La levée de soupape variable diesel

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Description détaillée

L'ouverture variable des soupapes, peut avoir différents objectifs, en fonction du but recherché sur le moteur qui en est équipé.

• Augmenter ou diminuer la levée des soupapes pour favoriser le brassage en air du cylindre (SWIRL).
• Permettre un recyclage interne des gaz d'échappement (IGR).
• Augmenter le temps d'ouverture des soupapes pour améliorer le remplissage en air.

Le Système MIVEC:

La levée de soupape variable MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve Timing Electronic Control) est un système de levée de soupapes variable qui permet d'obtenir deux dosages de swirl uniquement en modulant la  levée de soupapes d'admission.
Grâce à un système de basculeurs, les  soupapes d'un même cylindre ont deux levées différentes.
Ce système permet également de fonctionner avec deux épures d'arbre à cames différentes.
Il y a deux modes de fonctionnement sur ce système que nous appellerons :
• le mode basse vitesse (régime moteur =2300tr/min),
• le mode haute vitesse (régime moteur>2300tr/min).

Les éléments constituants la partie opérationnelle du MIVEC sont :
• la culasse,

• le calculateur de contrôle moteur,

• l'électrovanne de levée de soupapes variable,

• l'arbre à cames,

• les basculeurs à piston,

• les basculeurs en « T ».

Fonctionnement en dynamique :

Le système est INACTIF (en dessous de 2300tr/min) :
Les deux cames basse vitesse sont maitresses de la levée des soupapes. La came haute vitesse agit sur le basculeur en «T» sans influence sur la levée des soupapes.
Le système est ACTIF (au dessus de 2300tr/min) :
La came haute vitesse  prend le dessus sur les cames basse vitesse lorsque les pistons des basculeurs sont actifs (translatés en position haute).
Le basculeur en «T» vient prendre appui sur les pistons des basculeurs, rendant ainsi la came haute vitesse maîtresse du système.
Le profil de came haute vitesse est différent (levée, avance à l'ouverture et retard à la fermeture plus importants que les deux cames basse vitesse).

La culasse :

La culasse vient accueillir l'électrovanne de levée variable d'admission ainsi que les deux types de basculeurs (à pistons et en « T »).

Les conduits d'admission composant la culasse du moteur sont de deux types :
• tangentiels,
• hélicoïdaux.
Pour chaque cylindre il y a deux soupapes d'admission, une soupape vient déboucher le conduit tangentiel et l'autre vient déboucher le conduit hélicoïdal.

L'arbre à cames d'admission
L'arbre à cames d'admission est composé de 12 cames :

4 Cames haute vitesse
8 Cames basse vitesse

Chaque came basse vitesse commande via le basculeur, la soupape d'admission correspondante.
Chaque came haute vitesse commande via le basculeur en « T » et les basculeurs à pistons, les deux soupapes d'admission.
Il y a 3 profils de cames différents sur l'arbre à cames d'admission:
- celui des cames basse vitesse des soupapes côté tangentiel (levée maximum : 6,0mm),
- celui des cames basse vitesse des soupapes côté hélicoïdal (levée maximum : 9,0mm),
- celui des cames haute vitesse (levée maximum : 9,5mm).

Le basculeur à piston

Ce basculeur à rouleau est équipé d'un piston mobile hydraulique (position basse en bleu, haute en rouge).
Le piston est commandé en translation par la pression d'huile fournie par l'électrovanne de levée variable d'admission lorsqu'elle est pilotée.
La fonction du piston sera explicitée dans la partie « fonctionnement ».

Ce basculeur à rouleau est équipé de deux points d'appuis latéraux (bras). Ces bras prennent appui sur les pistons des basculeurs à pistons lorsque le système est actif.

Fonctionnement du système (en dynamique) :

Le système est INACTIF (en dessous de 2300tr/min) :
Les deux cames basse vitesse sont maitresses de la levée des soupapes. La came haute vitesse agit sur le basculeur en « T » sans influence sur la levée des soupapes.
Le système est ACTIF (au dessus de 2300tr/min) :
La came haute vitesse prend le dessus sur les cames basse vitesse lorsque les pistons des basculeurs sont actifs (translatés en position haute).
Le basculeur en « T » vient prendre appui sur les pistons des basculeurs, rendant ainsi la came haute vitesse maîtresse du système.
Le profil de came haute vitesse est différent (levée, avance à l'ouverture et retard à la fermeture plus importants que les deux cames basse vitesse).
Un profil de cames haute vitesse avec une levée inférieure, des avances et retards inférieurs, ne permettrai pas de prendre le pas sur les cames basse vitesse.

Fonctionnement du système.
Système inactif :

Le système est INACTIF lorsque le régime moteur est inférieur à 2300tr/min.
Voici l'épure d'arbre à cames d'admission lorsque le système est inactif.

Système actif :

Voici l'épure d'arbre à cames d'admission lorsque le système est actif

Le système VVL :

La levée variable VVL Mazda est un système électrohydraulique permettant de moduler la hauteur d'ouverture des soupapes d'échappement. Ce système permet de limiter la création de NOx et de particules.

SKYACTIV-D est le nouveau moteur diesel Mazda.  Il a le rapport de compression le plus bas du monde (1/14) pour un moteur diesel actuel sur un véhicule produit en série. L'objectif est d'augmenter le mélange air/carburant afin de réduire les émissions de NOx et de particules.
L'inconvénient est que le faible rapport volumétrique a pour conséquence d'abaisser les températures de combustion, d'où des difficultés de démarrage et  d'inflammation du carburant.
Pour pallier cet inconvénient, Mazda a développé le système VVL (Variable Valve Lift) qui permet de moduler la hauteur de levée des soupapes d'échappement.
Le mécanisme de levée variable des soupapes ouvre légèrement une soupape d'échappement de chaque cylindre même pendant la course d'admission. Cela permet de recycler une partie des gaz d'échappement dans les cylindres, ce qui augmente la température du cylindre et contribue ainsi à assurer l'allumage et une  combustion stable pendant l'échauffement du moteur.

1 Arbre à cames d'admission
2 Arbre à cames d'échappement
4 Régleur hydraulique du jeu des soupapes
3 Culbuteur
5 Poussoir de soupape à rouleau

Grâce aux formes différentes des bossages de came de l'arbre à cames d'échappement, il existe trois levées de soupape différentes pour les soupapes d'échappement. La levée de soupape des soupapes d'échappement qui sont actionnées par la came à grande levée pendant la course d'échappement est déjà inférieure à la levée de soupape des soupapes d'échappement qui sont actionnées par la came normale. La levée de soupape appliquée par la came à levée réduite pendant la course d'admission est relativement petite mais suffisante pour chauffer l'air dans le cylindre.

X Angle de vilebrequin
Y Levée de soupape
1 BDC (point mort bas)

2 TDC (point mort haut)

3 Ouverture de la soupape d'échappement  - came normale
4 Ouverture de la soupape d'admission
5 Ouverture de la soupape d'échappement - came à grande levée (VVL)
6 Ouverture de la soupape d'échappement - came à levée réduite (VVL)

 

Un mécanisme VVL a été appliqué sur le moteur SKYACTIV-D pour éviter l'inflammation et l'instabilité de combustion lorsque le moteur est froid.
Cette VVL ne s'applique qu'à une soupape d'échappement de chaque groupe de soupapes d'échappement. Par conséquent, l'arbre à cames d'échappement utilise trois types de cames : une came normale, une came à grande levée et une came à levée réduite avec différentes formes.

1 Came à levée réduite
2 Came à grande levée
3 Culbuteur
4 Came normale
5 Arbre à cames d'échappement
6 Renflement à encoche d'entraînement
7 Renflement à encoche d'entraînement de la pompe à dépression
8 Générateur d'impulsions
9 Arbre à cames d'admission
10 Pignon de l'arbre à cames d'admission
11 Pignon de l'arbre à cames
12 Pignon d'entraînement de l'arbre à  cames d'échappement
Les soupapes d'échappement où la VVL est appliquée sont actionnées par l'intermédiaire de culbuteurs spéciaux.

Le mécanisme VVL ouvre légèrement l'une des soupapes d'échappement d'un cylindre lors de la course d'admission pour le recyclage vers le cylindre d'une certaine quantité de gaz à haute température (gaz d'échappement). Cela est exécuté lors de l'échauffement du moteur, contribuant ainsi à accroître la température de l'air dans le cylindre pour faciliter l'autocombustion et la stabilité de combustion.
• Le mécanisme VVL actionne les soupapes d'échappement deux fois au cours d'un cycle. Une fois pendant la course d'échappement par l'intermédiaire de la came à grande levée et la deuxième fois pendant la course d'admission par l'intermédiaire de la came à levée réduite.
• Grâce aux formes différentes des bossages de came de l'arbre à cames d'échappement, il existe trois levées de soupape différentes pour les soupapes d'échappement. La levée de soupape des soupapes d'échappement qui sont actionnées par la came à grande levée pendant la course d'échappement est déjà inférieure à la levée de soupape des soupapes d'échappement qui sont actionnées par la came normale. La levée de soupape appliquée
par la came à levée réduite pendant la course d'admission est relativement petite mais suffisante pour chauffer l'air dans le cylindre.

Culbuteurs
• Il y a un culbuteur spécial pour la commutation des deux paramètres de levée de soupape applicables - actionnement de soupape d'échappement uniquement pendant la course d'échappement par la came à grande levée ou actionnement de la soupape d'échappement pendant la course d'admission par la came à levée réduite.
• Le culbuteur comprend un levier extérieur, un levier intérieur avec rouleau, un ressort de rappel et une goupille de blocage.
• Le levier extérieur est actionné par la came à grande levée tandis que le levier intérieur est actionné par la came à levée réduite qui agit sur le rouleau.
• Le levier intérieur est monté basculant sur le levier extérieur par l'intermédiaire d'une goupille d'appui en face de la zone de contact des régleurs hydrauliques du jeu des soupapes. Cela permet un mouvement oscillant du levier intérieur à l'intérieur du levier extérieur lorsqu'il est actionné par la came à levée réduite. Le ressort de rappel renvoie le levier intérieur à sa position de départ.
• Ce mouvement oscillant peut être désactivé en bloquant le levier intérieur avec le levier extérieur au moyen de la goupille de blocage.

1 Levier extérieur
2 Levier intérieur
3 Rouleau
4 Ressort de rappel
5 Zone de contact de la came à levée  réduite
6 Zone de contact de la came à grande levée
7 Section transversale A-A
8 Goupille de blocage
9 Ressort
10 Goupille d'appui
11 Zone de contact du régleur hydraulique du jeu des soupapes
La goupille de blocage est située dans une chambre du levier extérieur où elle est supportée par le régleur hydraulique du jeu de soupapes. Par application d'une certaine pression hydraulique à la chambre, la goupille de blocage se déplace vers l'extérieur en s'opposant à la force du ressort et bloque le levier intérieur.

1 Basse pression hydraulique appliquée
2 Haute pression hydraulique appliquée
3 Levier extérieur
4 Levier intérieur
5 Goupille de blocage
6 Ressort
7 Force de ressort
8 Pression hydraulique


Levier intérieur non bloqué
• Le bossage de la came à grande levée actionne uniquement le levier extérieur qui appuie vers le bas et, par conséquent, ouvre la soupape d'échappement. Le levier intérieur n'accomplit aucun mouvement par rapport au levier extérieur. Tout simplement, il suit le levier extérieur.
• Lorsque le levier intérieur n'est pas bloqué et que le bossage de la came à levée réduite appuie sur le rouleau du levier intérieur, le levier intérieur est poussé vers le bas dans le levier extérieur. Puisque la force ne peut pas être transmise au levier extérieur qui actionne enfin la soupape d'échappement, la soupape  d'échappement reste fermée.

Levier intérieur bloqué
• L'actionnement de la soupape pendant la course d'échappement n'est pas affecté par le levier intérieur, même si celui-ci est bloqué.
• Lorsque le levier intérieur est bloqué, le mouvement oscillant du levier intérieur par rapport au levier extérieur est désactivé et la force appliquée au levier intérieur est transmise au levier extérieur. Si le bossage de la came à levée réduite appuie maintenant contre le rouleau du levier interne pendant la course d'admission, la soupape d'échappement est ouverte.

1 Contact de la came à grande levée
2 Contact de la came à levée réduite
3 Levier intérieur
4 Levier extérieur
5 Rouleau
6 Goupille de blocage
7 Came à grande levée
8 Came à levée réduite


Le système valvelift
La conception de ce système est identique à celle utilisé en essence (LIEN vers fiche Le système « ValveLift » à l'admission).
Les arbres à cames d'admission et d'échappement du moteur V8 de l'Audi SQ7 TDI sont équipé de cette technologie.

 Source Audi
Profils des cames admission :
Le premier profil de gamme est utiliser à bas régime au démarrage l'ouverture de la soupape à lieu pendant 163° de vilebrequin.
Le second profil permet avec son ouverture de 185° une ouverture prolongée de la soupape ce qui favorise le remplissage à régimes élevés.

Profils des cames échappement :
Lors de l'utilisation à bas régimes une des deux soupapes d'échappement reste fermé. Les gaz d'échappement sont évacué séparément après chacune des soupapes par des conduits distincts. Chacun des conduit alimente l'un des deux turbo, cela permet donc lorsque le système valvelift ferme une des soupape d'échappement d'entrainer q'un seul des deux turbo.
Lors de l'utilisation à un régime plus élevé (2200 tr/min) le système valvelift ouvre la seconde soupape d'échappement de chaque cylindre dans l'ordre d'injection cela permet d'entrainer le second turbo.

fonctionnement avec une seule soupape d'échappement :
 

 Source Audi

fonctionnement avec deux soupapes d'échappement :

 Source Audi

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Méthodes et pratiques

Le système MIVEC nécessite un entretien, tout les 45000 Km un contrôle et réglage du jeu au soupapes est à effectuer.
Les autres systèmes ne nécessite pas d'entretien particulier.
Le contrôle des actionneur électro-hydraulique ou électro-mécanique doivent se faire en respectant la méthode du constructeur.
le remplacement des actionneurs est possible il faudra là aussi respecter la méthode de dépose repose et les préconisation du constructeur.
Il est possible de contrôler le système de levée variable du système MIVEC :
Déposer le couvre culasse :

Déposer l'électrovanne de commande MIVEC :

Positionner en lieu est place de l'électrovanne, l'outil disponible dans le coffret de contrôle moteur 4N13 (REF PSA C-0116-2)

Retirer le bouchon d'accès et positionner une soufflette :

Une fois en place actionner la soufflette pour visualiser le fonctionnement du système.

Pion de verrouillage non actionné :

Pion de verrouillage actionné :

Si certains pions reste bloqué il faudra déposer la rampe de de levée variable.

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Impact sur les compétences en atelier

• Connaitre le fonctionnement des systèmes de levée de soupape variable.
• Connaitre le fonctionnement d'un circuit de lubrification.
• Connaitre le principe de fonctionnement des systèmes de gestion moteur diesel.
• Savoir utiliser un outil de diagnostic.
• Savoir appliquer une méthode de diagnostic.
• Savoir utiliser un multimètre.
• Savoir utiliser un oscilloscope.
• Savoir contrôler un jeu au soupape.

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Exemple d’outillage approprié

• Outil de diagnostic
• Outillage spécifique pour contrôle.
• Jeu de cales
• multimètre
• oscilloscope