Nous connaissons tous le dicton « On ne fait pas d’omelette sans casser des œufs ». Dans le développement de nouveaux moteurs à combustion, cela signifie que des particules de suie ou des résidus de carburant peuvent contaminer les capteurs utilisés.
Cet encrassement mécanique engendre des lectures de moins en moins précises. Par exemple, lorsque le système d’échappement d’un nouveau moteur à combustion est surveillé à l’aide de capteurs de pression, de plus en plus de fines poussières se déposent au fil du temps sur la membrane du capteur. Les membranes des capteurs de pression piézorésistifs sont très minces, ce qui leur permet de fournir des résultats de mesure de haute précision. Mais quand une couche de suie se forme au fil du temps, cela réduit la sensibilité globale du capteur de pression.
Protéger les capteurs de pression des particules
Les utilisateurs finaux peuvent constater cette dérive en effectuant des mesures de pression de référence. Des différences considérables peuvent apparaître entre les valeurs du capteur de référence et celles du capteur souillé, et ces lectures permettent souvent de révéler le seuil des dérives par rapport aux résultats attendus. Une forte fluctuation des valeurs mesurées peut également être un indicateur de contamination.
Pour les capteurs exposés à la saleté, STS recommande généralement une opération de maintenance toutes les 100 heures de fonctionnement. Il est également recommandé de protéger autant que possible les capteurs des sources de contamination. Deux méthodes courantes peuvent être utilisées:
Méthode 1: Une feuille protectrice
Cette première méthode ne remplace pas la maintenance du capteur toutes les 100 heures de fonctionnement, mais elle simplifie le nettoyage et préserve la membrane. Avec cette méthode, une feuille de protection métallique très fine est appliquée sur la membrane pour la protéger des salissures. Après un maximum de 100 heures de fonctionnement, ce film est simplement retiré et remplacé par un nouveau.
Méthode 2: Un adaptateur de refroidissement
Cette méthode permet aux utilisateurs de faire d’une pierre deux coups. En vissant un adaptateur de refroidissement ou une soupape thermique sur l’extrémité avant du raccord de pression, la membrane est bien protégée des salissures. La soupape thermique ne s’ouvre qu’au moment des mesures de pression, ce qui représente une bonne méthode pour minimiser le degré de contamination dans des applications où la pression ne doit pas être surveillée de manière permanente.
Cet élément de refroidissement permet également de garantir une température constante du capteur. Outre la contamination des membranes, la température a également un effet sur la précision de mesure des capteurs de pression piézorésistifs (pour en savoir plus sur l’influence de la température sur la précision des capteurs de pression, cliquez ici).
Nettoyage des capteurs de pression contaminés par des résidus de pétrole
La contamination par le pétrole lourd se produit notamment lors du développement des moteurs marins. Les additifs incorporés se déposent sur la membrane et peuvent l’endommager. Les résidus diminuent la sensibilité du capteur de pression et imposent d’effectuer un entretien régulier.
Pour minimiser les salissures et leurs conséquences, il convient de prendre en compte la nature du capteur de pression au moment de sa sélection. Une membrane en acier inoxydable est recommandée, car elle est affleurante et ne comporte pas de canaux dans lesquels les dépôts peuvent s’accumuler. La rugosité est également un facteur important, car les particules indésirables se déposent plus rapidement sur une membrane rugueuse et sont également plus difficiles à nettoyer.
Pour nettoyer un capteur de pression encrassé, il doit être retiré de son application. Il est recommandé d’utiliser de l’alcool isopropanol (IPA) comme agent de nettoyage. Bien que le boîtier du capteur ne nécessite aucune précaution particulière, la membrane doit être nettoyée sans appliquer une pression ferme, en utilisant par exemple des cotons-tiges. Il est impératif de ne pas utiliser d’air comprimé pour le nettoyage, car les membranes sont très fines et une pression trop importante pourrait créer des déformations.
Sous l’impulsion des réglementations draconiennes appelant à réduire les émissions de gaz d’échappement et à améliorer la consommation de carburant, les constructeurs accordent des efforts conséquent à l’amélioration du processus de combustion : ils ont essayé d’ouvrir les soupapes d’admission plus tôt (appelé cycle de Miller), ils ont essayé de les fermer plus tard (communément appelé le cycle d’Atkinson), et ils ont même essayé de créer un moteur hybride à allumage commandé/compression (allumage par compression à charge homogène), le tout avec des résultats limités.
Certains constructeurs utilisent des systèmes comportant plusieurs lobes de cames, mais cela reste un compromis car seuls quelques profils peuvent être utilisés simultanément.
Remplacer les arbres à cames par des vérins pneumo-hydro-électroniques
Le moteur sans arbre à cames utilise un vérin pneumo-hydro-électronique pour remplacer le procédé traditionnel de contrôle du fonctionnement des soupapes d’un moteur à combustion interne. Il en résulte un contrôle beaucoup plus précis et entièrement personnalisable de la levée et du calage des soupapes (en admission et en échappement) : la levée et le calage des soupapes peuvent être ajustés librement d’une soupape à une autre et d’un cycle à un autre. Ce vérin permet également de multiples calages par cycle, ou aucun calage par cycle (ce qui entraîne une coupure totale du cylindre).
Bien que ce système offre un contrôle complet des fonctions d’admission et d’échappement, ainsi qu’une masse réduite et plus compacte (un 4 cylindres en ligne : 20 kg, 50 mm de hauteur et 70 mm de longueur), il est crucial de contrôler précisément les pressions pneumatiques et hydrauliques pour obtenir un fonctionnement efficace.
Cartographier les pressions au cours du développement
Pour déterminer les pressions de fonctionnement requises au fonctionnement des soupapes à différents régimes et à différentes charges, il est essentiel que les pressions soient mesurées avec précision en temps réel.
Mais il ne s’agit pas d’une mince affaire : non seulement les capteurs de pression utilisés doivent être précis dans une large plage de températures de fonctionnement , mais ils doivent également être compacts et résistants aux vibrations, aux huiles chaudes et autres produits chimiques présents dans les compartiments moteur.
Étant donné qu’une petite poignée de fournisseurs à travers le monde est capable de fournir des capteurs de pression professionnels de haute qualité, les équipes de développement qui tentent de concevoir un moteur sans arbre à cames doivent s’assurer de choisir des capteurs adaptés et éprouvés.
Avec cette technologie, il est important que la pression pneumatique (utilisée pour actionner l’ouverture/fermeture des soupapes) et la pression hydraulique (qui joue le rôle de clapet et de maintien d’ouverte des soupapes) soient cartographiées avec précision pendant le développement.
Ces pressions sont contrôlées au moyen d’une unité de commande électronique qui détermine la levée, l’accélération et le calage en fonction de la charge du moteur, de la vitesse et des conditions ambiantes.
Si les équipes de développement réalisent correctement la cartographie de ce processus complexe, les avantages sont assez spectaculaires : il est possible d’extraire plus de 170 kW et 320 Nm de couple d’une unité quatre cylindres de 1,6 litre, ce qui représente 47 % de puissance en plus et 45 % de couple en plus qu’un moteur équivalent équipé d’un arbre à cames, tout en améliorant la consommation de carburant de 15 %.
Bien que les arbres à cames sont au cœur des performances des moteurs à quatre temps depuis plus d’un siècle, les soupapes actionnées par pression hydropneumatique pourraient bien équiper les moteurs à combustion dans un
