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

Il est précis et contrôle
le VCR cylindre-à-cylindre

Le MCE‑5 VCRi apporte une « précision effective » de contrôle du taux de compression jamais égalée sur aucun prototype ou concept VCR. Pour comprendre les fondements de cette précision, il faut rappeler qu’au travers du pilotage du taux de compression, on recherche avant tout un certain comportement du moteur en réponse à diverses conditions de fonctionnement. À ce titre, la précision du taux de compression n’est pas une notion absolue, mais une notion relative.

Le MCE‑5 VCRi contrôle le taux de compression
cylindre-à-cylindre. Cette fonction est determinante
pour exploiter tout le potentiel du VCR

Contrôlé cylindre-à-cylindre, le VCR peut participer
à la gestion du cliquetis aux cotés
de l’avance à l’allumage

Maîtriser l’allumage par compression
nécessite de pouvoir différentier le taux
de compression de chaque cylindre

Le contrôle VCR cylindre-à-cylindre
du MCE‑5 VCRi ouvre à de nouvelles stratégies
de limitation de la température échappement

Chaque cylindre du MCE‑5 VCRi est équipé
d’un capteur permettant d’en déterminer
le taux de compression à 0.1 point près

Le contrôle VCR cylindre-à-cylindre du MCE‑5 VCRi
élimine les classes dimensionnelles de pièces
et garantit une précision maximale

Le contrôle VCR cylindre-à-cylindre du MCE‑5 VCRi
élimine les classes dimensionnelles de pièces
et garantit une précision maximale

Par exemple, si un moteur VCR offre une grande précision de positionnement vertical de ses pistons, ce positionnement ne garantit pas que le volume effectif de la chambre de combustion soit identique d’un cylindre à l’autre : ce volume dépend de la précision de la fonderie de la culasse et de ses usinages. De même, si le volume de la chambre de combustion de chaque cylindre est géométriquement identique, rien ne garantit qu’il en soit de même pour le taux de compression effectif des gaz : celui-ci dépend du taux de remplissage de chaque cylindre, qui dépend lui-même de la géométrie des conduits d’admission et d’échappement et du calage de la distribution. Même si tous les cylindres sont remplis à l’identique, il n’est pas certain qu’ils se comportent de la même manière, par exemple vis-à-vis du cliquetis. En effet, certains cylindres comportent des zones plus ou moins chaudes, d’autres recyclent naturellement plus de gaz brûlés ou ont un taux de blow-by plus ou moins élevé.

En définitive, plus qu’une valeur de taux de compression, ce qui est recherché, c’est bien un comportement. Pour obtenir le comportement souhaité, il faut commencer par avoir une maîtrise suffisante de l’altitude du piston pour s’approcher de l’objectif. Sur le MCE‑5 VCRi, il est par exemple possible de s’approcher à 0,1 point de taux de compression près dans le pire des cas (à taux de compression élevés) du taux de compression géométrique recherché. Ensuite, il convient d’effectuer les corrections nécessaires pour atteindre l’objectif comportemental. Ceci conduit à une fonction essentielle des moteurs VCR: le taux de compression de chaque cylindre doit être commandé indépendamment.

En effet, si l’on veut par exemple régler le taux de compression sur un critère d’apparition du cliquetis ou en fonction de la valeur retournée par un capteur de pression, il est nécessaire de pouvoir corriger le taux de compression de chaque cylindre indépendamment du taux de compression des cylindres voisins. Cette condition est indispensable pour obtenir un même comportement de la part de tous les cylindres, malgré leurs différences. Selon cette stratégie, le taux de compression géométrique tel que défini à partir de l’altitude du piston n’est qu’une valeur indicative : le taux de compression effectif à même altitude de piston au PMH (point mort haut) est potentiellement variable en fonction du régime, de la charge et des objectifs recherchés. Dans certains cas, une différence de comportement entre les cylindres est sans réelle conséquence, Dans d’autres, elle est cruciale.

Par exemple, sur les moteurs à taux de compression fixe, la limite de cliquetis est ordinairement détectée par un accéléromètre (capteur de cliquetis). Lorsque le cliquetis est détecté, on le supprime par un retrait d’avance à l’allumage géré cylindre-à-cylindre, pour ensuite remonter en zone de cliquetis, et ainsi de suite. Sur un moteur VCR, le taux de compression coopère avec l’avance à l’allumage pour atteindre ce résultat. L’idéal est que chaque cylindre soit indépendant de sorte à pouvoir choisir entre retrait de taux de compression ou retrait d’avance à l’allumage. Si le taux de compression n’est pas cylindre-à-cylindre, les conséquences sont faibles et ne se traduiront potentiellement que par une moindre stabilité du moteur (COV: Coefficient Of Variation – NVH : Noise, Vibration Harshness).

Si la maîtrise du cliquetis change assez peu selon que le contrôle du taux de compression soit indépendant cylindre-à-cylindre ou non, il en est tout autrement pour l’allumage par compression (CAI : Controlled Auto Ignition – HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition).

L’initialisation de l’allumage par compression dépend en effet de facteurs variés. Parmi ces facteurs, on trouve les caractéristiques du carburant bien sûr, mais aussi la température de l’air d’admission, le taux d’EGR (Exhaust Gas Recirculation), la température des gaz d’échappement, les variations en gaz brûlés résiduels ou en richesse (rapport air/carburant) dans le volume de la chambre, la teneur en huile de l’air, la température locale des parois et bien sûr, le taux de compression. Les phénomènes qui déclenchent la combustion sont tellement complexes qu’il est préférable de constater quand la combustion s’initie que d’essayer d’en prédire le commencement.

Avec un contrôle indépendant du taux de compression cylindre-à-cylindre, il est possible de s’approcher de la valeur où la combustion doit s’initialiser, puis de corriger le taux de compression en fonction de ce qui est constaté, cylindre par cylindre. Selon cette stratégie, on peut augmenter le taux de compression des cylindres retardataires, tandis qu’on abaisse le taux de compression des cylindres dans lesquels la combustion s’initie trop précocement. Le taux de compression se substitue alors à l’étincelle telle qu’utilisée en allumage commandé pour « timer » la combustion par rapport à l’angle vilebrequin. En effet, l’allumage par compression nécessite de maîtriser l’enthalpie du mélange, ce qui est plus facile à obtenir avec le travail du piston qu’avec l’EGR. De plus, l’augmentation de l’enthalpie produite par le travail du piston n’est pas tributaire du cycle précédent, contrairement à la température des gaz d’échappement : ceci limite le recours à l’EGR et marginalise l’effet «mémoire» qui relie les conditions de combustion d’un cycle à l’autre d’un même cylindre.

On note que le bon timing de la combustion est crucial pour la maîtrise du bruit en CAI, en plus du gradient de pression qui résulte de la stratification de la charge.

Autre point positif : réduire le recours à l’EGR et « différentier » les cylindres par le taux de compression simplifie considérablement le cahier des charges du pilotage des soupapes. Il est en effet envisageable de substituer un dispositif cylindre-à-cylindre de commande des soupapes par des dispositifs plus simples (exemple : VVTs électriques à large plage), la différenciation cylindre-à-cylindre étant confiée au VCR.

L’allumage par compression est le champ d’application le plus évident du concept de « précision effective » du taux de compression, directement mis en œuvre par la technologie MCE‑5 VCRi.

Un autre point rend importante la commande du taux de compression cylindre-à-cylindre : l’assemblage du moteur. En effet, les moteurs VCR comportent plus de pièces que les moteurs classiques. À ce titre, leur chaîne de cotes est plus longue. Il est déjà difficile de garantir un taux de compression suffisamment précis sur un moteur classique, sur un moteur VCR, c’est encore plus difficile. Ceci est d’autant plus vrai que sur un moteur VCR, il faut en plus garantir l’absence de contact entre le piston et la culasse en cas de panne du système de commande VCR.

Une solution pourrait consister à procéder à un montage « à blanc » du moteur pour mesurer l’altitude effective des pistons, puis à reprendre la calotte des pistons en usinage : une telle opération est compliquée et antiéconomique.

Ces problèmes disparaissent avec le système VCR du MCE‑5 VCRi : le moteur est assemblé, l’altitude résultante des pistons est mesurée, les butées de taux extrêmes sont montées (butées physiques entrant en contact avec le carter moteur en cas de panne hydraulique), puis un « point zéro » est fait du système de commande pour chaque cylindre. Ensuite, la relation entre la position effective du piston et la position retournée par le capteur de position est mise en mémoire. Cette mémoire peut être rafraîchie à tout moment en autorisant une reprise de contact du moteur avec ses butées physiques, au ralenti par exemple. Cette stratégie est d’autant plus puriste que la commande du taux de compression du MCE‑5 VCRi est linéaire et se comporte comme une « balançoire ». Ceci ne serait pas vrai par exemple s’agissant d’un moteur « multilink » muni d’une commande de VCR cylindre-à-cylindre : un léger décalage du PMH entre les cylindres est engendré par un décalage de la position des pièces de l’attelage mobile.

Cet ensemble de caractéristiques et de dispositions réduit considérablement le coût et la complexité du montage du MCE‑5 VCRi.

Un dernier point : sur un 6 cylindres en ligne MCE‑5 VCRi, désactiver 2 cylindres est envisageable selon certaines stratégies. En ce cas, placer les 2 cylindres désactivés à CR 6 (taux de compression de 6:1) au lieu de CR 10 permet une réduction de la consommation de 2 à 3 %.

Définitivement, le taux de compression pilotable cylindre-à-cylindre compte parmi les points forts de la technologie MCE‑5 VCRi : cette fonctionnalité est garante de l’efficacité et du succès du VCR.