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3. Vanos

3.1. Introduction

La quantité d’air frais aspiré par le moteur se régule généralement à l’aide du papillon des gaz. Ce n’est cependant pas la seule alternative  permettant de modifier la charge d'air frais dans le cylindre. Effectivement, il y a 3 possibilités bien distinctes:

- modification du calage de la distribution à l'admission et à l'échappement

- collecteur d'admission à géométrie variable 

- suralimentation par turbocompresseur.

Je vais m’intéresser au système permettant le calage variable des arbres à cames d'admission et d'échappement. Le système qui permet la modification du calage de la distribution à l'admission et à l'échappement s’appelle Vanos chez BMW.

Le comportement des colonnes gazeuses entrant ou sortant du cylindre varie fortement en fonction du régime et de l'angle d'ouverture du papillon. En cas de calage fixe de la distribution, le balayage des gaz ne peut être optimisé que pour une certaine plage de fonctionnement bien déterminée contrairement au système de calage variable de la distribution qui permet lui une adaptation à différentes plages de fonctionnement du moteur. 

Le système Vanos  de calage variable des arbres à cames consiste à modifier par pivotement la position des arbres à cames d'admission et d'échappement par rapport au vilebrequin. La rotation des arbres à cames est assurée par modulation de la pression d'huile via des actionneurs.

Il existe plusieurs évolutions du système Vanos, ils ont cependant tous le même principe de fonctionnement. Je me suis plus penché sur le système double Vanos à variation continue car c’est le système qui équipe les nouvelles BMW Z4 E89 (2.3i, 3.0i et 3.5i)

Pour information : actuellement tous les moteurs à essence BMW, MINI sont équipés de Vanos.

3.2. Avantages principaux du système Vanos

Voici les principaux avantages qu’offre le système de calage variable des arbres à cames Vanos :

a) Augmentation de la puissance moteur

b) Recyclage interne des gaz d’échappement

c) Augmentation du couple moteur

d) Réduction des émissions polluantes

e) Baisse de la consommation 

a) Augmentation de la puissance moteur

La puissance moteur maximale est essentiellement déterminée par l'instant de fermeture de la soupape d'admission. A hauts régimes, l'instant de fermeture de la soupape d'admission est décalé dans le sens "retard". L'instant de fermeture est choisi de façon à obtenir un remplissage optimal du cylindre et donc une puissance unitaire la plus élevée possible.

b) Recyclage interne des gaz d’échappement

Le système Vanos réalise, en jouant sur le croisement des soupapes, un recyclage interne des gaz d'échappement. En effet, lors de  la phase de croisement (c’est à dire lorsque la soupape d’admission et d’échappement sont simultanément ouvertes), il y a un transfert d'une certaine quantité de gaz d'échappement du conduit d'échappement vers le conduit d'admission.

c) Augmentation du couple moteur

A bas et moyen régime, le décalage de l’arbre à cames d’admission permet d’accroitre le couple moteur en améliorant le remplissage des cylindres.

d) Réduction des émissions polluantes

Le système Vanos permet, en faisant varier le croisement des soupapes, d'agir sur la quantité de gaz résiduels présents dans le cylindre. Le maintien d'une certaine quantité de gaz résiduels dans le cylindre limite la  température de combustion et réduit ainsi les émissions de NOx.

Le système Vanos permet aussi indirectement d’échauffer plus rapidement les catalyseurs et donc il permet la réduction d’émission polluante lors d’un démarrage à froid.

e) Baisse de la consommation

Grâce au système Vanos, les moteurs qui en sont équipés consomment jusqu’à 10% de moins que les moteurs qui n’en sont pas équipés.

3.3. Fonctionnement du double Vanos à variation continue

Le boîtier électronique de gestion moteur détecte, grâce aux capteurs d'arbres à cames, la position instantanée des arbres à cames. A partir du signal de régime moteur (capteur N au niveau du vilebrequin) et du signal de charge (capteur position pédale accélérateur), le boîtier électronique de gestion moteur DME calcule et régule la position requise des arbres à cames d'admission et d'échappement en fonction des températures de l'air aspiré et de la température du liquide de refroidissement.

En fonction des informations reçues, le boîtier électronique de gestion moteur commande la position (l’ouverture et la fermeture) des électrovannes qui régulent la pression d’huile dans le système.

La pression d’huile sert à actionner des moteurs hydrauliques à palettes  qui déplacent et calent la distribution de façon continue.

Remarque : le temps de réglage pour un angle vilebrequin de 60° est de 300 millisecondes.

Circuit hydraulique du système Vanos

Légende

Le circuit hydraulique du système VANOS commence du carter d'huile (1) où l’huile est aspirée grâce à la pompe à huile (2). Avec la pression générée par la pompe à huile, l’huile traverse un premier filtre à huile (3) pour se diviser ensuite entre les deux « sous-circuits » (circuit admission et circuit échappement). L’huile passe ensuite dans des clapets anti-retour (4, 5) et de fines crépines (6, 7) pour arriver aux électrovannes (8, 9). Par l'intermédiaire de l'électrovanne, l'huile sous pression est, en fonction des besoins, appliquée à l'une ou l'autre des chambres de pression du moteur à palettes (10 ou 11). Les moteurs à palettes assurent le décalage angulaire des deux arbres à cames.

3.4. Moteur à palettes du système Vanos

Vue générale d’un moteur à palettes

Légende

Lorsque l’huile sous pression arrive aux électrovannes, elle est dirigée, selon les consignes de la gestion moteur qui agit sur le positionnement des électrovannes, dans les chambres de pression avance (4) ou dans les chambres de pression retard (11). L’huile est acheminée par des conduits d’huile (5, 6, 8, 10) qui lient les chambres de pression à l’électrovanne. La pression de l’huile agit sur les palettes qui se trouvent dans les chambres de pression et permettent ainsi la rotation de l’arbre à cames.