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

Il protège le cylindre

Si rien n’est fait pour l’en empêcher, un moteur VCR impose de nouvelles contraintes pour le cylindre : le flux thermique le traversant est plus élevé du fait d’une puissance spécifique accrue, les efforts latéraux exercés par la bielle sont accrus à la fois par l’augmentation de la PME (Pression Moyenne Effective) et par l’augmentation de la pression cylindre culminant aisément à 130 bar. Un autre point caractérise les moteurs VCR : le point de rebroussement du piston est variable en altitude, avec des conséquences néfastes potentielles pour la segmentation.

L’effort radial moyen que subit le piston
du MCE‑5 VCRi est entre 10 et 100 fois
plus faible que celui que subit un piston
de moteur conventionnel

Sur les moteurs à essence très chargés, la forte PME à bas régimes est essentiellement obtenue par l’étalement de la pression, non par l’augmentation de la pression absolue.

En d’autres termes, la pression n’est pas significativement plus élevée, mais elle « dure » plus longtemps. Ceci se traduit par un effort plus élevé appliqué par la bielle sur la jupe de piston et sur le cylindre. En effet, la bielle est déjà fortement inclinée alors que règne encore une forte pression dans le cylindre. À hauts régimes, sur un moteur VCR hard downsizé, il se rajoute à cet effet une augmentation significative de la pression absolue en plus de l’augmentation de la vitesse de glissement. En outre, le « piston slap » – phénomène brutal de basculement du piston lorsque la bielle change de sens d’orientation - devient plus violent. Il en résulte potentiellement une altération locale de la microgéométrie de surface du cylindre, voire une ovalisation par usure du cylindre au niveau du premier segment.

L’augmentation de couple spécifique des moteurs fortement downsizés s’opère principalement
par étalement de la pression cylindre, avec pour conséquence une plus forte sollicitation du cylindre

Les efforts dus à l’obliquité de la bielle
ordinairement repris par le frottement
entre le piston et le cylindre sont repris
en roulement pur sur le MCE‑5 VCRi

Les contraintes de conception des pistons
et cylindres du MCE‑5 VCRi sont considérablement
réduites par rapport à l’état de l’art, conduisant
ainsi à de nouvelles performances accessibles

Pour gérer ces contraintes, le MCE‑5 VCRi apporte de nouvelles opportunités : la bielle ne prend plus appui sur le cylindre, mais sur un dispositif à roulement pur. De ce fait, le cylindre est moins sollicité en flexion.

De plus, le MCE‑5 VCRi élimine le « piston slap ». Cette caractéristique améliore le fonctionnement de la segmentation dans la partie haute du cylindre : les segments ne basculent plus lorsque le piston se déplace à très faibles vitesses dans la partie du cylindre la plus chaude, la plus sèche et la plus polluée.

Il est difficile de quantifier exactement les avantages attendus de la protection naturelle du cylindre que procure le MCE‑5 VCRi, toutefois, on peut en lister les opportunités. Par exemple, une réduction de la déformation du cylindre est envisageable. Sur un moteur classique, cette déformation résulte principalement de trois effets. Le premier effet est d’origine thermique à cause des variations locales de température. Le deuxième est d’origine mécanique à cause du serrage de la culasse, de la pression des gaz et de l’appui de bielle. Enfin, le troisième effet est dû à l’abrasion du cylindre qui cause de l’usure, particulièrement dans la zone affectée par le « piston slap » (ovalisation locale).

La technologie MCE‑5 VCRi réduit les efforts latéraux de bielle d’un facteur 100 en moyenne et d’un facteur 10 dans les cas les plus défavorables (taux de compression faibles avec un fort décalage du rouleau synchronisé). De ce fait, le haut de cylindre du moteur est moins sollicité en flexion ce qui laisse envisager la possibilité d’en réduire l’effort de serrage et d’en réduire l’épaisseur de la partie la plus chaude, de sorte à favoriser une circulation du liquide de refroidissement sur 360°. Actuellement, les cylindres des moteurs se touchent de sorte que le refroidissement n’est pas uniforme. Un « coup de scie » ou un orifice est prévu dans la partie haute des cylindres des moteurs les plus chargés : ces aménagements améliorent le refroidissement et limitent la déformation. Dans le cas du MCE‑5 VCRi, il serait probablement envisageable de prévoir des chemises indépendantes et juxtaposées, refroidies sur tout leur pourtour au moins dans leur partie haute.

Réduction potentielle du serrage, amélioration du refroidissement sur 360° et élimination du « piston slap » sont de nature à améliorer la géométrie du cylindre du MCE‑5 VCRi. Ceci sera l’opportunité de réduire la tare statique des segments et les frottements du moteur tout en en pérennisant le fonctionnement.

L’élimination du « piston slap » est également un facteur de pérennisation des moteurs VCR pour une autre raison. En effet, les variations d’altitude du piston des moteurs VCR font que la zone du cylindre affectée par le « piston slap » varie en altitude et est plus étalée. De ce fait, à haut taux de compression, les segments peuvent passer à vitesse élevée sur ces parties qui ont été altérées par le « piston slap » lorsque le moteur fonctionne à bas taux de compression. Ce problème est éliminé sur le MCE‑5 VCRi.

En conclusion, du fait de sa capacité à protéger naturellement son cylindre à très fortes charges, la technologie MCE‑5 VCRi possède un potentiel intéressant pour améliorer les conditions de fonctionnement, la durée de vie et l’efficacité énergétique de l’ensemble piston-segments-cylindre.