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

Il réduit les frottements

En général, les moteurs VCR génèrent des pertes par frottement plus importantes que les moteurs classiques. Ceci provient du fait qu’ils sont plus complexes, qu’ils comportent souvent davantage de pièces en mouvement et qu’ils nécessitent des moyens nouveaux pour piloter le taux de compression. Cet accroissement des pertes par frottement est rendu d’autant plus critique que le premier objectif du VCR est le hard downsizing, qui conduit à une plus forte sollicitation des pièces mécaniques. Sur un moteur classique, augmenter la puissance et le couple spécifiques (kW/L, Nm/L) conduit à un attelage mobile de plus forte dimension, qui génère des pertes par frottement plus importantes. Prévoir une puissance et un couple spécifiques élevés pour un moteur VCR conduit aux mêmes résultats qu’il faut minimiser dans un contexte mécanique encore plus contraignant.

Le rapport PMF / (kW/L) constitue
l’un des principaux points forts du MCE‑5 VCRi

Le système d’engrenage du MCE‑5 VCRi présente
un rendement très élevé, de l’ordre de 0,997

Le piston du MCE‑5 VCRi ne subit plus
d’effort radial ce qui concourt à en réduire
les pertes par frottement

Les gains thermodynamiques de la CAI peuvent être
anéantis par des pertes par frottement excessives

Le MCE‑5 VCRi réduit la part piston
et ajoute un poste « dentures »

La relation entre capacité de charge et pertes par frottement est bien illustrée par les moteurs Diesel. Ce type de moteur produit de fortes PMF (Pression Moyenne Frottement). Ceci provient d’une part du couple spécifique très élevé des Diesel modernes (jusqu’à 28-29 bar de PME), et d’autre part des fortes pressions maximales atteintes dans leur chambre de combustion, de l’ordre de 160 à 180 bar, et même 200 bar pour les dernières générations de moteurs Diesel.

Pour offrir une forte réduction de la consommation de carburant, un moteur VCR doit également être soumis à de fortes pressions cylindre, de l’ordre de 120 à 130 bar. Autre secret de la performance énergétique du VCR : il doit atteindre des couples spécifiques extrêmement élevés, avec de l’ordre de 35 à 40 bar de PME, avec des puissances au litre extrêmes, de l’ordre de 120 à 150kW/L. C’est seulement à ce prix que le VCR est suffisamment efficace pour trouver toute sa justification face aux prochaines générations de moteurs classiques GDI turbo.

Cependant, le dilemme subsiste : comment éviter de voir la PMF s’envoler au motif que le moteur est à taux de compression variable ? Si tel est le cas, les gains en efficacité énergétique risquent de disparaître par la même occasion.

La PMF reste une notion relative. Par exemple, les moteurs « downsizés » les plus modernes présentent une PMF plus élevée que celle des moteurs ordinaires. Pourtant, ils offrent un meilleur rendement en utilisation courante. Au final, c’est le ratio PMF/(kW/L) qui est le plus déterminant. Ce ratio doit être le plus faible possible, quel que soit le type de moteur, downsizé ou non-downsizé.

Selon la formule PMF/(kW/L), si on double la PMF tout en doublant la puissance au litre du moteur, la perte par frottement totale sur cycle de conduite reste identique. On le comprend donc aisément : le but est bien d’augmenter la puissance spécifique du moteur (kW/L) plus vite que son frottement spécifique (PMF). Si tel est le cas, le downsizing s’accompagne d’une réduction de l’énergie perdue par frottement, en plus de la réduction des pertes par pompage (PMP = Pression Moyenne Pompage).

La puissance spécifique du moteur (kW/L) n’est pas seule à jouer sur le bilan frottement. Le couple spécifique à bas régimes (Nm/L) joue également un rôle prépondérant. On se retrouve cependant avec un dilemme : d’un côté, augmenter le couple à bas régimes surdimensionne l’attelage mobile du moteur ce qui augmente ses pertes par frottement, de l’autre côté un couple élevé à bas régimes permet de réduire le régime d’exploitation du moteur (downspeeding), ce qui réduit les pertes par frottement et le pompage (PMF, PMP). Au final tout est affaire de bilan.

Potentiellement, le downspeeding est très efficace à réduire les pertes par frottement. En effet, la PMF des moteurs augmente plus que proportionnellement avec le régime. Réduire le régime (downspeeding) permet de gagner sur plusieurs tableaux à la fois : la PMF est moins élevée en tournant moins vite, le nombre de tours effectués par le moteur est moins grand à même service produit et le ratio PMI/PMF est plus élevé (Pression Moyenne Indiquée/Pression Moyenne Frottement). En outre, les pertes par pompage sont réduites quand le moteur tourne moins vite car le moteur est plus chargé.

Un point important s’agissant des moteurs à fort couple fortement « downsizés » et fortement « downspeedés » est la sensibilité de la PMF à la charge. On constate en général que le niveau de frottement des moteurs est très peu influencé par la charge, et essentiellement par le régime. Ceci est vrai tant que l’on reste sous une PME de 12 à 15 bar, au-delà, ce n’est plus vrai. Or, les moteurs VCR très chargés doivent atteindre des PME de 35 à 40 bar. À de tels niveaux de charge, la PMF peut devenir très élevée sur les moteurs classiques, constituant une perte énergétique absolue non négligeable, même si elle reste faible en relatif (ratio PMI/PMF élevé).

S’agissant des moteurs VCR, de nombreux principes présentent des pertes par frottement accrues. Par exemple, les moteurs VCR basés sur des bielles multiples ont une PMF qui croît anormalement vite avec la charge. Sur ce type de technologie, la PMF croît rapidement dès 4 ou 5 bar de PME seulement. Ceci rend inopérant le VCR dont les gains thermodynamiques se perdent en tout ou partie dans les frottements mécaniques.

Le VCR est un dilemme en soi : comment faire d’un moteur complexifié et fortement chargé un moteur à bas frottements.
Même s’ils sont décisifs, les gains supplémentaires obtenus du VCR restent modérés par rapport aux moteurs classiques GDI turbo VVL que l’on devrait voir dans la décennie à venir (25 bar de PME et 120 kW/L). Ces gains seront de l’ordre de 5% à 20% selon la puissance ciblée. Si la CAI est ajoutée (Controlled Auto Ignition), de 5 à 15% supplémentaires sont accessibles selon les véhicules. Très attractifs, ces gains se trouvent vite remis en question si les pertes par frottement sont excessives.

Beaucoup de moteurs VCR sont tombés dans le piège : pour piloter le VCR et assumer de fortes charges, il faut complexifier et surdimensionner l’attelage mobile, ce qui augmente la PMF du moteur. En ce cas, on se trouve rapidement à devoir choisir entre deux stratégies tout aussi inutiles l’une que l’autre. La première consiste à éviter de charger le moteur pour limiter le frottement : ceci anéantit le gain en consommation attendu du hard downsizing-downspeeding, ce gain représentant la majeure partie du bénéfice du VCR, hors CAI. La deuxième stratégie consiste à charger le moteur pour profiter du hard downsizing tout en dimensionnant l’attelage mobile en conséquence. En ce cas, le gain procuré par la réduction de cylindrée est réduit voire anéanti par le frottement excessif. Ne reste alors plus qu’à utiliser le moteur en CAI, ce qui est intéressant dans le seul cas où le rapport PMF/(KW/L) reste au moins aussi faible que celui d’un moteur classique sinon, le gain de la CAI sera en tout ou partie perdu dans le frottement.

Dans ce contexte, le MCE‑5 VCRi offre un ensemble de particularités aussi uniques que décisives. Au premier chef, un ratio PMF/(kW/L) extrêmement faible. Ce ratio est optimisé par les deux facteurs à la fois : une PMF faible, et une puissance spécifique élevé. Ce ratio favorable provient d’un attelage mobile dont les fonctions sont dissociées : le piston reçoit la poussée des gaz, mais il est protégé de l’effort latéral de la bielle. Le frottement entre piston et cylindre s’en trouve fortement diminué, de même que les sollicitations appliquées au cylindre. Par ailleurs, le dispositif de roulement et d’engrenage du MCE‑5 n’est sensible ni à l’obliquité de bielle repris entièrement par du roulement pur, ni au phasage de la pression par rapport à la position angulaire du vilebrequin. Autre point, le vilebrequin à fort recouvrement du MCE‑5 assume aisément des efforts de torsion de forte amplitude sans recourir à des paliers de gros diamètre. Au bilan, les dentures du MCE‑5 ont un rendement tellement élevé (0,997), que les pertes par frottement additionnelles qu’elles génèrent sont inférieures aux pertes par frottement qu’elles permettent d’éviter au niveau du contact 145 entre le piston et son cylindre. Rappelons que l’ensemble piston, segments et cylindre 140 représente entre 40 et 60% de la PMF totale des 135 moteurs classiques.

La PMF du moteur MCE‑5 croît en outre très peu avec la charge. En revanche, elle croît assez rapidement avec le régime (au delà de 3 500 rpm). Ceci convient parfaitement à un moteur à la fois downsizé et downspeedé. À faibles régimes, le MCE‑5 VCRi frotte exceptionnellement peu au regard de sa puissance spécifique.

Le dilemme entre complexité, capacité de charge et PMF du VCR disparaît avec la technologie MCE‑5 VCRi. Autre avantage : cette technologie a toutes les fonctionnalités nécessaires pour servir à l’idéal l’allumage par compression : 4 pilotage VCR cylindre-à-cylindre, rapide, précis 3 et à large amplitude.

Des différences faibles en PMF conduisent à de fortes variations en consommation.
Les moteurs fortement downsizés restent moins sensibles à ces différences

Le rendement des dentures du MCE‑5 VCRi ont une forte influence sur la PMF finale.
Rendement actuel : environ 0,997