puissance spécifique de 63,4 kW/l soit approximativement 86 chevaux/l.

- régime maximal de 7000 tr/min .

- réduction de 10 % des rejets de CO2 par rapport à l’ancienne version.

2.3. Comparaison entre un moteur commandé par un papillon et un moteur commandé par un système Valvetronic

Voici les diagrammes de la pression en fonction du volume (PV) d’un moteur commandé par un papillon (à gauche) et d’un moteur commandé par un système Valvetronic (à droite) :

Légende

Remarque : j’appelle travail « négatif » le travail équivalent aux pertes du diagramme. Je sais très bien qu’un travail ne peut jamais avoir de valeurs négatives.

Sur le diagramme de gauche on aperçoit que le travail « négatif » (B), en orange, qui équivaut aux pertes, est assez important contrairement au diagramme de droite (système Valvetronic) où le travail « négatif » (B) est plus modéré. Le travail « négatif » est engendré dans les deux cas par la consommation d’énergie permettant l’évacuation des gaz d’échappement brûlés et par l’aspiration des gaz frais des différents cylindres. En effet, lors de ces moments le moteur utilise de l’énergie et n’en produit pas.

La surface du travail « négatif » (B) est plus importante sur le diagramme de gauche car l'aspiration d'air frais sur un moteur piloté par papillon doit dans tous les cas, sauf à pleine charge, surmonter la résistance qu'oppose le papillon aux gaz admis. Si le papillon n’est pas entièrement ouvert, c'est-à-dire pleine charge, il y a une perte de charge qui se crée suite à la dépression crée par le papillon. Tandis que sur le moteur avec système Valvetronic (à gauche), le papillon reste pratiquement toujours ouvert lors de la phase d'admission. La commande de charge s'effectue en agissant sur la levée et le point de fermeture de la soupape d'admission.

Avec le système Valvetronic il n’y a donc aucune dépression dans le collecteur d'admission, contrairement au moteur dont la charge est pilotée par le papillon. Ce qui veut dire que l'énergie nécessaire à générer la dépression dans toute la ligne d'admission disparaît (voir sur le diagramme : diminution de la surface de travail « négative » (B) en orange). La conséquence de la réduction de cette surface représentant le travail «négatif » est que le rendement  se voit considérablement amélioré.

2.4. Constitution et fonctionnement du système Valvetronic

Constitution du système Valvetronic

Légende

Fonctionnement du système Valvetronic

Le servomoteur (1) est disposé au-dessus des arbres à cames. Le servomoteur commande le calage de l'arbre à excentrique (14) via la vis sans fin (2) qui  s’engrène avec la roue tangente de l'arbre à excentrique (15). Aucun blocage spécifique de l'arbre excentrique n'est nécessaire après le décalage car la résistance du système de vis sans fin est suffisante. 

La rotation de l'arbre à excentrique engendre le déplacement du levier intermédiaire (13) vers l'arbre à cames d'admission (5). Mais comme le levier intermédiaire est aussi en appui sur l'arbre à cames d'admission, la position du culbuteur à galet (12) par rapport au levier intermédiaire varie. La rampe (6) du levier intermédiaire est décalée en direction de l'arbre à cames d'échappement (16).

La rotation de l'arbre à cames et le mouvement de la came en direction du levier intermédiaire fait entrer en action la rampe située sur le levier intermédiaire. Cette rampe déplace le culbuteur à galet et, de ce fait, la soupape d'admission (8) plus loin vers le bas. La soupape d'admission s'ouvre ainsi davantage.

En position de pleine charge, la levée des soupapes et la durée d'ouverture sont maximales. En position de ralenti, la levée des soupapes et la durée d'ouverture sont minimales.

Position en levée minimale

Position en levée maximale

2.5. Constituants du système Valvetronic

Gestion électronique de la levée des soupapes

La gestion électronique de la levée des soupapes est directement assurée par la gestion moteur (DME).Cette gestion moteur intègre une cartographie de commande de levée des soupapes. Le DME commande via le servomoteur la position de l’arbre excentrique en fonction la charge (capteur position pédale d’accélération).

Servomoteur

Le mouvement de l'arbre à excentrique est effectué par un moteur à courant continu à collecteur. L'inversion du sens de rotation et la durée du pilotage cadencé permet de décaler l'arbre à excentrique en conséquence. Le servomoteur peut absorber jusqu'à 40A de courant pour le décalage maximal.

Capteur de l’arbre excentrique

La position de l'arbre à excentrique est signalée au DME par le capteur de l'arbre à excentrique. Le capteur de l'arbre à excentrique fonctionne selon le principe magnéto résistif.

Papillon

Même si le papillon n’est plus nécessaire à la régulation du débit d’entrée d’air dans le moteur, il équipe quand même les moteurs équipés du Valvetronic pour les raisons qui suivent :

- le dégazage du réservoir et du carter moteur. En effet, la génération d’une faible dépression créée par le papillon assure le dégazage du réservoir et du carter moteur.

- le mode dégradé : si un défaut survient dans le système Valvetronic, la levée des soupapes est décalée au maximum grâce l’arbre excentrique et  la commande de la charge est alors reprise par le papillon.