Tout d'abord, il est probablement important d'examiner ce que font les soupapes et comment elles sont censées fonctionner sur un moteur à combustion interne à quatre temps.
Que font les vannes
Il existe essentiellement des soupapes d'admission et d'échappement avec au moins un de chaque par piston, mais les voitures F1 (et de nombreuses voitures de route modernes) en utilisent deux. La description suivante utilisera "soupape" au singulier, mais il faut comprendre que dans les moteurs à soupapes multiples, les soupapes fonctionnent en synchronie - c'est-à-dire que si le moteur a une ou deux soupapes d'admission, elles sont dans la même position à chaque instant dans le temps.
La soupape d'admission permet au mélange carburant / air d'entrer dans le cylindre lorsque le piston descend (loin de la soupape), puis se ferme de sorte que le mélange puisse être comprimé par le piston montant. Il est ensuite allumé par une étincelle et la mini-explosion qui en résulte repousse le piston vers le bas. Voilà le coup de force. Enfin, le piston remonte lorsque la soupape d'échappement s'ouvre et que les gaz d'échappement sont poussés hors du cylindre.
Comment ils travaillent
Comme cela doit être évident à partir de la description ci-dessus, les soupapes doivent être exactement synchronisées avec le fonctionnement des pistons qui montent et descendent. S'ils devaient se désynchroniser, le moteur aurait moins de puissance (s'ils sont légèrement décalés), ou ne tournerait pas du tout (s'ils sont fortement décalés) ou détruirait le moteur en provoquant l'écrasement des pistons. les soupapes, pliant ou cassant les soupapes (dans certains modèles). Pendant de nombreuses décennies, et jusqu'à l'heure actuelle, la plupart des moteurs utilisent des cames pour pousser la soupape vers le bas (l'ouvrir) et des ressorts pour refermer la soupape. C'est peu coûteux, fiable, efficace et une conception éprouvée, mais il y a des limites.
Allons faire la course!
Lorsque le régime du moteur augmente, les soupapes doivent aller plus vite. Une voiture F1 est conçue pour tourner jusqu'à 15 000 tr / min conformément à la réglementation en vigueur; les voitures des saisons précédentes ont augmenté encore plus. Les voitures routières typiques ont une "ligne rouge" à environ la moitié. ("La ligne rouge" fait référence à une ligne rouge réelle sur le tachymètre qui est destinée à indiquer "si vous allez au-delà de ce point, de graves dommages au moteur sont probables!") Lorsqu'un moteur tourne aussi vite, le ressort devient un problème. Premièrement, il doit agir très rapidement. Nous pouvons accélérer la fermeture de la soupape en utilisant un ressort plus rigide, mais nous devons ensuite dépenser plus d'énergie en comprimant le ressort chaque fois que la came tourne pour fermer la soupape. De plus, il a été constaté qu'à certains régimes moteur proches de la fréquence de résonance du ressort, les soupapes ne se ferment pas aussi rapidement qu'elles le devraient, donc certains moteurs de course utilisent deux ou trois ressorts concentriques avec des fréquences de résonance différentes pour surmonter cela.
Printemps à Paris
Une approche qui a été utilisée avec succès par Renault à l'origine (oui, je sais qu'ils ne sont pas réellement basés à Paris, mais je n'ai pas pu résister à l'utilisation de la rubrique) et peu de temps après par tous les fabricants de moteurs F1 était une soupape pneumatique. Essentiellement, c'est juste un diaphragme rempli d'un gaz inerte tel que l'azote qui agit comme un ressort, mais plus rapidement. Ils ont également l'avantage d'être plus légers, ce qui intéresse toujours les ingénieurs de course. Gardez à l'esprit que même si les soupapes pneumatiques peuvent être utilisées à des régimes plus bas, le problème qu'elles sont censées résoudre est à des régimes si élevés bien au-dessus de ceux auxquels la berline familiale pourrait résister, c'est pourquoi elles ne sont pas (encore) utilisées sur la route voitures. Il y a aussi un système appelé " desmodromique"qui utilise essentiellement deux lobes de came - un pour ouvrir la valve et un autre pour la fermer. À ma connaissance, il n'a jamais été utilisé en F1 ( Pardonnez-moi Fangio, car j'ai péché! La Mercedes-Benz W196 de 1954 employait desmodromique soupapes.), et le principal utilisateur est Ducati dans leurs motos. C'est déjà assez long, donc je ne vais pas décrire celui-ci ici.
Pouvons-nous faire encore mieux?
Le système de came que je viens de décrire fonctionne bien, mais c'est un compromis. Le moment et la durée des périodes d'ouverture de chaque soupape sont fixés par la forme des lobes de l'arbre à cames et la vitesse du moteur. À un moment donné de la plage de régime du moteur, un arbre à cames particulier fournit la durée et le moment optimaux, mais seulement à ce moment-là. Pour chaque autre régime moteur, il sera sous-optimal en termes d'efficacité ou de puissance, ou les deux. Idéalement, nous souhaiterions un meilleur contrôle des vannes pour assurer des réglages idéaux à plus d'une valeur de régime spécifique.
Comment pouvons-nous améliorer le contrôle des vannes?
Il existe plusieurs façons de résoudre ce problème. Une façon simple de le faire est d'avoir deux lobes de came par valve et d'utiliser un actionneur qui change celui qui ouvre réellement la valve. C'est essentiellement exactement ce que fait le système VTEC de Honda . Nous pouvons faire encore mieux en variant continuellement le calage des cames, ce que font les systèmes VVT-i de Toyota, VANOS de BMW et Variocam de Porsche. Ils ont tous la capacité de faire varier légèrement le calage des cames de sorte que le moteur fonctionne à puissance maximale dans une plage beaucoup plus large de régimes.
C'est bien, mais on peut imaginer aller encore plus loin. Encore mieux serait d'éliminer complètement la came et d'utiliser, par exemple, un solénoïde sous contrôle informatique. De toute évidence, le solénoïde et l'ordinateur qui le contrôle devraient reproduire avec précision la synchronisation actuellement fournie mécaniquement par les cames, mais il présente un avantage potentiel important en termes d'économie de poids et de contrôle extrêmement flexible permettant des ajustements dynamiques instant par instant. du calage des soupapes. Cependant, cela s'est avéré très difficile à réaliser de manière fiable, donc aucun moteur de production n'a encore été produit utilisant ce type de technologie. La rumeur veut que Koenigsegg soit proche, mais peu d'entre nous vont pouvoir se le permettre.
Quel système de valve variable est utilisé en F1?
La réponse peut vous surprendre: aucun d'entre eux . Si vous lisez le Règlement technique de Formule 1 2016 (et qui ne le fait pas?!), Vous verrez ceci:
5.9.2 Les systèmes à calage variable des soupapes et à profil de levée de soupape variable ne sont pas autorisés.
Conduisez fièrement!
Alors voilà. Bien qu'il y ait beaucoup de technologie cool dans les moteurs F1, y compris des "ressorts" de soupapes pneumatiques, vous pouvez conduire béatement dans la rue dans votre Honda Prelude 1999 gris amorce avec le garde-boue manquant et le capot bosselé sachant que votre moteur incorpore réellement une technologie qu'aucun La voiture F1 actuelle a un calage variable des soupapes.