Généralités à propos des moteurs thermiques
Les moteurs quatre temps sont aujourd’hui utilisés dans la plupart des véhicules. Ils fonctionnent en transformant l’énergie potentielle chimique du carburant en énergie cinétique. Différentes architectures existent mais les plus courantes sont des moteurs alternatifs à combustion interne. Ces moteurs sont composés de plusieurs cylindres dans chacun desquels coulisse un piston. Ce mouvement de translation entraine la rotation du vilebrequin par l’intermédiaire d’une bielle. L’alimentation de la chambre de combustion se fait via le conduit d’admission, dont l’embouchure peut être fermée par une ou plusieurs soupapes, dites soupapes d’admission. Selon les moteurs, le combustible est injecté dans ce conduit (injection indirecte) ou dans le cylindre (injection directe). L’évacuation des gaz brulés se fait par le conduit d’échappement, obturable grâce aux soupapes d’échappement. Dans un moteur à essence, l’explosion est déclenchée par l’étincelle d’une bougie un peu avant que le piston soit au point le plus haut de sa course (Point Mort Haut ou PMH), on parle alors de moteur à allumage commandé. Dans les moteurs diesels, le combustible est injecté à haute pression et s’enflamme spontanément. Il existe aussi des prototypes utilisant l’auto inflammation de l’essence (combustion HCCI ) mais ce concept n’est pas encore mature.
Présentation d’un système de distribution en attaque directe
La distribution d’un moteur à combustion interne est constituée de l’ensemble des mécanismes qui permettent l’admission des gaz frais et le refoulement des gaz brulés. De nombreuses solutions, comme la distribution à fourreaux ou à lumières ont existé mais, à l’heure actuelle, la distribution se fait essentiellement par des soupapes actionnées par des cames .
Ces mécanismes peuvent être regroupés en quatre catégories : les systèmes à tige et culbuteur ; les systèmes à culbuteur ; les systèmes à attaque directe ; les systèmes à linguet.
Les soupapes les plus utilisées sont placées au dessus du cylindre et sont appelées “soupapes en tête”. Historiquement, leur actionnement était effectué grâce à des tiges et des culbuteurs . Dans cette configuration, l’arbre à cames est situé à proximité du vilebrequin et est synchronisé avec celui-ci grâce à des pignons. Les cames appuient sur les tiges, souvent équipées d’un rouleau pour réduire les frottements, qui font pivoter le culbuteur et actionnaient ainsi la soupape. Ces systèmes sont compacts, simples à concevoir et à entretenir mais l’inertie des nombreuses pièces mobiles limite le régime maximum du moteur et sa puissance spécifique, ce qui fait que cette architecture est rarement utilisée à l’heure actuelle. Pour réduire l’inertie de la distribution, il a fallu s’affranchir des tiges de culbuteurs et déplacer l’arbre à cames au dessus des cylindres. Ces systèmes sont appelés “systèmes culbutés à arbre à cames en tête”. La synchronisation avec le vilebrequin se fait grâce à une chaine, une courroie crantée ou plus rarement une cascade de pignons. Les cames entrainent les culbuteurs qui actionnent les soupapes en pivotant. Pour limiter les frottements avec les cames, les culbuteurs peuvent être équipés d’un rouleau.
Définition des pertes par pompages
Dans un diagramme volume – pression, le travail fourni est représenté par l’aire délimitée par les segments orientés dans le sens horaire. Il dépend de la quantité de carburant injectée. Si la quantité d’air admise dans le cylindre, et donc d’oxygène, n’est pas ajustée, la combustion ne se fera pas forcément aux conditions stœ-chiométriques. Dans le cas d’un mélange pauvre en carburant, le rendement est élevé mais l’excédant d’O2 va oxyder les molécules d’azote et former des oxydes d’azote (NOx), qui sont toxiques et dangereux pour l’environnement car ils sont entre autres à l’origine des pluies acides. La combustion d’un mélange riche, en revanche, génère moins de NOx mais dégrade le rendement et rejette des hydrocarbures imbrulés et du monoxyde de carbone. Il n’est pas possible de trouver un compromis et les constructeurs emploient des pots catalytiques pour réduire les émissions polluantes. Or ces catalyseurs ont une meilleure efficacité lorsque le mélange est stœchiométrique . Pour cela, mis à part des cas de fonctionnement particuliers , la quantité de carburant injectée est régulée pour que la combustion soit totale. Pour piloter la quantité d’air admise, une vanne dans le conduit d’admission appelée “papillon” crée une dépression en obturant partiellement le conduit. L’air enfermé dans le cylindre se retrouve à une pression inférieure à la pression atmosphérique, il y a moins d’oxygène donc moins de carburant est injecté et donc la puissance de sortie est plus faible tout en restant à la stœchiométrie. Comme l’admission se fait à une pression inférieure à la pression atmosphérique, le diagramme volume – pression comporte une boucle basse pression (en rouge). Son aire correspond au travail à fournir par le moteur pour admettre de l’air, donc à des pertes, que l’on appelle les “pertes par pompage”. Les pertes par pompage sont importantes à faible charge c’est à dire lorsque la section du conduit d’admission est réduite par le papillon. À titre d’exemple, sur le moteur que nous avons étudié, elles peuvent représenter jusqu’à 15 % des pertes totales et de nombreux constructeurs développent des méthodes permettant de réduire les pertes par pompage et d’augmenter le rendement.
Potentiel des levées variables des soupapes
Pouvoir actionner les soupapes selon différentes levées présente de multiples avantages, dont notamment celui de pouvoir réduire les pertes par pompage. Plusieurs stratégies sont envisageables selon le jeu de soupape équipé et ses degrés de liberté. Avec un système de distribution suffisamment flexible, le papillon devient inutile et les pertes sont réduites au maximum. Ce principe est appelé “dethrottling”, que l’on pourrait traduire par “désétranglement”.
Les soupapes d’admission à levée variable permettent de suivre des cycles de Myler-Atkinson à faible charge en avançant ou retardant l’instant de fermeture de la soupape . Cela permet de diminuer les pertes par pompage en régulant la quantité d’air admise grâce à la soupape et non grâce au papillon. De plus, une fermeture retardée à haut régime permet de profiter de l’inertie de la colonne de gaz du conduit d’admission pour continuer à remplir le cylindre après le point mort haut et ainsi suralimenter le moteur sans utiliser de turbocompresseur.
À bas régime, la vitesse d’entrée des gaz dans le cylindre est faible. Cela réduit le mouvement tourbillonnaire du mélange et diminue le rendement du cycle . Grâce à des soupapes à levée variable, cette vitesse peut être augmentée en réduisant la section de passage au niveau des soupapes. Cela peut se faire soit en diminuant la hauteur de levée, soit en ne levant qu’une seule soupape si le cylindre est équipé de plusieurs soupapes d’admission. Il est aussi possible de créer un mouvement tourbillonnaire des gaz frais dans le cylindre en utilisant des levées différentes pour les soupapes d’un même jeu. L’air admis a alors tendance à tourner autour de l’axe du piston (mouvement de swirl ) et favorise le mélange .
Suppression de l’arbre à cames
En se passant d’arbre à cames, la solution Active Valve Train de Lotus permet d’effectuer n’importe quelle loi de levée. Elle utilise des vérins hydrauliques double effet pour piloter les soupapes. Cependant, les accélérations requises nécessitent des puissances importantes et imposent des composants hydrauliques volumineux. Cette architecture n’est pas adaptée à une utilisation embarquée et est utilisée en laboratoire pour évaluer le potentiel de certaines lois de distribution, notamment dans les travaux sur la combustion HCCI.
Une solution plus compacte a été développée grâce à des aimants permanents et des bobines permettant de contrôler un système oscillant qui entraine la soupape. Un tel système est à l’heure actuelle proposé par Valeo sous le nom commercial eValve . En position soupape fermée, l’armature aimantée est collée en butée supérieure et comprime le ressort supérieur . Lors de l’ouverture de la soupape, un champ magnétique dans la bobine supérieure annule l’effort de l’aimant et l’armature est propulsée vers le bas, entrainant la soupape. La bobine inférieure crée un champ magnétique pour, d’une part, compenser les pertes mécaniques et d’autre part, en inversant la polarité, assurer une faible vitesse de contact en butée inférieure. L’armature reste en position sur cette butée jusqu’à ce que la bobine inférieure annule le champ de l’aimant et que le ressort inférieur referme la soupape. Ce système permet de réduire la consommation de 20 à 30 % sur cycles normalisés.
Ces deux systèmes sont couteux et encombrants. Des solutions moins complexes existent. Elles ne permettent pas autant de liberté et de gain de consommation mais sont plus facilement intégrables.
Table des matières
Introduction générale
1 État de l’art de la distribution à levée variable dans les moteurs thermiques
1 Fonctionnement d’un moteur thermique quatre temps
1.1 Généralités à propos des moteurs thermiques
1.2 Rendements d’un moteur thermique
1.3 Présentation d’un système de distribution en attaque directe
1.4 Définition des pertes par pompages
2 Potentiel des levées variables des soupapes
2.1 Principes de la déconnexion de cylindre
2.2 Cycle de Miller-Atkinson
3 Mécanismes à levée variable
3.1 Suppression de l’arbre à cames
3.2 Variation du calage
3.3 Variation de la durée et/ou de la hauteur
3.4 Systèmes à plusieurs cames
3.5 Déconnexion par mouvement perdu
3.6 Conclusion
4 Sujet d’étude – Objectif de la thèse
2 Dimensionnement d’un mécanisme de levée variable à trois états
1 Fonctions et performances attendues du composant eLift3
2 Lois de levées réalisables par eLift3
3 Solutions techniques proposées
4 Modélisation mécanique du poussoir lors d’une levée
4.1 Calcul des efforts de contact
4.2 Modèle statique d’un ressort
4.3 Pression de Hertz au contact came/poussoir
4.4 Largeur et rayon de base des cames et courbure du poussoir
4.5 Dimensionnement des goupilles
5 Résultats du dimensionnement des différentes architectures
5.1 Architecture à poussoirs en série
5.2 Architecture à trois ressorts parallèles
5.3 Architecture sans ressort intérieur
5.4 Discussion et choix de l’architecture
6 Conclusion
3 Dimensionnement d’un système de verrouillage électro-magnéto-mécanique
1 Objectifs
2 Architectures d’actionneurs et méthodes de calcul
2.1 Actionneurs linéaires
2.2 Méthodes de calcul de champ magnétique
2.3 Méthodes d’optimisation
3 Modélisation de l’actionneur linéaire
3.1 Géométrie détaillée
3.2 Modèle magnétique
3.3 Modèle électrique
3.4 Modèle mécanique dynamique
3.5 Couplage des modèles
4 Optimisation de l’actionneur
4.1 Optimisation de l’alimentation
4.2 Optimisation de la géométrie
4.3 Résultats et discussion
5 Conclusion
4 Réduction du temps de calcul dans une optimisation grâce au krigeage
1 Introduction
2 Méthodes d’échantillonnage et de substitution
2.1 Échantillonnage des sites d’apprentissage
2.2 Création du modèle de substitution
3 Principe du krigeage
3.1 Fonctions de corrélation
3.2 Estimation de l’erreur
3.3 Qualité du prédicteur
3.4 Autres krigeages
4 Utilisation d’un modèle de substitution dans une optimisation
4.1 Optimisation directe
4.2 Krigeage sur hypercube latin
5 Ciblage des points de simulation
5.1 Description de l’algorithme
5.2 Applications du krigeage adaptatif
5.3 Améliorations envisagées
6 Optimisation auto enrichie
6.1 Présentation de l’algorithme
6.2 Application à une machine à commutation de flux
6.3 Améliorations envisagées
7 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
