MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant

Il ne modifie pas la cinématique du piston

La cinématique du piston des moteurs classiques est un véritable « coup de chance » car elle produit les effets escomptés. Quand on s’éloigne trop de la cinématique bielle/manivelle conventionnelle, on réduit l’efficacité des moteurs. Le rapport bielle/manivelle influe par exemple directement sur le remplissage naturel du cylindre en fonction du régime : un moteur à bielle longue est naturellement plus puissant à hauts régimes, un moteur à bielle courte se remplit mieux à bas régimes.

La configuration mécanique du MCE‑5 VCRi
implique une totale absence de variation
de la course et de la cinématique de piston

Diverses investigations ont été réalisées au moyen de moteurs à came, qui ont permis d’étudier l’influence de la cinématique du piston sur le rendement. Après essais, on en revient finalement toujours au dispositif classique, les variantes n’offrant pas d’avantages suffisamment significatifs, mais souvent au contraire, des désavantages.

La cinématique du piston conditionne le remplissage du cylindre, mais aussi, la turbulence dont la flamme a besoin pour se propager rapidement dans le volume de la chambre de combustion. L’arrêt du piston au point mort haut détermine le temps laissé à la combustion pour se développer avant que les gaz ne soient détendus. L’arrêt du piston au point mort bas permet quant à lui de laisser les gaz brûlés sortir du cylindre (échappement) en produisant le minimum de contre-pression, cette dernière s’opposant à la remontée du piston (travail négatif indésirable).

Tout bien considéré, la cinématique de piston la plus favorable résulte du classique système bielle/manivelle. Conserver cette cinématique permet de disposer d’une vitesse de piston suffisante au voisinage du point mort haut de sorte à créer l’effet de tumble recherché dans le cylindre en phase d’admission.

Ce mouvement de masse de la charge est ensuite transformé en turbulence fine au voisinage du point mort haut en fin de compression. Cette turbulence accélère considérablement la flamme, ce qui permet de brûler la charge « plus tard et plus vite ». En conséquence, favorisant cette combustion rapide, on réduit la sensibilité au cliquetis du moteur, les pertes thermiques aux parois sont réduites et le taux de détente « effectif » est augmenté : le rendement est meilleur.

La cinématique du piston du MCE‑5 VCRi est rigoureusement identique à celle d’un moteur classique
ayant le même rapport bielle/manivelle, quel que soit le taux de compression (exemple : de 6:1 à 15:1)

Les concepts VCR « multilink » peuvent conduire
à des cinématiques de piston exotiques
qui pénalisent certains points de fonctionnement

Selon la configuration retenue,
les arrêts au PMH longs des moteurs « multilink »
favorisent le cliquetis et les pertes thermiques

Arrivé au point mort bas en fin de détente, il est préférable d’avoir le temps de vider le cylindre de ses gaz brûlés sans que la pression résiduelle ne travaille « contre » le piston lorsque celui-ci entame sa remontée (limitation de la CPE ou contre-pression échappement).

On le voit, conserver la cinématique de piston des moteurs classiques est finalement le bon objectif à retenir. Pourtant, certains moteurs VCR modifient cette cinématique conventionnelle pour en faire une cinématique « exotique ». Ceci est par exemple le cas, en pratique, des moteurs dits « multilink » qui rajoutent des bielles et des leviers. Ces moteurs pourraient conserver une cinématique classique, mais au prix d’une plus grande complexité qui au final, se transformerait en poids, en encombrement, et en frottement. Ce type de moteur se comporte en général comme un moteur classique dont la bielle serait infiniment longue, voire plus. Les arrêts au PMH deviennent trop longs, tandis que les arrêts au PMB deviennent trop courts.

La cinématique de piston qui en résulte pénalise le rendement de combustion, particulièrement en allumage commandé à fortes charges.

Sur ces moteurs VCR, la perte thermodynamique induite par un piston trop lent au PMH (point mort haut) peut aller jusqu’à 8 % voire plus à moyennes et fortes charges. Ceci provient d’une sur sensibilisation du moteur au cliquetis et d’une augmentation des pertes aux parois. Dans ce cas, le VCR perd tout ou partie de son intérêt car les moyennes et fortes charges sont très utilisées sur un moteur VCR fortement downsizé. En revanche, la perte thermodynamique induite par une telle cinématique reste faible si le moteur fonctionne en allumage par compression (CAIHCCI), ce qui ne concerne que les faibles charges, en dessous de 5-6 bar de PME (pression moyenne effective). En ce cas, les gains faits en CAI à faibles charges servent en grande partie à compenser les pertes en SI (allumage commandé) à fortes charges. Le bilan est décevant de sorte qu’il est finalement préférable de continuer à produire des moteurs classiques, plus simples et moins chers.

D’autres moteurs VCR « dissymétrisent » la cinématique du piston : le piston « monte » plus vite qu’il ne « descend ». Le résultat de ce type d’approche : des moteurs qu’il conviendrait de faire tourner dans un sens à faibles charges, et en sens inverse à fortes charges. Impossible.

C’est pour toutes ces raisons que le MCE‑5 VCRi conserve une cinématique de piston strictement conventionnelle. Les prototypes actuels de MCE‑5 VCRi associent un rapport alésage/course faible (course longue) qui favorise le remplissage à bas régimes, avec un rapport bielle/manivelle élevé (bielle longue) qui favorise le remplissage à régimes élevés. Un moteur à essence classique ayant les mêmes caractéristiques présenterait exactement le même encombrement vertical, preuve de la compacité intrinsèque du MCE‑5 VCRi. Ainsi, le MCE‑5 VCRi n’induit aucun défaut imputable à une cinématique de piston non conventionnelle et permet aux combustionistes de transposer directement leurs « règles-métier » au VCR, sans pénalité aucune.

Dans sa publication SAE 2206-32-0098, Honda souligne la forte incidence
de la cinématique de piston sur le rendement (ici : incidence du rapport bielle/manivelle)