Depuis les débuts de l’automobile, la bougie d’allumage constitue un système autonome permettant d’initier la combustion dans la chambre avec une grande flexibilité. Cependant, elle impose à présent ses limites aux moteurs à essence, au détriment du rendement.
Valvijet fait du TJI un système aussi adaptable, autonome, stable et flexible qu’une bougie, tout en apportant une puissance d’allumage, une spatialisation et une dynamique turbulente qui ouvrent de nouvelles perspectives - connues dans leur principe, mais restées inapplicables jusqu’ici.
Pour des raisons pratiques et d’opportunité, Valvijet est étudié depuis 2018 sur des moteurs Diesel modifiés (image ci-après). La transposition aux moteurs à essence est immédiate, avec un insert de préchambre légèrement différent :
Le package technologique Valvijet repose sur quatre fonctions principales :
Les prototypes de l’ensemble des composants assurant ces fonctions sont opérationnels, à l’exception du compresseur, dont les essais au banc débuteront début 2026, sans risque d’échec identifié :
Avec ce package, Valvijet lève l’ensemble des verrous fonctionnels de l’allumage par jets turbulents :
Avec Valvijet, l’allumage par jets turbulents devient aussi stable et imperturbable qu’une bougie. Les conditions initiales dans la préchambre sont garanties à chaque début de cycle et ne dépendent plus ni de la charge principale, ni du cycle précédent :
L’objectif de Valvijet n’est pas de délivrer à tout prix le meilleur point de rendement maxi. S’en prévaloir n’a d’intérêt que si la consommation moyenne de carburant est réduite sur toute la plage de fonctionnement, en particulier dans les zones où le moteur opère lors des cycles d’homologation et dans les conditions réelles de conduite. L’objectif de Valvijet est d’aboutir à des moteurs naturellement économes avec un mix technologique relativement « standard » (PFI, TJI, turbo, VVT). L’enjeu est de limiter le recours à une hybridation lourde à émissions de CO2 équivalentes, et ainsi de réduire le prix des véhicules :
Cet organe est opérationnel au banc moteur.
Le mélangeur Valvijet centralise la préparation de la charge pilote : un seul mélangeur par véhicule. Un seul et même mélangeur est partageable par un grand nombre de véhicules et peut par exemple équiper tout moteur dont la puissance est comprise entre 40 à 200kW. Cette standardisation promeut une grande fiabilité pour un faible prix de revient.
Au démarrage du véhicule, le mélangeur Valvijet devient opérationnel en environ une seconde.
La pression dans le mélangeur est pilotée par le compresseur Valvijet afin d’éviter toute re-condensation, même partielle, de l’essence, quelle que soit la température ou la richesse du mélange air/essence. Lors du démarrage, la montée en pression dans le mélangeur suit celle de la température du moteur. Cela garantit l’absence totale de condensation dans la ligne qui relie l’enceinte de brassage du mélangeur, à la préchambre.
Le tableau ci-après indique la pression à ne pas dépasser en fonction de la température. Par exemple, à -6 °C, la pression dans le mélangeur ne doit pas excéder 11 bars pour maintenir un mélange 100 % gazeux à λ = 1. Dans ces conditions, et grâce au clapet Valvijet, la PME du moteur est limitée à environ 12 bars pendant quelques secondes, ce qui est d’ailleurs nécessaire pour des raisons de durabilité moteur. Dès que le circuit atteint 30 °C, le moteur peut délivrer son plein couple et sa pleine puissance. À partir de 56°C, le système permet d’exploiter pleinement toutes les stratégies de réduction de consommation :
La version de développement présentée ci-dessous, à gauche, a permis de valider le fonctionnement du mélangeur sur banc d’essai dédié (au centre) ainsi que sur banc moteur (à droite) :
La précision de richesse du mélangeur Valvijet est de ±2 % sur toute la plage de débit, du ralenti à la pleine puissance :
Déjà compact dans sa version de développement, la version “industrielle” du mélangeur est encore plus compacte, afin d’être parfaitement intégrable dans un compartiment moteur, même sur de petits véhicules :
Le prix de revient du mélangeur - de l’ordre de 75 € - a fait l’objet d’une étude détaillée, impliquant des spécialistes et industriels pour chaque étape de la gamme de fabrication, dans une approche “design to cost” :
Le mélangeur Valvijet est piloté par des composants électroniques dédiés et par un logiciel propriétaire qui contrôle avec précision le rapport air/essence. Il garantit une homogénéité maximale de la charge pilote et gère l’ensemble des phases de fonctionnement du moteur : démarrage à froid, stand-by, redémarrages, montée en température, refroidissement.
La précision du mélangeur Valvijet - de ±2% en richesse - est insensible au débit de charge pilote. Les conditions initiales de combustion dans la préchambre sont garanties en toutes circonstances.
Le fonctionnement du mélangeur est le suivant, en relation avec le schéma ci-dessous :
La richesse de la charge pilote est imposée au mélangeur. Elle évolue lentement durant la montée en température du moteur. La richesse optimale de la charge pilote en régime « moteur chaud » est de 1,2 (lambda 0,8).
Pour chaque point de fonctionnement, l’injecteur de charge pilote introduit dans la préchambre la quantité requise, déterminée lors de la mise au point. Le débit d’air correspondant est mesuré par un débitmètre en amont du mélangeur ou déduit par algorithmes.
En fonction du débit d’air mesuré, la pompe à essence à solénoïde introduit dans l’enceinte de brassage la quantité d’essence nécessaire pour atteindre la richesse visée. Sa fréquence varie d’un cycle à l’autre et peut atteindre une moyenne d’environ 50 Hz.
À chaque impulsion, la quantité d’essence injectée est mesurée par un débitmètre de haute précision qui tient compte de la densité du carburant, calculée à partir de sa température. Le déplacement du piston étanche de mesure est lu par un capteur de position absolu : la position indiquée n’est jamais la somme de déplacements successifs, mais une lecture directe.
Une fois la quantité d’essence injectée par un coup de pompe déterminée, la richesse résultante est calculée. Si la quantité introduite dans l’enceinte de brassage dépasse la valeur cible, l’impulsion suivante est retardée proportionnellement. Dans le cas inverse, elle est avancée. L’enceinte de brassage homogénéise en continu la richesse du mélange air/essence qu’elle contient, ce qui garantit des variations extrêmement faibles dans le mélange prélevé par les injecteurs de charge pilote.
Lorsque le piston étanche atteint sa fin de course, l’électrovanne de retour le ramène en position initiale. Durant cette manœuvre, d’une durée maximale de 100 millisecondes, le système fonctionne temporairement en boucle ouverte, en s’appuyant sur le comportement caractérisé et mémorisé de la pompe à solénoïde. Une fois le piston revenu à son point de départ, le fonctionnement en boucle fermée reprend.
Cet organe est opérationnel au banc moteur.
Pour réaliser des moteurs TJI stœchiométriques dilués à l’EGR et compatibles avec une catalyse trois-voies, il est indispensable d’injecter dans la préchambre une charge pilote A/F parfaitement maîtrisée : richesse précise, mélange homogène et 100 % gazeux.
Il n’existe aucune alternative.
Contrairement à une injection d’essence conventionnelle, la fenêtre angulaire d’injection de la charge pilote est très étroite : de 30 à 40° CA à bas régime, et jusqu’à 60° CA à 6000 tr/min, soit 1,7 milliseconde. Si l’injection débute trop tôt, la charge pilote se disperse inutilement dans la chambre principale. Si elle se termine trop tard, le recouvrement avec l’allumage par étincelle devient excessif : un back-flow peut survenir au niveau de l’injecteur avec risque d’encrassement, et des ratés d’allumage peuvent apparaître en raison d’une turbulence trop forte entre les électrodes de la bougie.
Autre différence avec l’injection d’essence : la pression amont de l’injecteur A/F ne peut pas être modulée dynamiquement. La charge pilote est un gaz compressible. Les délais de réaction seraient trop importants. De plus, la pression maximale admissible dépend de la température, car elle est limitée par le seuil de re-condensation du carburant contenu dans la charge pilote, ce qui restreint fortement les possibilités.
Autre contrainte : l’introduction de la charge pilote dans la préchambre s’effectue principalement en écoulement sonique au niveau de l’injecteur A/F. En régime bloqué, seul compte la densité du mélange gazeux, elle-même déterminée par sa pression et sa température. Ainsi, lorsque la limite de durée d’ouverture (fenêtre angulaire maximale) est atteinte, la seule façon d’augmenter le débit est d’accroître la section de passage à l’injecteur A/F et donc, la levée d’aiguille.
L’injecteur A/F doit donc impérativement réguler son débit par la levée d’aiguille (variable lift), la durée d’injection (pulse width), ou une combinaison des deux.
Comme la durée absolue d’injection (en millisecondes) diminue avec le régime, plus le moteur tourne vite, plus la levée d’aiguille doit être importante mais brève pour injecter une même quantité. Ainsi, pour introduire la charge pilote maximale dans une même fenêtre angulaire, la levée d’aiguille doit être d’environ 15 microns à 1500 tr/min et de 300 microns à 7000 tr/min, soit une levée 20 fois plus grande pour un régime seulement 4,7 fois plus élevé.
Pour garantir la durabilité de l’injecteur A/F, l’aiguille doit impérativement retomber sur son siège à une vitesse inférieure à 1 m/s (“soft landing”).
Dans certaines situations, comme le réchauffage du catalyseur, la coopération entre l’injecteur A/F et le clapet Valvijet est déterminante. L’injection de la charge pilote provoque l’ouverture du clapet plusieurs dizaines de degrés après le point mort haut, simultanément à l’allumage par étincelle. L’injecteur A/F alimente ensuite la combustion par un filet de gaz. Cette séquence spécifique nécessite une grande flexibilité et un contrôle précis de la levée d’aiguille.
Autre point essentiel : garantir une levée d’aiguille strictement identique pour tous les injecteurs d’un même moteur. Dans ce cas, le débit unitaire des injecteurs A/F est égal au débit du mélangeur A/F divisé par le nombre de cylindres. Le système d’allumage par préchambre peut alors être considéré comme une “grosse bougie” indépendante de l’injection principale. Il devient notamment possible d’utiliser un bouclage par sonde lambda sans perturber le fonctionnement des préchambres, et de piloter le moteur avec la même finesse et la même liberté qu’un allumage conventionnel à bougie.
Cela explique pourquoi l’injecteur A/F Valvijet intègre un capteur de position d’aiguille à large bande passante.
Ce capteur permet de corréler la courbe de courant alimentant la bobine du solénoïde avec la levée réelle d’aiguille. Ainsi, le courant est ajusté en fonction de la réponse propre à chaque injecteur A/F afin de respecter précisément la consigne de levée. Par apprentissage, cette approche devient prédictive et garantit, en dynamique, la levée correcte de l’aiguille en intégrant en continu ses particularités mécaniques et magnétiques. Un superviseur pilote l’ensemble des injecteurs A/F.
La levée d’aiguille sert également aux contrôles de cohérence entre le débit mesuré au niveau du mélangeur A/F et celui attendu d’après la somme des levées des injecteurs A/F. Ces données alimentent notamment l’OBD (On-Board Diagnostic).
Des corrélations de diagnostic existent aussi entre le système de compression d’air, le mélangeur A/F et les injecteurs A/F, ainsi qu’avec la mesure du couple instantané issue du codeur angulaire de vilebrequin. Elles permettent notamment d’inférer les conditions de fonctionnement du clapet Valvijet.
L’injecteur A/F Valvijet présente une architecture spécifique : une entrée radiale des gaz et une étanchéité interne séparant la zone sous pression de la zone à pression carter. L’entrée radiale est alimentée par une rampe de distribution forée dans la culasse, où circule le mélange A/F de charge pilote. Cette configuration maintient le mélange A/F à la température du moteur, évitant toute re-condensation partielle du carburant.
La configuration de l’injecteur A/F Valvijet est la suivante :
L’injecteur A/F Valvijet a fait l’objet de plusieurs années de développement et de nombreuses variantes :
Les schémas ci-après illustrent la grande variété de stratégies d’injection que permet l’injecteur A/F Valvijet :
Cet organe est opérationnel au banc moteur.
Le clapet remplit de nombreuses fonctions, dont la première est de garantir des conditions initiales optimales dans la préchambre au début de chaque cycle. Ces conditions sont ajustées à chaque point de fonctionnement du moteur, sans effet de « mémoire » : chaque cycle est indépendant et n’est jamais influencé par le précédent.
Gaz brûlés résiduels (GBR) et basses charges :
Les GBR constituent le principal point faible des préchambres d’allumage : le clapet Valvijet les élimine.
Dans une préchambre passive, sans clapet, le taux de GBR augmente à mesure que la charge du moteur diminue. Au-delà d’un certain seuil, l’allumage devient instable, voire impossible. Or, les basses charges dominent très largement les cycles WLTP et les conditions réelles (RDE) : le moteur fonctionne plus de 80 % du temps sous 3 à 4 bars de PME. La consommation moyenne effective de carburant dépend donc principalement de ces zones de fonctionnement.
En éliminant les GBR, le rendement redevient élevé aux basses charges, avec des avantages déterminants :
Rendement élevé à basses charges = « hard-downsizing » évité. Le hard-downsizing est coûteux à produire et risqué en fiabilité en raison des fortes charges thermiques et mécaniques qu’il impose. La performance dynamique de ces moteurs repose fortement sur la suralimentation. Les stratégies employées pour réduire le turbo-lag en transitoire (turbo spooling) consomment beaucoup de carburant : sur-injection, post-injection, retard d’allumage, papillonnage. La consommation devient alors très sensible au style de conduite, notamment en urbain : les consommations réelles dépassent souvent de 20 à 40 % les valeurs officielles.
Grâce à l’efficacité obtenue à basses charges, et sauf cas particuliers de véhicules très performants, un moteur Valvijet ne dépassera pas 16 à 17 bars de PME (« de-rating », « right-sizing »), contre 21 à 22 bars pour les moteurs GDI turbo modernes
Rendement élevé à basses charges = moindre besoin d’hybridation. Si elles sont naturellement efficaces, il n’est pas pertinent d’éviter les basses charges en passant par une coûteuse cascade de conversions mécaniques et électriques. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle les moteurs Diesel sont rarement hybridés. Cependant, la récupération d’énergie au freinage demeure un avantage certain de l’hybridation, en particulier en usage urbain. Les deux approches peuvent donc se combiner pour une efficacité maximale, créant de nouveaux compromis coût/efficacité permettant d’optimiser le prix de revient des véhicules du « cœur de marché ».
D’où l’importance cruciale d’éliminer les GBR dans les préchambres à chaque début de cycle.
Avec le système d’alimentation en charge pilote Valvijet (mélangeur A/F, injecteurs A/F), même sans clapet, une pré-injection de balayage réduit déjà fortement les GBR par rapport à une préchambre passive. Toutefois, le clapet Valvijet va plus loin : après la pré-injection de balayage, il empêche toute réintroduction dans la préchambre des gaz provenant de la charge principale, dont l’objectif est d’être diluée par l’EGR. Le taux de GBR dans la préchambre tend alors vers zéro. Un véritable « game changer ».
En effet, les GBR réduisent fortement la vitesse de flamme. À titre d’ordre de grandeur, diluer un mélange air/essence avec seulement 15 % de GBR (ou d’EGR) réduit la vitesse de flamme laminaire de 50 % et la vitesse de flamme turbulente de 20 %. Or, dans une préchambre passive conventionnelle, on observe typiquement 40 à 50 % de GBR à 2 bars de PMI, et encore 30 à 40 % à 4 bars de PMI. Le temps de séjour des gaz chauds dans la préchambre augmente. Résultat : ils se refroidissent davantage au contact des parois.
De plus, les GBR épaississent la zone d’extinction de flamme au voisinage des parois. À titre d’ordre de grandeur, cette zone est deux fois plus épaisse avec 20 % de GBR qu’avec zéro GBR. Compte tenu du rapport surface/volume élevé d’une préchambre, cet épaississement génère de nombreux imbrûlés, ce qui réduit l’énergie libérée par la combustion et abaisse la température des jets turbulents.
Les GBR augmentent également la capacité calorifique de la charge pilote par rapport à son contenu énergétique. Il y a moins de carburant par unité de masse. Ceci contribue, là encore, à diminuer la température des jets.
Or, des jets turbulents plus froids perdent en efficacité pour enflammer la charge principale. Ils se rapprochent de la température limite d’inflammation et peuvent même s’éteindre par coincement de flamme lorsqu’ils se mélangent à la charge principale froide, avant d’avoir déclenché sa combustion
Autre effet majeur des GBR : l’instabilité. Ils dégradent l’initiation, la propagation et la stabilité thermochimique de la combustion. La flamme devient fragile. Dans la préchambre, des combustions rapides succèdent à des combustions lentes, et inversement. Les jets turbulents sortent de la préchambre avec plusieurs degrés d’écart angulaire d’un cycle à l’autre. Ces écarts ont un effet désastreux sur la stabilité de la combustion dans la chambre principale car cette dernière amplifie les instabilités de la préchambre.
Robustesse de fonctionnement du moteur sous fortes dilutions EGR :
Avec le clapet Valvijet, la charge pilote est exclusivement constituée du mélange carburé injecté dans la préchambre par l’injecteur A/F. La charge principale n’intervient plus ni dans sa composition, ni dans sa qualité, ni dans sa quantité. Les limites de dilution EGR de la charge principale sont alors drastiquement repoussées. Le moteur reste stable.
Avec Valvijet, même à basses charges, la limite de stabilité (COV ≤ 3 %) n’est atteinte qu’autour de 45 % d’EGR externe. Or, un moteur doit pouvoir fonctionner avec au moins 35 à 40 % d’EGR pour absorber les inévitables pics d’EGR en transitoires, sans instabilités ni ratés d’allumage (« misfiring »). En théorie, l’optimum de rendement thermodynamique se situe autour de 30 % d’EGR externe. Mais cet optimum n’est atteignable en pratique que si le moteur peut supporter, sans dégradation, 35 à 40 % d’EGR lors des variations de charge et de régime. Sinon, il faut se limiter à 15-20 % d’EGR, très en deçà de la zone optimale, pour rester en sécurité et éviter tout décrochage en transitoire (instabilités, misfiring)
Plus la charge principale contient d’EGR, plus la charge pilote doit être puissante et réactive pour en assurer l’inflammation. Cependant, rien ne s’oppose à ce que la charge pilote soit transitoirement plus énergique que nécessaire afin d’absorber un éventuel excès d’EGR, même s’il ne se matérialise pas. C’est la stratégie à adopter pour garantir la stabilité du moteur en transitoires sous EGR, tout en le faisant fonctionner au taux d’EGR optimal pour le rendement, autour de 30 %.
À basses charges, il est idéal de privilégier l’EGR interne (i-EGR), plus chaud, ce qui favorise une combustion plus efficace, et plus volumineux, ce qui contribue à réduire les pertes par pompage. Le pilotage du taux d’i-EGR par rapport à l’EGR externe (e-EGR) dans la charge principale se fait par un phasage approprié du VVT à l’échappement. Ce levier optimise efficacement le rendement aux basses charges, sans aucune interaction avec la préchambre, laquelle est sanctuarisée par le clapet Valvijet.
Réglage de l’énergie et de la puissance des jets turbulents :
Sous forte dilution EGR, la maîtrise de l’énergie et de la puissance des jets turbulents est déterminante.
Une combustion trop rapide de la charge pilote peut conduire à l’absence totale d’allumage de la charge principale : les jets turbulents se mélangent alors excessivement aux gaz froids de la charge principale, ce qui empêche la combustion de démarrer (blocage thermique). À l’inverse, une charge pilote insuffisamment énergétique peut conduire au même résultat.
Le clapet Valvijet permet à la fois de régler la quantité d’énergie introduite dans la préchambre, et d’ajuster la vitesse de combustion en modulant la turbulence. Concrètement, cela consiste à régler le recouvrement entre la fin de l’injection A/F dans la préchambre fermée par le clapet, et l’allumage par étincelle de la charge pilote. Ce réglage fin, parfaitement répétable, permet d’ajuster la pénétration des jets turbulents dans la chambre principale et de trouver le bon compromis entre énergie et puissance des jets, c’est-à-dire le compromis qui maximise le rendement thermodynamique global.
Remplissage de la préchambre :
Une pression d’environ 30 bars en amont des injecteurs A/F représente un bon compromis. Au-delà, les risques de re-condensation partielle du carburant de la charge pilote augmentent, tandis que l’énergie nécessaire à la compression de l’air ainsi que les contraintes technologiques pesant sur le compresseur augmentent proportionnellement.
Sans le clapet Valvijet, avec 30 bars en amont des injecteurs A/F, et à fortes charges sous suralimentation, l’écoulement devient subsonique au niveau de l’injecteur. La fenêtre angulaire disponible à hauts régimes ne permet alors plus d’introduire toute la charge pilote dans le temps imparti, même avec une levée d’aiguille maximale. À partir d’une certaine charge, du « backflow » peut même apparaître au niveau des injecteurs A/F.
Avec le clapet Valvijet, la préchambre étant fermée, l’injection reste possible en toutes circonstances avec une pression en amont des injecteurs A/F de seulement 30 bars.
Durée de vie de la bougie :
Le clapet Valvijet garantit une charge pilote exempte de gaz brulés résiduels, dont la pression est limitée au moment de l’allumage. Ces deux paramètres sont déterminants pour la durée de vie de la bougie d’allumage, dont le faible diamètre est imposé par l’exiguïté de la préchambre.
Les prototypes monocylindres Valvijet utilisent une bougie Denso IY24 de 8 mm de diamètre, débouchant dans une préchambre de 700 mm3. L’allumage s’effectue avec une tension relativement faible et une énergie toujours inférieure à 50 millijoules, ce qui assure à la bougie une longue durée de vie malgré son format compact.
Calibration, maîtrise du couple :
Avec le clapet Valvijet, la préchambre est isolée de la chambre de combustion principale. Cela permet d’élargir considérablement la plage angulaire d’allumage tout en assurant une excellente stabilité de combustion (COV).
Cette particularité offre une grande liberté pour piloter le couple en transitoire en modulant le rendement par un retard d’allumage, comme avec une bougie conventionnelle, ou en coupant temporairement un cylindre. Ce point est déterminant : ce mode de contrôle du couple - difficile, voire problématique, avec des préchambres conventionnelles - est indispensable pour calibrer un moteur automobile sans recourir à une assistance électrique.
Démarrage à froid :
À -35 °C, un mélange air/essence stœchiométrique (lambda = 1) ne recondense pas - même partiellement - tant que la pression reste inférieure à 4 à 5 bars.
Dans le cas d’une préchambre sans clapet, une part importante de la charge pilote provient de la chambre principale. Lors du transfert de ces gaz de la chambre principale vers la préchambre, une partie de l’essence qu’ils contiennent recondense au niveau des orifices d’éjection des jets turbulents. Cela appauvrit le mélange A/F dans la préchambre et le rend plus difficile à enflammer, ceci s’ajoutant à l’effet négatif des gaz brûlés résiduels (GBR) sur la qualité de combustion.
Avec le clapet Valvijet, 100 % du mélange présent dans la préchambre provient de l’injecteur A/F de charge pilote. Il n’y a plus de GBR et la pression dans la préchambre est volontairement limitée à 5 bars au moment de l’injection et jusqu’à l’allumage de la charge pilote par la bougie, quelle que soit la pression dans la chambre principale.
En outre, l’absence de dilution aux GBR augmente la température des jets turbulents ce qui améliore leur capacité à enflammer la charge principale. La charge principale étant relativement froide, le clapet permet d’ajuster la quantité de charge pilote et son niveau de turbulence via l’injecteur A/F. Ce réglage évite un excès de mélange entre les jets turbulents et la charge principale, et permet d’écarter tout risque de coincement de flamme.
Le système d’alimentation Valvijet et le clapet Valvijet fournissent ainsi tous les leviers nécessaires pour réaliser un démarrage performant à toutes températures.
Préchauffage du catalyseur :
Comme le clapet Valvijet forme avec la préchambre un volume fermé et à plus basse pression que la chambre principale, il est possible de retarder l’allumage sans surcomprimer les gaz contenus dans la préchambre après le Point Mort Haut (PMH) puis les détendre avant combustion.
La stratégie la plus efficace pour réchauffer le catalyseur est d’opérer papillon grand ouvert pour avoir un maximum de débit de gaz chauds : le délai d’amorçage dépend du rapport des capacités calorifiques entre celle des gaz chauds et celle du catalyseur.
Si le papillon est grand ouvert et que la préchambre n’est pas sanctuarisée par le clapet Valvijet, sur un moteur à haut taux de compression (>13 :1), les gaz sont comprimés dans la préchambre jusqu’à 28 bars environ. Ils montent en température du fait de la compression, mais se refroidissent au contact des parois de la préchambre. Ils sont ensuite redétendus jusqu’au point d’allumage qui se doit d’intervenir tardivement, au minimum 30° après le Point Mort Haut (PMH). La détente refroidit les gaz, créant un effet de « pompe à chaleur ». La température de la charge pilote baisse rapidement ce qui conduit à la re-condensation d’une partie de l’essence qu’elle contient à l’état vapeur. La combustion devient alors impossible.
Autre impossibilité sans clapet : injecter la charge pilote air-essence gazeuse lorsque le papillon est grand ouvert. En démarrage à froid, par exemple à 15 °C, la pression à ne pas dépasser pour éviter toute re-condensation est d’environ 15 bars. Or, une injection tardive s’effectue alors que la pression dans la chambre principale est autour de 20 bars : c’est donc incompatible.
Pour résoudre ce problème, le clapet Valvijet limite la pression dans la préchambre au moment de l’injection à la pression d’admission soit à environ 1 bar, contre 20 bars sans clapet. Cette différence rend l’injection possible, comme montré plus loin sur les relevés de banc d’essai.
Avec le clapet Valvijet actuel encore en évolution (plus de 70 configurations testées depuis 2019) il est déjà possible d’allumer 37° après PMH, papillon grand ouvert c’est-à-dire avec un débit de gaz maximal, sous des COV acceptables, et avec des températures à l’échappement supérieures à 850°C.
Ci-après, la configuration du clapet Valvijet de fin 2025 :
Le clapet Valvijet a fait l’objet d’une activité de Recherche et Développement particulièrement soutenue depuis 2018. Ces travaux ont permis d’identifier tous les facteurs déterminants pour son fonctionnement et de répondre à un cahier des charges exigeant :
Ci-après, à titre d’exemples, figurent des diagrammes de 300 cycles empilés, mesurés à moyennes et basses charges au banc d’essai sur différents points de fonctionnement. Ces courbes montrent l’effet du couplage clapet + pré-injection sur l’efficacité et la stabilité de combustion.
Ci-après, le fonctionnement typique du clapet en conditions ordinaires de fonctionnement, ici en « lean » :
Le coefficient de variation (COV) de 0,4 % observé ci-dessus résulte de la répétabilité et de la stabilité d’allumage offertes par le système Valvijet, qui garantit des conditions initiales maîtrisées dans la préchambre. Cette stabilité contribue à un faible NVH à bas régime. Outre un calage précis de la combustion permettant de toujours conserver un CA50 optimal, cette stabilité facilite le « downspeeding » des moteurs, c’est-à-dire la réduction du régime au bénéfice de la charge et d’un meilleur rendement d’usage.
Une autre façon d’utiliser le système Valvijet consiste à stratifier la zone qui entoure le nez de préchambre avec des gaz frais, en balayant la préchambre sur la fin de son remplissage en charge pilote.
Cette approche est particulièrement efficace sous forts taux d’EGR (>30 %), y compris à basses charges, où la sensibilité à l’EGR est la plus élevée. D’autres stratégies sont à l’étude pour minimiser la charge pilote, avec notamment un clapet plus réactif en ouverture et plus d’i-EGR, ce que ne permettent pas les moteurs monocylindre Diesel actuellement utilisés.
Les prochains prototypes Valvijet, cette fois développés sur base de moteurs à essence, ouvriront de nouveaux champs d’optimisation, même si l’objectif principal du projet Valvijet n’est pas de parfaire les interactions moteur / système d’allumage.
Économiser la charge pilote figure compte parmi les qualités intrinsèques de Valvijet. A ce titre, on remarque que pour un même taux d’EGR, la quantité de charge pilote requise n’est pas proportionnelle à la charge. Sous 30% d’EGR, à 2000rpm-8bars, 2,5% de charge pilote suffisent là ou 7% sont nécessaires à 1500rpm-3bars. En relatif, le coût énergétique de compression de la charge pilote est donc plus élevé à 1500rpm-3bars. Cependant, le gain relatif par rapport aux moteurs GDI turbo « à l’état de l’art » est aussi plus important dans cette zone, en raison de la réduction drastique des pertes par pompage.
À 1500 rpm - 3 bars, on peut résumer l’origine des gains de la manière suivante :
L’important est de trouver le meilleur compromis entre le coût énergétique de la charge pilote et les bénéfices thermodynamiques obtenus grâce au TJI, ce que Valvijet permet de faire avec la plus grande flexibilité.
Quel que soit le régime ou la charge, le taux d’EGR optimal dépend également du système de combustion du moteur, indépendamment de Valvijet. L’EGR tend à réduire le rendement de combustion : un système de combustion mal conçu peut descendre à 93–94 %, tandis qu’un système performant atteint 97–98 % de charge brûlée. Les « end gas », principalement situés entre les jets turbulents, peuvent rallonger le CA50-90. La résolution de ce phénomène relève de l’optimisation de la géométrie du système de combustion : chambre, conduits, lois de levées de soupapes. À cela doivent s’ajouter des caractéristiques de préchambre adaptées : nombre, diamètre et orientation des orifices d’éjection.
Ci-après, un point moteur à 1500 rpm sous 30 % d’EGR, obtenu avec un système de combustion encore largement perfectible, utilisant un balayage de la préchambre en fin de remplissage de la charge pilote :
À 3 bars de PMI, le taux d’EGR optimal pour le rendement se situe entre 25 et 28 %. Toutefois, en transitoires, le moteur doit pouvoir accepter un taux d’EGR externe dépassant les 40 % tout en garantissant un COV inférieur à 3 %. Cette stabilité s’obtient au prix d’une charge pilote transitoirement plus conséquente. Dans l’exemple ci-dessous elle atteint 9 % de l’énergie totale, le taux d’EGR étant de 41% :
Avec Valvijet, la phase de réchauffage de catalyseur devient possible en TJI. Pour l’instant, les essais ont marqué une limite de charge de 3 bars de PMI au-dessous de laquelle le moteur devient instable. Ce résultat est obtenu papillon grand ouvert pour bénéficier d’un maximum de débit de gaz chauds sortant à la soupape d’échappement à 825°C. Les prochaines versions de clapet devraient permettre de descendre sous les 2 bars de PMI.
Le réchauffage du catalyseur requiert d’allumer le plus tard possible ce que permet Valvijet dans d’excellentes conditions (allumage 37 °après PMH), puis de brûler le plus lentement possible avec le meilleur rendement de combustion possible. L’objectif est d’émettre le moins de polluants possible pendant cette phase : sur WLTP, environ 70 % des HC et 50 % du CO sont émis avant light-off.
Une stratégie efficace consisterait à coupler le moteur TJI Valvijet avec une hybridation légère basée par exemple sur un BSG (Belt-integrated Starter Generator) de 12 ou 48v. Ce type de système se généralise rapidement : en Europe, près de 25 % des voitures neuves en sont déjà équipées, y compris des modèles d’entrée de gamme comme la nouvelle Fiat 500. Durant le réchauffage du catalyseur, un BSG permet de tirer au moins 2,5kW supplémentaires sur le vilebrequin à 1200 tours/min. Cela évite de descendre sous les 3 bars de PMI sur un moteur 1,8 L dont la PMF à froid est d’environ 1,5 bar.
Au moins deux options sont possibles pour consommer utilement ces 2,5 kW, quel que soit le SOC de la batterie :
Ci-après figurent des exemples d’utilisation du couplage clapet/injecteur AF, qui illustrent la capacité du système Valvijet à s’adapter aux différents cas de fonctionnement du moteur :
Le compresseur Valvijet est entraîné par un moteur électrique intégré, via une couronne intérieure un pignon. Il n’est raccordé que par des câbles de puissance et de commande, et par des conduits de fluides (air et eau). Conçu pour s’intégrer facilement dans tout véhicule, c’est un composant générique, compact et hautement standardisé. A l’instar du mélangeur Valvijet, un même compresseur peut équiper un large éventail de véhicules, par exemple pour des puissances comprises entre 50 et 150 kW.
Les caractéristiques du compresseur Valvijet sont les suivantes :
Objectif du compresseur Valvijet : un rendement énergétique élevé, pas de maintenance, un ensemble hyper-compact et léger, de faibles émissions vibro-acoustiques, et un coût de fabrication inférieur à 100€.
Le mécanisme scotch yoke du compresseur Valvijet comprend deux paires de pistons opposés. Cette configuration répartit le premier étage de compression - le plus volumineux - sur deux cylindres. Cela contribue à la compacité de l’ensemble et permet de limiter les charges mécaniques : les efforts de pression et d’inertie se compensent en grande partie, ce qui réduit les sollicitations sur les manetons du vilebrequin.
Dans le système Valvijet, le rendement de compression revêt une importance particulière car il influe sur le rendement total du moteur. En moyenne, le compresseur Valvijet coûte moins de 1% de rendement relatif : si pour un point de fonctionnement donné le moteur a un rendement de 45% hors compresseur, avec le compresseur, son rendement sera de 44,55% (45-1%).
C’est pourquoi la compression est divisée en 3 étages, ce qui permet d’augmenter le rendement volumétrique de chaque étage et surtout, de se rapprocher d’une compression isotherme grâce aux refroidisseurs à eau froide entre chaque étage. L’autre avantage de la configuration tri-étagée est la limitation de la température de fin de compression. Une température inférieure à 150°C est souhaitable pour éviter que d’éventuelles traces de vapeur d’huile ne puissent cokéfier au contact de surfaces trop chaudes.
Le compresseur d’air Valvijet est destiné à être refroidi par le circuit LT (basse température) du refroidisseur d’air de suralimentation du moteur. Aujourd’hui, les circuits d’eau froide indépendants utilisés pour refroidir l’air de suralimentation sont principalement déployés sur des moteurs suralimentés « premium ». Compte tenu de leurs avantages, ils sont appelés à se généraliser sur l’ensemble des moteurs turbocompressés.
Sur un moteur TJI Valvijet, ce circuit d’eau froide devient un élément particulièrement pertinent : il permet d’augmenter le rapport volumétrique du moteur, et maximise le rendement de la suralimentation. De plus, les circuits d’eau LT réduisent le temps de réponse de la suralimentation : le volume entre la sortie du compresseur centrifuge et la soupape d’admission est plus petit. Les refroidisseurs à eau froide se combinent avantageusement avec l’EGR qu’ils concourent à davantage refroidir avant son introduction dans les cylindres. Cette configuration est également plus logeable à bord des véhicules en alternative aux conduites d’air et refroidisseurs d’air de suralimentation air-air plus encombrants.
En l’absence d’un circuit d’eau froide, il sera néanmoins possible de prévoir un mini-échangeur en face avant du véhicule qui dérive une faible partie de l’eau de refroidissement à 95°C du moteur, qui l’abaisse à basse température pour refroidir le compresseur d’air Valvijet, cette eau étant ensuite réinjectée dans le circuit 95°C. A pleine puissance, le compresseur Valvijet ne nécessite que 28 cm3 d’eau par seconde sous une delta t° entrée/sortie de 5°C pour évacuer toute la chaleur produite.
L’admission du compresseur Valvijet est raccordée au boîtier de filtre à air du moteur, lequel peut avantageusement utiliser un média en cellulose + fibres synthétiques capable d’arrêter des particules de 3 à 5 µm, protégeant ainsi à la fois le moteur et les injecteurs A/F Valvijet.
La conception du compresseur Valvijet est compatible avec un fonctionnement durable sur toute la vie du véhicule, jusqu’à 300 000 km. Son architecture simple, comportant très peu de pièces complexes, doit permettre d’en contenir le prix de revient en fabrication à moins de 100 €.
Les clapets constituent habituellement le point faible des compresseurs. Ils sont au contraire l’un des points forts du compresseur Valvijet.
Ordinairement, les clapets de compresseurs s’usent au niveau de leur siège et de leur butée d’ouverture, et au contact de leur ressort de rappel. Ce dernier peut également s’user en frottant dans son logement. Les clapets de compresseurs ont en général une durée de vie limitée à cause de fissurations, déformations, fluage, piquage ou écaillage de surface qui peuvent conduire à leur rupture. L’encrassement des clapets de compresseurs peut également être une source de dysfonctionnement et de perte de rendement.
C’est pourquoi les clapets du compresseur Valvijet dont le principe est breveté sont formés d’un ensemble de billes libres sans ressort, indestructibles et autonettoyantes, qui translatent dans un fût tel une bille dans une sarbacane.
Le schéma suivant illustre le fonctionnement du compresseur Valvijet :
Sur ce schéma, on distingue en sortie du compresseur un petit réservoir d’air comprimé (par exemple 200 cm³). La pression dans ce réservoir est maintenue entre 31 et 36 bars : lorsque la pression descend sous 31 bars, le compresseur redémarre ; lorsqu’elle dépasse 36 bars, il s’arrête. Autant que possible, le compresseur fonctionne sur son point de meilleur rendement, dans une zone où ses émissions acoustiques sont minimales. Le compresseur est équipé de clapets étanches et peu réactifs en sortie de chaque étage, ce qui permet de conserver la pression entre deux redémarrages.
Une électrovanne en sortie de réservoir régule la pression d’alimentation du mélangeur, qui est de 5 bars en démarrage à -35°C et monte graduellement jusqu’à 30 bars quand le moteur est chaud.
L’évolution de la pression et de la température dans le réservoir à chaque tour du compresseur permet d’en caractériser le rendement volumétrique lorsque les injecteurs A/F de charge pilote ne fonctionnent pas : en coupure d’injection lors des décélérations, ou moteur à l’arrêt (fonction start & stop).
L’évolution de la pression et de la température dans le réservoir d’air comprimé permet également de caractériser le débit effectif des injecteurs en fonction de leur levée d’aiguille, mesurée par leur capteur de position. Lorsque le compresseur est à l’arrêt, la baisse de pression et de température dans le réservoir correspond directement à la consommation d’air comprimé du système aval.
Cette stratégie évite de recourir à un débitmètre physique : une connaissance précise du rendement volumétrique du compresseur en fonction des pressions d’entrée et de sortie permet d’en déduire son débit. De même, une bonne caractérisation du débit des injecteurs en fonction de la levée permet de quantifier leur consommation. En combinant ces deux données, on peut déterminer le débit traversant le mélangeur, y compris lorsque le compresseur et les injecteurs fonctionnent simultanément.
Un conduit capillaire permet d’évacuer l’eau de condensation du réservoir : une micro-électrovanne s’ouvre et provoque une baisse lente de pression, signe que l’eau est expulsée. Une chute de pression rapide indique que le réservoir est sec, et la micro-électrovanne se referme.
Les caractérisations de rendement volumétrique du compresseur et du débit des injecteurs sont idéalement réalisées après purge des condensats.
