Study of variable valve timing for an internal combustion engine

Abstract

This thesis focus on the study and development of a Variable Valve Timing (VVT) distribution system applied to the Renault K7M800 engine. The main goal of the system is to improve energy efficiency, increase the power output, and reduce pollutant emissions in comparison to a regular fixed-timing system. First presented, were the internal combustion engine generally, and traditional distribution systems generically; discussing drawbacks in terms of their performance and environmental requirements, followed by a discussion of different cam profiles and variable valves technologies that illustrated the benefits of both VVT and Variable Valve Lift (VVL) systems, for cylinder filling improvement and reductions of fuel specific consumption. Second, a dimensioning study was conducted on the principal dimensions of the component pieces: timing belt; camshaft; cam phaser; allowing a mechanical validation of the system to be offered and create definitions for the isolated parameters of usage to guarantee proper functioning of the VVT system. Concluding with a numerical simulation study that will analyze the real impacts of variable timing on the behavior of the engine evaluation, making some inferences as it relates to performance, consumption, and emissions after system implementation. Keywords: Internal combustion engine, Valve timing, VVT, Camshaft, Cam, Dimensioning, Simulation. In French: Ce mémoire porte sur l’étude et le développement d’un système de distribution à calage variable (VVT) appliqué au moteur Renault K7M800. L’objectif principal est d’améliorer le rendement énergétique, la puissance et de réduire les émissions polluantes par rapport à un système de distribution classique à calage fixe. Dans un premier temps, une présentation générale des moteurs à combustion interne et du système de distribution traditionnel a permis d’identifier les limites techniques et environnementales de ce dernier. Par la suite, l’étude des profils de cames et des différents mécanismes de distribution variable a mis en évidence l’intérêt des systèmes VVT et VVL dans l’optimisation du remplissage des cylindres et la réduction de la consommation spécifique. Un travail de dimensionnement a ensuite été réalisé sur les principaux organes du système étudié, notamment la courroie crantée, l’arbre à cames et le cam phaser. Les calculs menés ont permis de vérifier la faisabilité mécanique de l’intégration du système et de définir les paramètres nécessaires pour assurer son bon fonctionnement. Enfin, une étape de simulation numérique sera entreprise afin d’analyser l’impact réel du calage variable sur le comportement du moteur et de quantifier les gains en termes de performance, de consommation et d’émissions. Mots-clés : Moteur à combustion interne, Distribution, VVT, arbre a came, came, Dimensionnement, Simulation. In arabic : تركز هذه األطروحة على دراسة وتطوير نظام توزيع توقيت الصمام المتغير (VVT (المطبق على محرك رينو 800.M7Kالهدف الرئيسي هو تحسين كفاءة الطاقة وزيادة إنتاج الطاقة وتقليل انبعاثات الملوثات مقارنة بنظام التوقيت الثابت التقليدي. أوال،ً أبرز عرض عام لمحركات االحتراق الداخلي وأنظمة التوزيع التقليدية القيود من حيث األداء والمتطلبات البيئية. ثم أظهرت دراسة مالمح الكامات وآليات الصمامات المتغيرة المختلفة فوائد أنظمة VVT و VVL في تحسين ملء األسطوانات وتقليل استهالك الوقود المحدد. أجريت دراسة أبعاد للمكونات الرئيسية للنظام، بما في ذلك حزام التوقيت وعمود الكامات ومغير توقيت الكامات. أثبتت الحسابات الجدوى الميكانيكية للحل المقترح وحددت المعلمات المطلوبة للتشغيل السليم. أخي ًرا، سيتم إجراء مرحلة محاكاة رقمية لتحليل التأثير الحقيقي للتوقيت المتغير على سلوك المحرك ولتحديد المكاسب المتوقعة من حيث األداء واالستهالك واالنبعاثات.

الكلمات المفتاحية: محرك احتراق داخلي، توزيع، VVT، عمود الكامات، الكامة، تحديد األبعاد، المحاكاة.