Le cycle de fonctionnement théorique du moteur à quatre temps se compose de la course d’admission, de la course de compression, de la course de puissance et de la course d’échappement. Par souci de simplicité, le même cycle théorique est utilisé pour tous les moteurs automobiles. Mais pour s’assurer que chaque cylindre est rempli de gaz et vidé de la manière la plus efficace possible à chaque moment spécifique (même à différentes vitesses et avec différentes charges), l’angle auquel les soupapes s’ouvrent et se ferment doit s’écarter du cycle théorique. C’est là que le système VVT ou de distribution à calage variable et les électrovannes VVT entrent en jeu. Lisez la suite pour découvrir la fonction et la géométrie de ces pièces importantes.
Retard et inertie
Comme expliqué dans l’introduction, les temps d’ouverture et de fermeture de la soupape doivent être légèrement différents du cycle théorique afin d’optimiser le processus d’entrée et de sortie des gaz du cylindre. Et cela, à son tour, est affecté à la fois par le retard et l’inertie :
- Retard : Les soupapes ne s’ouvrent pas instantanément. Il peut s’écouler entre 20 et 30° de rotation du vilebrequin pour qu’elles soient complètement ouvertes. Sans aucune mesure corrective, cela entraînerait des retards dans le cycle d’admission et dans le cycle d’échappement :
- Si, au cours du cycle d’admission, le piston commence à descendre et que la soupape d’admission n’est pas encore ouverte en raison du retard mentionné ci-dessus, une dépression est créée dans le cylindre. Cela rend plus difficile le démarrage de la course descendante du piston et réduit donc les performances du moteur.
- A son tour, si le piston commence à monter dans le cycle d’échappement et que la soupape n’est pas ouverte en raison du retard, la pression dans le cylindre s’oppose à la montée du piston, réduisant à nouveau les performances du moteur.
- Inertie : De plus, lorsqu’une soupape s’ouvre, les gaz « hésitent » légèrement pour commencer à se déplacer. Cela génère également un bref délai au début du processus (remplissage ou vidage du cylindre).
Ouverture de soupape standard sans système VVT
Le graphique suivant montre la géométrie fixe d’un véhicule sans système de distribution à calage variable (système VVT), et où P.M.H. se rapporte au point mort haut et P.M.B. au point mort bas :
Schéma d’ouverture de soupape standard sans système VVT
- IVO ou ouverture de la soupape d'admission (en bleu) Afin d’éviter un retard et de permettre ainsi aux gaz d’admission de pénétrer dans le cylindre dès que possible, la soupape d’admission est ouverte un peu avant le P.M.H.
- IVC ou fermeture de la soupape d'admission (en bleu)
La soupape d’admission se ferme un peu après que le piston a dépassé le P.M.B. Cela permet de tirer parti de l’inertie des gaz et d’optimiser ainsi le processus de remplissage des cylindres.
- EVO ou ouverture de la soupape d’échappement (en orange) A la fin de la course descendante, bien que la pression à l’intérieur du cylindre ait diminué lorsque les gaz ont poussé le piston vers le bas, pour s’assurer que le piston ne rencontre aucune opposition pendant sa course ascendante, la soupape d’échappement s’ouvre avant le P.M.B.
- EVC ou fermeture de la soupape d’échappement (en orange) Pour s’assurer que tous les gaz brûlés ont été éjectés et que l’air restant dans le cylindre est complètement frais, la fermeture de la soupape d’échappement est légèrement retardée.
Comme vous pouvez le voir sur le schéma, il y a un chevauchement (en vert) : une courte période pendant laquelle les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes en même temps.
Système VVT ou système de distribution à calage variable
Fonction du système VVT
Comme la vitesse des moteurs automobiles n’est pas constante, le diagramme de synchronisation devrait idéalement varier en parallèle. En d’autres termes, les angles de fermeture et d’ouverture des soupapes doivent être adaptés aux valeurs qui optimisent les processus de vidange et de remplissage des cylindres, en fonction du régime moteur.
Le système VVT influence le calage des soupapes à l’aide d’un déphasage situé à la tête de l’arbre à cames. Cette partie est activée par l’unité de commande du moteur au moyen d’un débit d’huile commandé par l’électrovanne.
Les principaux avantages de ce système sont les suivants :
- réduction de la consommation de carburant
- augmentation du couple et de la puissance
- réduction des émissions
Principalement dans les moteurs à essence
Le système VVT a été introduit dans les véhicules asiatiques et européens à la fin des années 80 et au début des années 90. Au milieu des années 2000, ce système a gagné en popularité et a commencé à être utilisé par tous les principaux constructeurs automobiles. Aujourd’hui, ce système est normalement installé dans la plupart des moteurs à essence, mais peut également être installé dans certains moteurs diesel. Bien que le nom utilisé pour le système varie d’un fabricant à l’autre, et bien qu’il puisse y avoir de petites différences, le principe de fonctionnement est pratiquement le même :
- Honda : VTEC
- Toyota : VVT-i
- BMW VANOS
- FORD Ti-VCT
- Kia-Hyundai : CVVT
- Porsche : VARIO CAM
- VAG : TGV
- …
Electrovanne et autres composants VVT
Les principaux composants d’un système de distribution à calage variable sont les suivants :
Principaux composants d’un système VVT
- ECU
- Capteurs Rev.
- Déphaseur
- Arbre à cames
- Électrovannes
- Conduite d’huile
Zoom sur le déphaseur
Le déphaseur adapte l’angle d’ouverture des soupapes. Il se compose des éléments suivants :
Les composants d’un déphaseur
- Rotor intérieur : cette partie est fixée à l’arbre à cames.
- Carter extérieur : cette pièce est fixée à la poulie de distribution du moteur.
- Galeries : elles sont activement remplies d’huile d’un côté ou de l’autre des pales internes du rotor. Cela fait tourner le rotor interne par rapport au carter extérieur, en avançant ou en retardant les temps d’ouverture des soupapes.
Désormais, ce débit d’huile d’un côté ou de l’autre des galeries est commandé par l’électrovanne. Comme nous le verrons plus loin dans cet article, l’électrovanne permet à l’huile de s’écouler à travers les tuyaux vers les galeries en fonction du signal modulé en largeur d’impulsion (MLI) qu’elle reçoit de l’unité de commande.
Zoom sur l’électrovanne
L’électrovanne, à son tour, se compose des éléments suivants :
Composants de l’électrovanne
- Conduite d’alimentation en huile
- Retour d’huile
- Conduites d’huile vers l’arbre à cames
- Piston
- Bobine solénoïde
- Connecteur électrique
L’électrovanne : positions
Le système VVT est le plus souvent installé pour fonctionner avec l’arbre à cames d’admission, même si, dans certains véhicules, vous pouvez également en trouver un associé à l’arbre à cames d’échappement. Les moteurs haute performance, par exemple, fonctionnent avec des systèmes plus complexes capables de faire varier le soulèvement des cames. Les électrovannes peuvent donc se trouver à différents endroits.
1. Electrovanne en position « retard »
L’électrovanne peut être en position « retard » :
L'électrovanne est en position « retard »
Lorsque le moteur tourne au ralenti, l’électrovanne actionne son piston interne. Cela permet à l’huile de s’écouler pour remplir un côté des galeries, tandis que l’huile retourne vers le carter depuis les autres côtés. Il en résulte qu’ils s’ouvriront un peu plus tard dans le cycle du moteur.
Le retardement de l’ouverture de la soupape d’admission empêche les gaz brûlés de pénétrer dans le collecteur d’admission au ralenti. Il permet également d’économiser du carburant : le moteur peut continuer à tourner sans à-coups, sans devoir augmenter le régime de ralenti.
2. Electrovanne en position « avancée »
L'électrovanne peut également être en position « avant » :
[image6] L'électrovanne est en position « avant »
A régime moteur élevé, l’électrovanne se déplace dans la position opposée. Cela inverse le flux d’huile et entraîne le déplacement de l’arbre à cames vers sa position « avancée » maximale.
Lorsque le moteur tourne à plein régime, le remplissage du cylindre prend beaucoup moins de temps. Ainsi, si nous avançons dans l’ouverture de la soupape, nous nous assurons que le gaz d’admission commence à pénétrer dans le cylindre avant même que le piston n’ait atteint le P.M.H. En avançant l’ouverture, la fermeture est, bien sûr, également avancée. Mais dans ce cas, en raison de la vitesse du moteur, le cylindre a encore suffisamment de temps pour se remplir, garantissant des performances optimales et tirant parti de l’inertie des gaz circulant à des vitesses plus élevées.
3. Electrovanne en position « en attente »
De plus, l’électrovanne peut également être en position « en attente » :
L'électrovanne est en position « en attente »
Les arbres à cames sont équipés de capteurs à effet Hall. Ces capteurs indiquent à l’unité de commande leur position exacte par rapport au vilebrequin. Ainsi, l’unité de commande peut déterminer la position de l’électrovanne nécessaire à chaque instant. Il calcule cette donnée en comparant les signaux d’entrée (tels que le régime moteur, la position du papillon, etc.) avec les cartes qu’il a mémorisées. Lorsque l’avance souhaitée est atteinte, l’électrovanne est placée en position d’attente. Il bloque ainsi le débit d’huile dans les deux sens, maintenant l’arbre à cames à un certain angle par rapport au pignon d’arbre à cames.
Lorsque le moteur tourne à une vitesse intermédiaire ou dans d’autres situations spécifiques, l’unité de commande peut déterminer une « position d’avance intermédiaire » de l’arbre à cames pour un fonctionnement optimal du moteur à ce moment-là. Les positions intermédiaires aident à réduire les niveaux de NOx et ont donc un effet similaire sur le moteur que les systèmes de recirculation des gaz d’échappement (généralement installés dans les moteurs diesel, les EGR laissent certains gaz d’échappement revenir dans le collecteur d’admission. Lorsqu’ils pénètrent à nouveau dans la chambre de combustion, ils abaissent la température, ce qui génère moins de NOx).
Pannes du système VVT
Problèmes de pression d’huile
La panne hydraulique la plus courante est une pression d’huile faible ou nulle. C’est souvent le résultat d’une huile qui n’a pas été correctement entretenue et qui transporte des débris et des boues. Lorsque ces impuretés se déposent dans le préfiltre du canal d’alimentation en huile de l’électrovanne, elles limitent le débit d’huile. Le système fonctionne alors lentement ou pas du tout. De plus, les particules peuvent traverser le filtre, provoquant le grippage de l’électrovanne dans n’importe quelle position.
Le problème d’une pression trop faible peut être exacerbé si l’huile n’a pas la bonne viscosité, ou en cas de défaillance du système de lubrification.
Problèmes de pression d’huile
Pannes électriques
Les électrovannes peuvent également subir des pannes électriques. La bobine peut tomber en panne, entraînant l’arrêt du fonctionnement de la soupape. Comme toujours, il est recommandé de vérifier les câbles qui vont à la soupape pour éviter de remplacer inutilement une pièce en bon état.
L’unité de commande du moteur utilise les capteurs de position d’arbre à cames et de vilebrequin pour évaluer le fonctionnement du système. En cas d’anomalie, il génère un code d’erreur et allume le témoin de diagnostic du moteur.
[image9] Témoin de diagnostic du moteur