TIPE 2007 - Pierre Volpatti

Cette étude a été réalisée en 2007 dans le cadre d'un «T.I.P.E.» (travail d'initiative personnelle encadré) au Lycée Louis Barthou de PAU.
Encadrement par Messieurs les Professeurs Célestine et Fichot.

FICHE SYNOPTIQUE

Thème imposé pour 2007 : Le temps.
Domaine libre choisi : Motorisation.
Titre : Optimisation du temps d'ouverture des soupapes d'un moteur 4T.
Sous-titre : Le bon temps pour les soupapes.

MOTIVATION, ORIGINE DU CHOIX

Qu'il soit possible d'améliorer la puissance d'un moteur en ne faisant varier que les temps d'ouverture et de fermeture des soupapes m'a semblé être un support d'étude accessible à l'expérimentation et compatible avec le thème de cette année.

DESCRIPTION DU SUJET

Un moteur possédant des valeurs fixes pour l'avance et le retard des ouvertures et fermetures des soupapes ne bénéficie d'un remplissage optimal des gaz que pour un régime donné. Par conséquent, ce moteur ne fonctionne au mieux de ses possibilités qu'à ce régime. La distribution variable permet de pallier cet inconvénient en faisant varier les valeurs d'avance et de retard en fonction du régime moteur.

L'objectif de ce TIPE est d'établir une loi d'ouverture des soupapes grâce à la connaissance expérimentale des effets des différents réglages de la distribution sur la puissance du moteur.

LES EXPERIENCES

Pour connaître les effets des différents réglages de la distribution sur la puissance du moteur, il a fallu imaginer un dispositif qui permette de mesurer en même temps la puissance et le régime. Ce dispositif a permis de relever plusieurs courbes de puissance avec différents réglages de la distribution, courbes qui ont ensuite été comparées à la courbe de référence donnant la puissance du moteur dans sa configuration d'origine.

EXPLOITATION DES RESULTATS ET SYNTHESE

Le diagramme de distribution d'un moteur est un compromis. Rendre ce diagramme variable, c'est permettre d'utiliser le moteur à une puissance maximale à tous les régimes.

BIBLIOGRAPHIE

Ouvrages
J.-f. ROBERT, Préparation des moteurs de motos, pp 17-24 et pp 84-105, E.T.A.L, Paris, 2000
Entretien et technique de la moto, pp 6-13, E.T.A.L, Paris, 1993
V. COSSALTER, Motorcycle dynamics, pp 39-68, R.D., Greendale, 2002

Revues
Auto Technique et Pratique, 1991
Auto Technique et Pratique, 1993

Sites internet
http://pboursin.c1ub.fr/pdgdist2.htm
www.auto-innovations.com
w3x.polytechnique.fr/ eleves/binets/x-eco-marathon/

LE BON TEMPS POUR LES SOUPAPES

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Un coureur à pied ne se contente pas d'aspirer-expirer plus ou moins vite quand il court plus ou moins vite. C'est pourtant ce que fait un moteur à 4T possédant une distribution fixe, la distribution étant le système qui ouvre et ferme les soupapes. Le coureur respire différemment quand il change de rythme, et la distribution d'un moteur devrait être variable.

Le but de ce TIPE est d'étudier expérimentalement les variations de la distribution qui permettraient d'obtenir la meilleure puissance du moteur à tous les régimes.

I - Principe et intérêt de la distribution variable

En principe, le coureur à pied choisit, par rapport à sa foulée, les moments où il respire et la durée de sa respiration.

Pour le moteur, on choisit le moment d'ouverture et la durée d'ouverture des soupapes. Ces paramètres représentent les « temps » caractéristiques sur lesquels on peut agir grâce à la distribution variable.

Le temps fort de la respiration de notre sportif est l'expiration : pour un sportif, il est effectivement plus important d'évacuer le gaz carbonique que d'aspirer de l'oxygène.

Pour un moteur, au contraire, il a été montré que les variations concernant la phase d'échappement avaient beaucoup moins d'incidence sur la puissance que les variations concernant la phase d'admission : en conséquence, le TIPE a été limité à l'étude des soupapes d'admission.

Choisir le moment d'ouverture de la soupape équivaut à « caler » la distribution.

Avec un calage avancé (en bleu sur le schéma), la soupape s'ouvre et se ferme plus tôt. Inversement, avec un calage retardé (en rouge), la soupape s'ouvre et se ferme plus tard.

Agir sur la durée d'ouverture de la soupape consiste à agir séparément sur le moment d'ouverture et sur le moment de fermeture.

L'étude consiste à faire varier les moments et les durées de respiration d'un moteur, et de mesurer les conséquences de ces variations sur la puissance de ce moteur.

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II - L'expérience

Choix du moteur

Pour cette expérience, il a été choisi un moteur de faible puissance, afin que toute modification de réglage ait des conséquences significatives.

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Moteur Honda Amigo de 1970
Caractéristiques (d’après les données du constructeur) :
puissance : 1,8 ch. (DIN) à 5700 tr/min
couple : 0,29 m.kg à 3500 tr/min
embrayage automatique à système centrifuge


Variation des paramètres : le calage

 

Le calage a été modifié en décalant, en avant et en arrière, de une dent la chaîne de distribution sur le pignon de l'arbre à cames.

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Calage standard - Modification du calage

calage_avance calage_retard
Calage avancé - Calage retardé

(A noter que, les cames d'admission et d'échappement étant, sur notre moteur, portées par le même arbre, l'échappement a été décalé du même coup, mais nous avons vu que cela pouvait être négligé.)

Variation des paramètres : le temps d'ouverture

 

La durée d'ouverture est modifiée en agissant sur le jeu de la soupape.
(Ci-dessous : réglage du jeu du culbuteur d’admission)

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En effet, les temps pendant lesquels la soupape est poussée à vide, « dans les jeux », sont pris sur la durée d'ouverture : quand le jeu est augmenté, la durée d'ouverture est réduite, et inversement, quand le jeu est réduit, la durée d'ouverture est allongée.

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Le système retenu

 

Par tâtonnements, un dispositif permettant de mesurer la puissance du moteur a été mis au point. Ce dispositif, en serrant le pneu de la roue entraînée, crée un couple résistant au couple moteur. La mesure du couple résistant permet de calculer la puissance du moteur.

(L'évolution du dispositif, en fonction d'un problème de stabilité d'aiguille du dynamomètre, fait l'objet d'une série de photos en annexe.)

 

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Principe du système avec freins à rouleaux

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Création du couple résistant par écrasement du pneu

Les instruments de mesure

peson_2 compteur
Dynamomètre et compteur de vélo (réglé pour afficher le régime moteur)

Le déroulement de l'expérience est le suivant :
• on annonce une valeur de régime,
• on lance le moteur puis, gaz ouvert en grand, on amène le moteur au régime annoncé en agissant sur le serrage du pneu (le régime est lu sur un compteur de vélo paramétré en compte tours),
• une fois le régime atteint et stabilisé, on relève la force résistante sur le dynamomètre.

On établit ainsi un tableau donnant la force résistante pour chaque régime moteur.

En refaisant les mesures pour chaque réglage de la distribution, on obtient cinq séries de valeurs : calage avancé, calage retardé, temps d'ouverture réduit, temps d'ouverture augmenté, et, bien sûr, réglages standard.


III - Résultats et interprétation

Théorème du moment statique appliqué à la roue :

Cmoteur + Crésistant = 0

or :

- Crésistant = Fdyn . L

avec L le bras de levier, et Fdyn la force lue sur le dynamomètre.

Puissance moteur à la roue :

P = Cmoteur . ?roue = - Crésistant . ?moteur / 18

Les résultats sont traduits en courbes de puissance.

Sur les courbes montrant l'influence du calage, on distingue 3 zones :
• pour les régimes intermédiaires, le calage standard (en noir) est le plus performant ;
• au-dessous c'est le calage avancé (en bleu) ;
• au-dessus, c'est le calage retardé (en rouge).

A noter que, vraisemblablement pour cause de gicleur d'essence trop petit, il a été impossible de dépasser les 4800 tr/min.

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Sur les courbes montrant l'influence du jeu de la soupape, on distingue également 3 zones :
• aux régimes moyens, le réglage standard apporte la meilleure puissance,
• au-dessous c'est le jeu augmenté (en bleu),
• et au-dessus c'est le jeu réduit (en rouge).

On peut également remarquer que le calage a plus d'influence sur la puissance que le temps d'ouverture de la soupape, dont les variations ne sont quand même pas négligeables.

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Arbre à came d’origine


Loi d’ouverture de la soupape d’admission

Avec ces informations, il est possible d'esquisser une loi d'ouverture de la soupape d'admission pour obtenir la meilleure puissance possible:
• à bas régimes: calage avancé et temps d'ouverture réduit,
• aux régimes intermédiaires: réglage standard,

• aux régimes élevés: calage retardé et temps d'ouverture augmenté.

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Conclusion

Une distribution fixe est un compromis qui ne permet en aucun cas d'utiliser un moteur à sa puissance maximale à tous les régimes. Cette étude montre que, à certains régimes, d'autres réglages que le réglage standard permettent d'obtenir des puissances supérieures.
Il existe des systèmes mécaniques de distribution variable. Leur utilisation est intéressante notamment pour des moteurs de compétitions, principalement concernés par la puissance.

Mais bientôt, des systèmes électropneumatiques permettront de commander l'ouverture et la fermeture des soupapes de façon plus complexe, en tenant compte de paramètres eux aussi plus complexes, ne se limitant pas à des seules considérations de puissance.

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Annexe - Evolution du système de mesure

a b
1/ Système avec frein à patins - 2/ avec le frein à tambour d'origine (axe modifié)

axe_roue_ar_h
modification de l'axe de roue arrière

c d
3/ Système avec frein à patins et tambour - 4/ avec frein à rouleaux

 




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