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

Il ne s’applique
qu’aux véhicules haut de gamme

Du fait du coût du post-traitement, le Diesel va
être de plus en plus réservé aux véhicules
puissants et haut de gamme

Il a toujours été plus difficile de réduire la consommation des petits véhicules bas de gamme peu performants, que de réduire celle de véhicules hauts de gamme puissants et gourmands en énergie. En effet, « downsizer » un moteur déjà petit et dimensionné au plus juste en fonction des besoins réels du véhicule est plus difficile que de « downsizer » un moteur « oversizé » dont les performances déraisonnablement élevées ne sont utilisées qu’en situation exceptionnelle. Ceci conduit à une situation paradoxale : c’est sur les gros véhicules que la plupart des « fuelefficient technologies » procurent la réduction relative et absolue de consommation de carburant la plus importante. C’est aussi sur les gros véhicules que l’on a le plus de latitude pour financer le surcoût des technologies à faible consommation. De plus, sur un gros véhicule, la sensibilité au prix d’achat est plus faible. Sur un tel véhicule, le surcoût des technologies à haut rendement énergétique est facilement accepté par le client final, qui verra de toutes les façons son investissement rentabilisé beaucoup plus rapidement que s’il s’agissait d’un petit véhicule. En effet, réduire de 30% la consommation d’un véhicule qui engloutit 11L de carburant au100km économise bien plus d’argent sur 100 000 km que 10% de réduction de consommation obtenus sur un véhicule qui consomme 6L/100 (-3,3L/100km contre -0,6L/100 km, soit 5,5 fois plus d’argent économisé par km).

La réduction de consommation procurée par le VCR reste modeste pour les petits véhicules par rapport
au GDI turbo VVL. Cependant, ces gains « ultimes » n’en restent pas moins stratégiques

Efficace, la solution compresseur de type « roots »
+ turbo reste chère pour les moteurs downsizés
destinés aux véhicules d’entrée de gamme

Le projet de compresseur intégré MCE‑5 :
haut rendement mécanique et thermodynamique,
frottement ultrafaible lorsque non utilisé (joint
d’étanchéité dynamique sans contact au repos),
clapets haute performance innovants.

La suralimentation à 2 turbocompresseurs des
prototypes MCE‑5 VCRi est plutôt destinée à
des moteurs puissants, au-delà de 150kW

Ce recul d’efficacité et d’attractivité des « fuelefficient technologies » lorsqu’elles sont appliquées aux petits véhicules plutôt qu’aux gros véhicules se vérifie dans la plupart des cas. Par exemple, un dispositif de VVL (variable valve lift) pourra procurer jusqu’à 2 fois plus de réduction de consommation de carburant sur un gros V6 3,0 L que sur un petit 1,2 L. Autre exemple : équiper un petit véhicule d’entrée de gamme avec un moteur Diesel n’apporte pratiquement aucun avantage énergétique, alors que c’est tout l’inverse sur un gros véhicule. Ceci est d’autant plus rebutant que le coût des systèmes de post-traitement du Diesel est de plus en plus inacceptable pour les petits véhicules, de même que l’encapsulage nécessaire pour gérer le niveau acoustique et vibratoire élevé de ce type de moteur. Ceci explique entre autres le retournement de tendance en Europe : les petits véhicules en reviennent en masse aux motorisations à essence.

Puisqu’elles sont notoirement plus efficaces et rentables sur les gros véhicules, on comprend pourquoi les nouvelles « fuelefficient technologies » sont d’abord commercialisées sur les véhicules haut de gamme, pour ensuite redescendre en gamme au fil des ans. Cette stratégie permet de financer ces technologies alors qu’elles sont encore chères car immatures, avant de les disséminer plus largement. Sur un véhicule haut de gamme, il est en effet possible de produire des pièces dont le coût n’est pas encore optimisé et dont la qualité est « boostée » pour éviter toute défaillance. Après diverses phases de perfectionnement et d’apprentissage industriel, une technologie nouvelle voit son prix se réduire, ce qui permet de l’introduire progressivement sur des véhicules moins luxueux tout en conservant un rapport coût/bénéfice attractif. Malheureusement, ces itérations sont longues et constituent un frein majeur au progrès technologique qui, pour avoir un impact important au niveau sociétal et macroéconomique, doit s’appliquer le plus rapidement possible aux véhicules populaires produits en très grand nombre.

Alors, étant une nouvelle « fuel-efficient technology », combien de temps le MCE‑5 VCRi restera-t-il trop cher pour des véhicules bas de gamme ? Probablement peu de temps, car il est peu cher en absolu et très efficace à réduire la consommation. Par contre, certaines conditions sont nécessaires. Faisons un point.

Le premier objectif du VCR est le hard downsizing. Pour atteindre cet objectif sur les gros véhicules, on a recours à la suralimentation par turbocompresseurs bi-étagés. Cette configuration permet à la fois de décoller le véhicule depuis la station arrêtée dans de bonnes conditions, d’assurer les démarrages en côte, et de délivrer un couple important à bas régimes sans sacrifier la puissance à hauts régimes. De plus, un tel système de suralimentation présente un temps de réponse réduit (turbo lag). Couplé à un intercooler et à un aftercooler, son rendement isentropique est supérieur à 1. La contre-pression et la température des gaz d’échappement s’en retrouvent diminuées, de même que le besoin de surenrichir la charge à pleine puissance. En combinant ce système de suralimentation à une injection directe d’essence (GDI), on se retrouve avec une solution de downsizing proche de l’optimum. Malheureusement, ce type de configuration convient mal aux petits moteurs.

En effet, sur les petits véhicules, il est difficile de prévoir un système de suralimentation à deux turbocompresseurs. La première raison à cette difficulté est que le turbo haute pression serait trop petit, avec donc un rendement catastrophique. Il faudrait alors remplacer ce turbocompresseur par un compresseur volumétrique mécanique de type « Roots » ou « Lysholm » réputé cher, complexe et encombrant vu les débits massiques élevés requis. Ces facteurs rendent le couple compresseur mécanique + turbo compresseur difficilement acceptable sur de très petits moteurs destinés à des véhicules bon marché. Par ailleurs, si l’on souhaite bénéficier des avantages du GDI sur de très petits moteurs, les cylindrées unitaires inférieures à 260 cm3 conduisent à des alésages trop petits (inférieurs à 70mm) qui rendent difficilement évitable le mouillage des parois du cylindre et son cortège de conséquences négatives. Comment donc faire accéder les moteurs de petite puissance au hard downsizing dans les meilleures conditions fonctionnelles et économiques ? En utilisant le MCE‑5 VCRi couplé à son compresseur intégré MCE‑5, ce dernier étant encore en cours de développement.

Le MCE‑5 VCRi et son compresseur intégré devraient résoudre la quasi-totalité des problèmes liés au hard downsizing des petits moteurs. Côté combustion, le VCR permet de supporter des charges extrêmes – jusqu’à 35 bar de PME – sans recourir au GDI puisque celui-ci est incompatible avec des cylindres de faible alésage. Le VCR se substitue en ce cas au GDI pour gérer le cliquetis, le rumble ou le « hard knocking ». La PME accessible à bas régimes passe de 23-24 bar en GDI à taux de compression fixe de 10:1, à 35 bar en MPFI, grâce au VCR et à un CR mini de 6. Côté suralimentation, les problèmes sont résolus par le compresseur intégré qui réduit le turbo-lag à son minimum (de l’ordre de la seconde), tout en étant capable de garantir des couples et puissances élevés sur toute la plage de régime/charge. Ce compresseur mécanique est particulièrement adapté aux moteurs à 3 cylindres, un 4e cylindre dit « compresseur » étant alors ajouté, en plus d’un plénum de passivation (brevet MCE‑5) permettant de pallier le problème des bouffées d’air comprimé de type « 4 dans 3 ». Le moteur qui en résulte est un ensemble « autosuralimenté » qui s’installe dans le compartiment moteur comme s’il s’agissait d’un moteur atmosphérique. Selon cette configuration, aucun turbocompresseur n’est plus requis, même pour les hauts régimes. La contre-pression échappement est faible et la température maximale des gaz d’échappement est réduite de 300 à 350 degrés, de sorte que le surenrichissement de la charge peut être soit réduit, soit supprimé. Les températures sous capot sont également réduites et le coût de l’ensemble est très inférieur à celui d’un ensemble à 2 turbocompresseurs ou à compresseur mécanique + turbo.

Diverses études préparatoires ont démontré la bonne faisabilité et le fort potentiel en efficacité énergétique de ce compresseur mécanique intégré. Courant 2011, plusieurs moteurs MCE‑5 VCRi en seront équipés.

En conclusion, que ce soit en version MPFI + compresseur intégré pour les véhicules de bas à milieu de gamme ou en version turbo 2-étages GDI pour les véhicules de milieu à haut de gamme, le MCE‑5 VCRi devrait toujours conduire à un ratio coût/bénéfice du meilleur niveau.

Le downsizing sévère appliqué aux petits véhicules en appelle à l’emploi d’un compresseur
volumétrique (exemple : compresseur MCE‑5), sans GDI vu les alésages
faibles (devrait être possible dans les années à venir)