EcoMOTION

Afin de diminuer la consommation de notre moteur, nous allons essayer d’améliorer son rendement. Pour ce faire, plusieurs solutions s’offrent à nous. Après avoir étudié théoriquement l’efficacité thermodynamique de celles-ci, nous en avons choisi deux :

– l’augmentation du taux de compression.

– le cycle de Miller.

Voyons de quoi il s’agit et pourquoi c’est intéressant.

Nous utilisons un moteur thermique fonctionnant au Bioéthanol. C’est un moteur 4 temps car il fonctionne selon le cycle classique de Beau De Rochas qui comprend 4 étapes.

Le rendement de ce cycle est proportionnel au taux de compression du moteur. Le taux de compression est le rapport entre le volume total de la chambre de combustion quand le piston est à sa position la plus basse, appelée Point Mort Bas, sur le volume quand il est à sa position la plus haute, appelée Point Mort Haut. Nous voudrions donc augmenter au maximum ce taux de compression. Cependant un taux de compression trop élevé peut entrainer une détonation dans le moteur, c’est-à-dire un auto-allumage du mélange à un moment donné ou la pression est trop importante dans la chambre de combustion. Ce phénomène peut entrainer la détérioration voire la rupture de certains éléments du moteur.

Pour augmenter le taux de compression, il nous faudra diminuer le volume de la chambre au PMH. Pour cela nous modifierons la tête de piston et/ou la forme de la culasse.

Par ailleurs, le cycle de Miller est en quelque sorte un cycle Beau de Rochas à détente prolongée.

En effet, en fonctionnement classique, les courses de compression et de détente sont égales. Avec le cycle de Miller, on va réduire artificiellement la course de compression, ce qui aura pour effet d’augmenter relativement la course de détente. Cela permet une meilleure utilisation de l’énergie pour une quantité de carburant donnée.

La diminution de la course de compression vase faire en modifiant le diagramme de distribution du moteur. La distribution regroupe l’ensemble des organes qui permettent la mise en communication du cylindre avec le milieu extérieur lors des phases de vidange et de remplissage. A savoir les soupapes, poussées par le culbuteur (qui n’apparait pas sur ce schéma), soulevé par l’arbre à cames, entrainé par la chaine de distribution reliée au vilebrequin.

Les positions angulaires du vilebrequin correspondant à l’ouverture et à la fermeture des soupapes d’admission et d’échappement pour une levée donnée définissent le digramme de distribution :

Où :

P.M.H=Point Mort Haut

P.M.B=Point Mort Bas

A.O.A= Avance Ouverture Admission

R.F.E= Retard Fermeture Echappement

A.O.E= Avance Ouverture Echappement

R.F.E= Retard Fermeture Echappement

Il apparaît des angles d’avance et de retard d’ouverture, nécessaires pour tirer profit de  l’énergie cinétique des gaz. L’AOE est favorable à la vidange du cylindre. Le RFE doit être supérieur à zéro pour éviter de recomprimer des gaz brulés dans le cylindre. L’AOA améliore la perméabilité pendant la phase d’aspiration. Et enfin le RFA qui permet de faire diminuer la pression mais avec recrachement des gaz dans le conduit d’admission avec perte de charge à la soupape.

Il est donc possible de déterminer ces angles depuis un relevé de levée de soupape tel que celui-ci :

Ces mesures ont été prises sur notre moteur au moyen d’un comparateur au 1/100mm:

.

Ce qui nous donne un RFA d’environ 30°. Nous serons, après modification, aux alentours de 60°. A vérifier.

Le temps d’ouverture des soupapes est donné par la forme de la came sur son arbre. Actuellement, notre moteur utilise un arbre à cames en tête à 2 soupapes, c’est-à-dire qu’il n’existe pas de tige de culbuteur. Les cames sont usinées sur l’arbre même et celui-ci est solidaire de son pignon d’entrainement. Il n’y a donc aucun réglage possible.

Nous sommes actuellement en train d’élaborer un nouvel arbre à cames permettant des réglages d’ouverture. Celui-ci comportera un réglage par rapport au pignon d’entrainement, une came d’échappement fixe et l’autre avec réglage possible en rotation avec fixation par goupille.

Vue éclatée du nouvel arbre à cames

Bien entendu, il nous faudra faire une batterie de test pour régler la position des cames au mieux.

Gérald

Afin de mieux surveiller les conditions de travail du moteur nous avons décidé d’ajouter certaines sondes. Elles sont au nombre de deux, une sonde de température moteur, et une sonde qui permet de détecter le cliquetis.

A quoi sert une sonde de température ?

Celle-ci permet de déterminer la température exacte du moteur. Elle est, bien entendu, très importante car les comportements ne sont pas les mêmes si le moteur est froid ou chaud. Il faut aussi que celui-ci ne chauffe pas trop, il doit être maintenu à la température où le rendement est optimal. Ces sondes sont constituées généralement d’une thermistance CTN, dont la résistance varie en fonction de la température. Pour pouvoir afficher des valeurs correctes, il faut étalonner la sonde dans le calculateur de gestion du moteur. Grâce à une source de chaleur, l’huile, et un multimètre, on peut mesurer une différence de potentiel qui varie en fonction de la température. A l’aide de la formule : Ve = Vs * (R_s/(R_b+R_s)) on connait la résistance qui correspond à la température et ainsi créer une table « température – résistance ».

Ainsi, le calculateur peut déterminer la température du moteur.

Qu’est-ce que le cliquetis ?

Le cliquetis est du à une combustion anormale dans le cylindre. Celui-ci est très néfaste que ce soit au point de vue mécanique ou au point de vue rendement. Un cliquetis important peut amener à la destruction de certaines pièces moteur, telles que le piston.

Voici une image du capteur du cliquetis, celui-ci se fixe sur le bloc moteur.

C’est un piézo-électrique, qui traduit une contrainte mécanique en une variation de tension. Le calculateur va détecter cette variation et peut donc déterminer s’il y a cliquetis ou non.

Giuseppe.

EcoMOTION 3 connaissait pas mal de problèmes lorsqu’on voulait fermer correctement les deux demi-coques.

L’ajustement laissait à désirer avec des jours allant jusqu’à 20mm à certains endroits. Par ailleurs les deux moitiés étaient maintenues par 6 points d’attache, ce qui créait des tensions entre elles.

Ces problèmes sont néfastes au niveau de l’aérodynamisme et servent juste de climatisation au pilote, et encore…

Mon travail avec Fabian et Jérémie s’est déroulé en 2 parties :

• L’extension de la partie supérieure
  
• Le repositionnement des pattes d’emboitement.
  

Mesure des jours

Une fois les parties inférieures et supérieures assemblées, nous avons disposé en longueur une bande de papier cache à quelques centimètres au dessus des jours.

Ensuite, nous avons fait des marques sur ces bandes tout les 5cm avant d’y noter la hauteur des jours au niveau ces marques.

Extension en fibres de carbone

Avant de poser des extensions en fibre de carbone, nous avons commencé par poncer tout l’intérieur aux endroits où nous devions étendre la coque, pour rendre la surface bien rugueuse.

Nous avons protégé le reste de la carrosserie pour ne pas que la résine laisse des trainées sur tout l’intérieur.

Ensuite, nous avons mis de chaque côté de la zone à prolonger des bandes en carton plume de 10cm de haut. Une moitié était recouverte d’un papier aluminium et l’autre de collant double face pour la fixer sur la carrosserie.

La partie en aluminium servira de « moule » pour l’extension.

Une fois ces bandes en place sur la longueur du prototype, on applique à l’intersection de la coque et de la bande aluminium un joint de résine qui servira à ne pas laisser de creux lors de la mise en place des fibres de carbone.

Nous avons découpé des bandes de fibres de carbone assez larges pour prendre racine avec la partie existante et pour recouvrir la zone d’extension.

Nous avons ensuite appliqué trois couches de fibres de carbone pour avoir une rigidité suffisante.

L’application de celles-ci, s’est faite une par une, avec à chaque fois une couche de résine pour la polymérisation.

Une fois les trois couches de fibres appliqués, on pose un tissu, appelé tissue d’arrachage, pour permettre à la résine de rester en place et de se fixer dans la fibre de carbone et au solvant de s’évaporer.

Il ne reste plus qu’à laisser sécher.

Découpage, Ponçage et Vernissage

La fibre de carbone sèche, on enlève délicatement les bandes de soutient et le tissu.

On applique une bande cache sur la longueur à découper pour avoir une coupe nette.

Quand la coupe est réalisée, on ponce en surface pour que l’extension et la coque ne forment plus qu’un.

Au final, on applique une couche de vernis pour faire plus joli 🙂

Repositionnement des pattes d’emboitement

Suite à la pose de l’extension, il faut repositionner certaines pattes d’emboitements car elles ne maintiennent plus le 2 parties de la coque parfaitement alignées.

Elles sont enlevées délicatement et recollées plus haut avec de la résine colle.

Pendant le séchage, elles sont maintenues par des pinces de serrage.

Conclusion

Ce qui m’a plu dans ce travail, c’est qu’il m’a permis de mettre en pratique la théorie sur les matériaux composites apprise au cours.

Nous avons réalisé la coque au campus Automobile de Spa Francorchamps, avec l’aide de Lillo Trovato, que nous remercions infiniment! Nous espérons, avec les autres améliorations des étudiants d’électromécanique, contribuer à faire un meilleur résultat à Rotterdam, lors de l’Eco marathon de cette année 2014 !

Raphael

Dans le cadre du cours de « Bureau d’étude » nous avons travaillé sur différentes solutions et adaptations à apporter au moteur pour le rendre plus fiable et économique en consommation de carburant.

Pour ce faire, nous avons travaillé sur deux points, la réalisation de revêtements sur certaines pièces et la transformation du système de lubrification.

Au niveau des revêtements, nous avons réalisé un revêtement en Téflon sur la jupe du piston ainsi qu’un revêtement céramique sur la tête du piston, la chambre de combustion de la culasse et les soupapes. Comme son nom l’indique le revêtement antifriction permet de diminuer le coefficient de frottement entre le cylindre et la jupe du piston. Le revêtement céramique permet lui de créer une barrière thermique empêchant les échanges de chaleur entre les pièces citées et la chaleur produite par la combustion du carburant. Grace à ces deux revêtements nous espérons améliorer le rendement du moteur et donc le rendre plus économe en carburant.

Nous avons décidé de réaliser nous même ces revêtements. Voici les différentes étapes du processus.

1° Sablage des parties à revêtir à l’aide d’une mini-sableuse (photo ci-dessous).

2° Nettoyage de la pièce à l’aide d’un dégraissant.

3° Application de la couche de revêtement désiré à l’aide d’un aérographe (Photo ci-dessous).

4°  La pièce est placée dans un four durant une période d’une heure à une température de 180°C.

Voici le résultat sur le piston : on distingue facilement les deux types de revêtement sur la jupe en gris foncé et sur la tête en gris clair.

En plus de ces différents revêtements, nous avons transformé le système de lubrification du moteur.

Lors d’essais nous avons remarqué la présence de bulles d’air à la sortie de la pompe à huile. La présence de ces bulles peut empêcher la bonne lubrification du moteur. Après plusieurs recherches, nous avons remarqué qu’en l’espace d’une quinzaine de secondes le niveau d’huile dans le carter tombe à zéro(!) et donc la pompe aspire de l’air, ce qui crée des bulles dans le système. Interdit d’augmenter le niveau d’huile, car l’huile rentrerait en contact avec le vilebrequin et donc diminuerait les performances du moteur. Nous avons donc choisi de réaliser un réservoir d’huile additionnel permettant d’augmenter la quantité d’huile. Ce projet sera réalisé par les étudiants de 2eme année

Toujours dans l’optique d’améliorer le rendement moteur, nous avons également isolé le carter d’allumage qui baignait dans l’huile ce qui occasionnait des pertes causées par le mouvement de pièces dans l’huile.

Voici une photo du carter avant la transformation: on y voit bien les roues dentées baignant dans l’huile.

Thibaut.

Le frein arrière de type Vbrake (hydraulique) d’EcoMOTION 3 posait de nombreux problèmes : il empêchait le montage d’une plus grande couronne dentée, il n’était pas simple à purger et cette opération prenait trop de temps, et celui-ci est particulièrement compté lors des compétitions. Enfin la puissance de freinage n’était pas optimale.

Nous avons étudié un autre type de frein qui consiste à agir directement sur la bande de roulement du pneu. Nous pouvons donc monter une couronne plus grande et l’efficacité du frein devrait être accrue en raison du haut coefficient de frottement existant entre le patin du frein (caoutchouc) et la bande de roulement du pneu. De plus, ce frein est mécanique, cela ne nécessite pas de purge de circuit hydraulique.

Après conception du modèle sur en 3D, nous avons trouvé un brut en aluminium afin d’y découper le levier du nouveau frein arrière. La découpe au jet d’eau a été effectuée par un professeur de l’école polytechnique de Herstal, Monsieur Cadet (Merci à lui !).

La seconde étape s’est déroulée à Technifutur pour l’assemblage du nouveau bras oscillant et des supports de frein. Ces pièces en aluminium ont été soudées sur place par les formateurs. (Encore merci à Monsieur Diefels et son équipe…)
De retour à l’atelier de l’école, nous avons monté le levier de frein sur ses supports fraîchement soudés. Un problème est apparu : la plage de course du levier de frein n’est pas assez longue pour freiner le prototype lorsque la position de la roue est trop éloignée du frein. En effet, la roue peut prendre plusieurs positions en fonction de la tension de la chaîne. Ce problème a été résolu en allongeant le levier. (Encore merci à Technifutur ! ).

De nouveaux tests nous serviront bientôt à déterminer son efficacité…

Victor.

Le système de direction présent sur les trois précédentes versions d’EcoMOTION était composé de tringles d’aluminium avec une rotule à chaque extrémité. Ces tringles étant reliées à des leviers à l’avant du proto et au bras oscillant directionnel arrière.

Ce système présentait plusieurs problèmes :

– La direction présentait un certain jeu ce qui obligeait le pilote à constamment corriger la trajectoire afin de conserver le cap.

– Le mouvement de certains renvois utilisés pouvait toucher la coque. Les tiges posaient également quelques problèmes d’interférences avec le siège.

– Les tringles présentaient un souci de flambage.

-Le bras de levier n’était vraisemblablement pas choisi de manière optimale ce qui pouvait jouer un rôle au niveau du rayon de braquage.

Pour toutes ces raisons nous nous sommes lancés dans la réalisation d’une toute nouvelle direction.

Il m’a été demandé ainsi qu’à Kévin, de réaliser une direction à commande hydraulique afin de remplacer le système existant.

L’idée de ce projet était d’utiliser des vérins afin de remplacer les tringles de l’ancien système. Nous devions toutefois conserver les deux leviers présents à l’avant du proto.

Nous avons choisi d’utiliser des vérins pneumatiques:

• Les plus
  • Poids minimum
  • Moins encombrant
• Les moins
  • Ce ne sont pas des vérins hydrauliques…
  • Pas de service de réparation

Nous avons commencé par nous lancer dans une analyse du système au moyen du logiciel Inventor dans le but de trouver le nombre de vérins à utiliser, leurs dimensions et bien entendu leur position sur le proto.

Nous avons finalement choisi d’utiliser 3 vérins de diamètre 16mm et de course 100mm. Il nous paraissait logique d’utiliser un vérin pour chaque levier ainsi qu’un troisième vérin situé à l’arrière du proto, dans le but de mettre en mouvement la roue arrière qui est la roue directrice.

Ensuite, nous avons choisi arbitrairement un diamètre de 16mm qui nous semblait être un bon compromis en résistance et encombrement.

Enfin, nous avons calculé la course idéale pour avoir un rayon de braquage optimal en fonction de la course disponible au niveau des leviers.

Problèmes rencontrés

Malheureusement nous avons du faire face à un gros problème. Une fois le système correctement purgé, des bulles d’air continuaient à apparaitre.

Nous avons donc dû identifier les causes de ces apparitions et tenter de les résoudre.

En premier lieu, nous avons placé le système dans une bassine remplie d’eau afin de rechercher d’éventuelles fuites d’air. Nous avons rapidement pu mettre hors de cause les raccords présents sur les vérins qui étaient parfaitement étanches.

Nous avons finalement pu conclure que les raccords rapides en matière plastique utilisés au niveau des vannes, n’étaient pas très fiables. Nous les avons alors remplacés par des raccords en laiton bien plus solides et étanches.

Malgré cela, on s’est aperçu qu’en manipulant les vérins des bulles d’air apparaissaient et disparaissaient de manière inexplicable. Nous avons alors pensé à de la cavitation.

En effet les bulles d’air semblaient se former directement dans le liquide uniquement lorsque que nous tirions sur les tiges.

Solutions apportées

Nous avons d’abord essayé de monter le système sur le proto et de le faire fonctionner en poussant les tiges, jamais en les tirant.

Tout fonctionnait à merveille mais le mouvement n’était pas vraiment naturel pour le pilote. Nous avons donc décidé d’aller plus loin et de passer à un système à 4 vérins afin d’équilibrer les forces entre les vérins, pour éliminer le problème de cavitation et pour équilibrer les volumes contenus dans les vérins.

Implantation sur le prototype

Nous avons fait souder deux équerres en aluminium sur le châssis et avons utilisé des rotules afin d’y fixer l’arrière des vérins. L’avant des vérins est fixé aux leviers à l’aide de rotules au niveau de leurs tiges. Ce système de fixation possède plusieurs avantages :

– Il est économique

– Il nous permet d’ajuster la position des vérins à l’aide des écrous.

– Les rotules permettent une certaine liberté des vérins ce qui reprend les éventuels efforts.

L’étude de la position du vérin arrière a été plus compliquée. En effet, nous ne disposions pas de beaucoup d’espace à l’arrière du proto.

Par chance, une patte de fixation était déjà soudée sur la partie arrière du châssis et elle convenait parfaitement pour l’implantation du troisième vérin. Nous avons donc décidé de fixer la partie arrière du vérin à cette patte en ajoutant juste une entretoise d’aluminium que nous avons percé et taraudé afin d’obtenir une épaisseur supplémentaire entre le vérin et la patte.

Nous avons ensuite étudié l’endroit où nous allions fixer la tige afin d’obtenir un mouvement symétrique de la roue arrière.

Par chance, le bras oscillant devait justement être usiné à nouveau. Il a été décidé d’ajouter une partie d’aluminium supplémentaire directement sur le bras que nous avons ensuite percée et taraudée pour y fixer directement la tige du vérin.

Une fois la position des vérins déterminée, il ne nous restait plus qu’à placer les différents tuyaux, découpés à la longueur adéquate, les différents raccords et joints que nous avions pour ensuite insérer le liquide dans le circuit.

Au vu de la difficulté à purger le système nous avons décidé de remplir les vérins immergés de nouveau dans une bassine entièrement remplie d’eau pour éviter toute entrée d’air.

Nous avons également agrandi les alésages situés au niveau des entrées/sorties des vérins afin d’obtenir un débit légèrement supérieur, ce qui a facilité la manipulation des vérins.

Tout n’est pas encore parfaitement fonctionnel, mais nous continuons à éliminer les problèmes les uns après les autres.

Paul.