Les moteurs à combustion interne nécessitent des soupapes pour l’alimentation et l’évacuation des gaz. Les concepteurs de moteurs veulent un degré élevé de flexibilité pour améliorer le rendement, réduire les émissions polluantes et faire un usage optimal des carburants renouvelables. Jusqu’à présent, les soupapes d’échange de gaz des moteurs à quatre temps étaient commandées par des arbres à cames. Malgré la complexité de certains mécanismes supplémentaires, la flexibilité de ces moteurs reste limitée. L’Empa a mis au point une commande électrohydraulique innovante qui permet un réglage totalement libre de la levée des soupapes et des angles de distribution, tout en étant robuste et économique.

Cette commande de soupapes a été construit sur un moteur de série et fonctionne avec succès sur banc d’essai depuis plusieurs mois. Cette nouvelle technologie permet d’économiser jusqu’à 20 % de carburant dans la plage d’utilisation typique des voitures particulières.

L’Empa est un institut de recherche de la Confédération suisse pour les sciences et technologies appliquées des matériaux. Basée à Zurich et fondée en 1880, elle emploie aujourd’hui environ 1 000 scientifiques travaillant sur un large éventail de projets.

Chef de projet Patrik Soltic (au milieu) avec ses collègues Andyn Omanovic et Norbert Zsiga devant un modèle de la commande de vanne FlexWork. Image: Empa

La commande des soupapes est « l’organe respiratoire » des moteurs à combustion : elle commande l’alimentation en air frais et l’évacuation des gaz d’échappement, ce que l’on appelle un  » échange de gaz ». Aujourd’hui, seuls des arbres à cames entraînés mécaniquement sont utilisés en série à cette fin, souvent équipés d’un mécanisme supplémentaire, dont certains sont assez complexes. Ceci permet de modifier un modèle de mouvement de soupape spécifié par l’arbre à cames, ce qui n’est pas possible sans un frottement accru.

De même, la flexibilité n’est pas accordée dans la mesure souhaitée. Les mouvements rapides des soupapes, même à bas régime, les adaptations de course et le calage variable des soupapes en fonction de la cylindrée sont recherchés – entre autres pour s’adapter aux propriétés changeantes du carburant.

Echange de gaz optimisé et moins de frottement pour économiser du carburant.

Patrik Soltic et son équipe de l’Empa ont inventé et développé avec Wolfgang Schneider, spécialiste de l’hydraulique, un système de distribution électrohydraulique beaucoup plus flexible que la technique de production en série actuelle. Les soupapes sont actionnées hydrauliquement et commandées électriquement par l’intermédiaire d’une bobine magnétique individuelle.

Dès qu’un petit courant de commande circule, une soupape hydraulique spécialement conçue s’ouvre, permettant au fluide hydraulique d’ouvrir contre un ressort la soupape d’échange de gaz à la course souhaitée en quelques millisecondes. Lorsque le courant est coupé, la soupape d’échange de gaz se referme sous l’effet de la force du ressort et restitue au système hydraulique la majeure partie de l’énergie hydraulique nécessaire à l’ouverture. Le système permet d’obtenir une consommation d’énergie nettement inférieure sur une large plage de fonctionnement par rapport aux systèmes à arbre à cames.

Grâce à un échange de gaz optimisé, la consommation de carburant du moteur d’essai à allumage commandé est inférieure d’environ 20 % dans la plage de faible charge typique des voitures particulières par rapport à un contrôle de charge classique à l’aide d’un papillon des gaz combiné à une commande de soupapes par arbre à came.

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 réglés librement pour chaque cylindre. Cela signifie que chaque condition de fonctionnement du moteur peut être modifiée d’un cycle à l’autre, par exemple par un contrôle intelligent de la charge, en sélectionnant la quantité de gaz résiduels restant dans le cylindre (recirculation des gaz d’échappement) ou en désactivant les cylindres non nécessités sans que cela soit perceptible pour le conducteur.

Schéma en coupe de la commande de soupape FlexWork. Image: Empa

Le moteur s’adapte donc très bien aux nouveaux carburants renouvelables : les carburants contenant de l’oxygène comme le méthanol ou l’éthanol, par exemple, permettent de garder plus de gaz résiduel dans le cylindre. Le gaz naturel, le biogaz et le gaz de synthèse issus de l’énergie éolienne et solaire ont des propriétés antidétonantes accrues, et la commande de soupapes peut réagir de manière flexible à celles-ci.

En outre, d’autres concepts de combustion peuvent également être mis en œuvre relativement facilement, par exemple l’auto-allumage homogène : un mélange carburant-air est allumé au bon moment sans étincelles d’allumage en réglant les bonnes conditions vers la fin de la compression. Le mélange s’enflamme spontanément et brûle pratiquement sans polluant.

Culasse sans huile

Une autre particularité du système mis en place à l’Empa est le choix du fluide hydraulique : au lieu d’utiliser l’huile comme d’habitude, on utilise un mélange eau-glycol, c’est-à-dire l’eau de refroidissement du moteur. En raison de ses propriétés physiques, ce fluide est très adapté aux systèmes hydrauliques à commutation rapide, car il est très rigide et cause donc moins de pertes. La culasse est ainsi totalement exempte d’huile, ce qui peut permettre l’utilisation de formulations d’huiles moteur plus simples avec des intervalles de vidange allongés.

Plusieurs mois d’exploitation à l’essai

Dans le cadre du projet « FlexWorks » financé par l’OFEN, la nouvelle commande de soupapes a été mise en service dans un moteur de voiture particulière fonctionnant au gaz naturel et dérivé d’un moteur VW 1.4l TSI. Les composants nécessaires ont été fabriqués par l’atelier d’essai de l’Empa. Le système de commande du moteur d’essai a été développé par les chercheurs de l’Empa eux-mêmes. Depuis octobre 2018, la commande de soupapes fonctionne sur un banc d’essai moteur de l’Empa et a déjà survécu sans problème à plusieurs millions de manœuvres sur un moteur en fonctionnement.

La commande de soupapes FlexWork ne nécessite que des composants peu coûteux. Pas de vannes de commutation très rapides coûteuses et aucun capteur complexe n’est nécessaire. Le 16 août, le système de commande de soupapes a été présenté à l‘ensemble des spécialistes dans la revue MTZ Worldwide. L’Empa est en dialogue avec les fabricants de moteurs pour le transfert de cette technologie, qui convient non seulement aux moteurs à combustion mais aussi aux compresseurs.

https://www.empa.ch/web/s604/flexwork