Blog

Sep 24, 2023

Où sont tous les moteurs Camless ?

Les voitures électriques font fureur ces derniers temps, mais n'oublions pas les anciennes

Les voitures électriques font fureur ces derniers temps, mais n'oublions pas l'ancienne veille - la combustion interne. Le moteur à combustion interne moderne est une merveille d'ingénierie. Les moteurs d'aujourd'hui et les systèmes environnants ont une meilleure puissance, une plus grande économie de carburant et des émissions plus faibles que tout ce qui a précédé. Des siècles d'heures d'ingénierie ont été consacrés à l'amélioration de chaque aspect du moteur, à une exception près. Aucun constructeur automobile n'a été en mesure d'éliminer l'arbre à cames du moteur dans un véhicule de production à pistons. L'ironie ici est que les moteurs sans came sont relativement faciles à construire. Le pirate informatique moyen pourrait modifier un petit moteur à quatre temps pour un fonctionnement sans came dans son atelier. Bien que ce ne soit pas un appareil pratique, ce serait un excellent banc d'essai pour l'expérimentation et l'apprentissage.

Un moteur à essence multicylindre est une danse complexe. Des centaines de pièces doivent se déplacer en synchronicité. Les soupapes s'ouvrent et se ferment, les injecteurs vaporisent du carburant, les bougies s'allument et les pistons montent et descendent. Tous suivent le cycle Otto à quatre temps "Admission, Compression, Combustion, Échappement". L'arbre à cames contrôle une grande partie de cela en ouvrant et en fermant les soupapes d'admission et d'échappement à ressort du moteur. Les lobes de l'arbre appuient sur des poussoirs qui déplacent ensuite les tiges de soupape et les soupapes elles-mêmes. L'arbre à cames lui-même est entraîné à la moitié de la vitesse du vilebrequin par des engrenages de distribution, des chaînes ou une courroie. Certains trains de soupapes sont relativement simples, comme les moteurs à cames en tête. D'autres, comme la conception à came dans le bloc, sont plus complexes, avec des tiges de poussée, des culbuteurs et d'autres pièces nécessaires pour traduire le mouvement du lobe de came en mouvement au niveau de la soupape.

Le moment exact et la vitesse d'ouverture d'une soupape sont déterminés par le profil du lobe de came. Les passionnés de course automobile et de performance remplacent souvent les arbres à cames par des profils plus agressifs et des décalages de synchronisation différents en fonction des exigences du moteur. Tout a cependant un coût. Un arbre à cames usiné pour une puissance maximale ne tournera généralement pas bien au ralenti et rendra le moteur plus difficile à démarrer. Un profil de lobe trop agressif peut entraîner un flottement des soupapes, où les soupapes ne siègent jamais complètement à haut régime.

Les fabricants de moteurs ont passé des années à contourner les limites de l'arbre à cames. Les résultats sont une myriade de solutions propriétaires. Honda a VTEC, abréviation de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. Toyota a VVT-i. BMW a VANOS, Ford a VCT. Tous ces systèmes offrent des moyens d'ajuster l'action de la vanne dans une certaine mesure. VANOS fonctionne en permettant à l'arbre à cames de tourner légèrement de quelques degrés par rapport à sa synchronisation normale, similaire au déplacement d'une dent ou deux sur la chaîne de distribution. Bien que ces systèmes fonctionnent, ils ont tendance à être mécaniquement complexes et coûteux à réparer.

La solution simple serait d'opter pour un moteur sans came. Cela signifierait éliminer l'arbre à cames, la courroie de distribution et la plupart du matériel associé. Des solénoïdes ou des actionneurs hydrauliques ouvrent et ferment les vannes d'un nombre infiniment variable de manières. Les vannes peuvent même être maintenues ouvertes indéfiniment, fermant efficacement un cylindre lorsque la puissance maximale n'est pas nécessaire.

Alors pourquoi ne conduisons-nous pas tous des moteurs sans came ? Il y a quelques raisons. Les avantages des moteurs sans came par rapport aux moteurs à arbre à cames sont analogues aux avantages de l'injection électronique de carburant (EFI) par rapport aux carburateurs. Au cœur, un injecteur de carburant est une électrovanne commandée. La pompe à carburant fournit une pression constante. L'unité de commande du moteur (ECU) déclenche les injecteurs au bon moment pour injecter du carburant dans les cylindres. L'ordinateur laisse également les soupapes ouvertes suffisamment longtemps pour que la bonne quantité de carburant soit injectée pour la position actuelle de l'accélérateur. Sur le plan électronique, cela ressemble beaucoup à ce qui serait requis pour un moteur sans came. Alors qu'est-ce qui donne ?

Les hackers dans la trentaine et au-delà se souviendront que jusqu'à la fin des années 1970 et au début des années 1980, le carburateur était roi. Les entreprises expérimentaient l'EFI depuis les années 1950. Le système n'est pas devenu courant avant l'entrée en vigueur des lois strictes sur la pollution des années 70. Fabriquer un moteur à carburateur propre et économe en carburant était possible, mais il y avait tellement d'actionneurs mécaniques et électroniques requis que l'EFI était une meilleure alternative. Ainsi, les lois des années 70 ont effectivement réglementé la disparition des carburateurs. Nous examinons à peu près la même chose avec les moteurs sans came. Ce qui manque, ce sont les règlements pour forcer le problème.

Tous les grands fabricants ont expérimenté le concept camless. Le meilleur effort à ce jour a été de Freevalve, une filiale de Koenigsegg. Ils ont un moteur prototype fonctionnant dans une Saab. LaunchPoint Technologies a mis en ligne des vidéos montrant des conceptions d'actionneurs impressionnantes LaunchPoint travaille avec des bobines acoustiques, la même technologie qui déplace les têtes de votre disque dur. Rien de tout cela ne signifie que vous ne pouvez pas avoir un moteur sans came maintenant - des entreprises comme Wärtsilä et Man ont des moteurs disponibles dans le commerce. Cependant, ce sont des moteurs diesel géants utilisés pour propulser de gros navires ou générer de l'énergie. Pas exactement ce que vous voudriez mettre dans une voiture sous-compacte ! Pour l'ensemble des hackers, la meilleure façon de mettre la main sur un moteur sans came aujourd'hui est d'en pirater un vous-même.

Les moteurs simples et monocylindres sans came sont relativement faciles à construire. Commencez avec un moteur à soupapes en tête à quatre temps d'une souffleuse à neige, d'un scooter ou similaire. Assurez-vous que le moteur est un modèle sans interférence. Cela signifie qu'il est physiquement impossible que les soupapes s'écrasent sur les pistons. Ajoutez une source d'alimentation et des solénoïdes. À partir de là, il suffit de créer un système de contrôle. Les exemples sont partout sur Internet. [Sukhjit Singh Banga] a construit ce moteur dans le cadre d'un projet universitaire. Le système de commande est une roue mécanique avec des contacts électriques, semblable à un système de chapeau de distributeur et de rotor. Le projet Camless Engine Capstone de [bbaldwin1987] à l'Université de Virginie-Occidentale utilise un microcontrôleur pour faire fonctionner les solénoïdes. Notez que ce projet utilise deux solénoïdes - un pour ouvrir et un pour fermer la vanne. Le moteur n'a pas besoin de s'appuyer sur un ressort pour la fermeture. [Brian Miller] a également construit un moteur sans came pour l'université, dans ce cas, le moteur sans came de l'Université Brigham Young de l'Idaho. Le moteur [de Brian] utilise des capteurs à effet hall sur l'arbre à cames d'origine pour déclencher les solénoïdes. Cet itinéraire est un excellent tremplin avant de passer au contrôle électronique complet.

Il ne faudrait pas beaucoup de travail pour étendre ces projets à un moteur multicylindre. Tout ce que nous attendons, c'est le bon hacker pour relever le défi !