Dessin en coupe de l'entraînement de vanne FlexWork. Crédit :Empa
La commande des soupapes est "l'organe respiratoire" des moteurs à combustion :elle gère l'aspiration d'air frais et l'évacuation des gaz d'échappement, ce qu'on appelle "l'échange de gaz". Aujourd'hui, seuls des arbres à cames à entraînement mécanique sont utilisés dans la production en série à cet effet, souvent équipé d'un mécanisme supplémentaire, dont certains sont assez complexes. Cela permet de modifier un modèle de mouvement de soupape donné par l'arbre à cames, ce qui n'est pas possible sans une augmentation du frottement. À la fois, la flexibilité n'est pas donnée dans la mesure souhaitée. Ce qui est demandé, entre autres pour l'adaptation aux propriétés changeantes du carburant, ce sont des mouvements de soupape rapides, même à basse vitesse, adaptations de course et calage des soupapes largement variable et sélectif des cylindres.
Échange de gaz optimisé et moins de friction pour économiser du carburant
Patrik Soltic et son équipe du laboratoire Automotive Powertrain Technologies de l'Empa, avec le spécialiste de l'hydraulique Wolfgang Schneider, inventé et développé un train de soupapes électrohydraulique qui est nettement plus flexible que la technologie de production en série d'aujourd'hui. Les vannes sont actionnées hydrauliquement et commandées électriquement via une bobine magnétique. Dès qu'un courant de commande circule, une vanne hydraulique spécialement conçue s'ouvre, permettant au fluide hydraulique d'ouvrir la vanne d'échange de gaz dans la mesure souhaitée en millisecondes contre un ressort. Lorsque le courant est coupé, la vanne d'échange de gaz est refermée par la force du ressort et fournit une grande partie de l'énergie hydraulique nécessaire à la réouverture dans le système hydraulique. Le système atteint un besoin en énergie nettement inférieur sur une large plage de fonctionnement par rapport aux systèmes entraînés par arbre à cames. Associé à un échange gazeux optimisé, la consommation de carburant du moteur à allumage commandé d'essai est d'environ 20 % inférieure à celle d'une commande de soupape conventionnelle utilisant un papillon en combinaison avec des arbres à cames dans la plage de faible charge typique des voitures particulières.
Adaptable aux carburants renouvelables
En sélectionnant les paramètres de fonctionnement, les temps d'ouverture et de fermeture ainsi que la levée de soupape pour chaque cylindre peuvent être choisis sans aucune restriction. Cela signifie que chaque condition de fonctionnement du moteur peut varier d'un cycle à l'autre, par exemple par un contrôle de charge intelligent, en sélectionnant la quantité de gaz résiduel restant dans la bouteille (recirculation des gaz d'échappement), ou en désactivant les cylindres inutiles sans que le conducteur ne s'en aperçoive. Cela rend le moteur très adaptable aux nouveaux carburants renouvelables :carburants contenant de l'oxygène tels que le méthanol ou l'éthanol, par exemple, permettre à plus de gaz résiduel de rester dans le cylindre. Gaz naturel, le biogaz et le gaz de synthèse générés à partir de l'énergie éolienne et solaire offrent des propriétés antidétonantes accrues, et le train de soupapes peut également réagir de manière flexible à cela. En outre, des concepts de combustion alternatifs peuvent également être mis en œuvre relativement facilement, par exemple auto-allumage homogène :un mélange air-carburant s'enflamme au bon moment sans étincelles d'allumage en réglant les bonnes conditions vers la fin de la compression. Le mélange est brûlé presque sans pollution.
Modèle de l'entraînement de vanne FlexWork, monté sur un moteur de série. Crédit :Empa
Culasse sans huile
Une autre spécialité du système mis en place à l'Empa est le choix du fluide hydraulique :au lieu d'utiliser de l'huile comme d'habitude, un mélange eau-glycol, c'est-à-dire l'eau de refroidissement du moteur, peut être utilisé. En raison de ses propriétés physiques, ce milieu est très adapté aux systèmes hydrauliques à commutation rapide, car il est très rigide et crée donc moins de pertes hydrauliques. Cela rend la culasse complètement exempte d'huile, ce qui peut permettre d'utiliser une huile moteur moins chère avec des intervalles de changement prolongés pour le reste du moteur.
Plusieurs mois de fonctionnement test
Dans le cadre du projet « FlexWork » financé par l'OFEN, le nouveau train de soupapes a été mis en service dans un moteur de voiture de tourisme alimenté au gaz naturel et dérivé d'un moteur VW 1.4l TSI. Les composants nécessaires ont été fabriqués par le propre atelier de l'Empa. Le système de commande du moteur de test a été développé par les chercheurs de l'Empa eux-mêmes. La commande des soupapes fonctionne sur un banc d'essai de moteur de l'Empa depuis octobre 2018 et a déjà survécu à plusieurs millions de cycles de fonctionnement du moteur à feu sans problème.
La commande de vanne FlexWork n'a besoin que de composants à faible coût. Pas cher, des vannes de commutation très rapides et aucun capteur complexe n'est requis. Le système de commande des soupapes a été présenté aux experts techniques dans le magazine MTZ dans le monde le 16 août. L'Empa est en discussion avec les motoristes pour le transfert de cette technologie, qui convient non seulement aux moteurs à combustion mais aussi aux compresseurs.
