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

Actionneur VCR

L’actionneur VCR du MCE‑5 VCRi dit aussi « vérin de commande », est composé d’un étage hydraulique de puissance et d’un étage électromécanique de commande. L’étage hydraulique est constitué d’un vérin « suiveur » dont le déplacement est assuré par la pression des gaz et par les inerties du moteur. Aucune pompe hydraulique n’est nécessaire, de sorte que la consommation énergétique est minimale, de quelques dizaines de watts en moyenne sur cycle NEDC. Le vérin se comporte comme un « cliquet » hydraulique. Le dispositif comporte deux billes qui assurent chacune une double fonction : elles se comportent comme une vanne lorsqu’elles sont levées de leur siège par un tige-poussoir, et comme un clapet antiretour lorsqu’elles sont laissées libres de reposer sur leur siège. C’est la fonction antiretour de ces billes qui produit l’effet de cliquet. Le choix des billes a été guidé par leur robustesse, mais aussi par la nécessité d’assurer une section de passage importante et une étanchéité poussée tout en apportant une grande tolérance aux impuretés contenues dans l’huile moteur (particules, résidus de combustion).

Chaque cylindre du MCE‑5 VCRi possède son propre
actionneur VCR ce qui ouvre à de nombreuses
stratégies fonctionnelles et industrielles

Grâce à des billes pouvant être levées de leur siège,
le déplacement de l’actionneur VCR MCE‑5 exploite
la pression des gaz et les efforts d’inertie

Lorsqu’un taux de compression supérieur au taux de compression courant est demandé, la bille de la chambre inférieure du vérin de commande est maintenue ouverte par sa tige-poussoir aussi longtemps que nécessaire pour que la consigne de taux de compression soit atteinte. Un capteur à effet Hall 2D permet de connaître la position de la crémaillère de commande à plus ou moins 0,02 mm, de sorte que quand la position de consigne est atteinte, la bille est immédiatement reposée sur son siège. Pour la manœuvre inverse (pour aller de taux courant à taux plus faible), l’opération est exactement inverse. Un capteur de passage à effet Hall a également été développé, qui permet de déduire la position du piston de combustion au PMH (point mort haut) à partir de son point de passage devant le capteur. Une cible passe ainsi devant le capteur, en l’occurrence le bord inférieur de la crémaillère de piston. En fonction de l’angle de vilebrequin où a été détecté le passage du piston, il est possible de déduire avec précision son altitude finale au PMH.

Le dispositif de contrôle du taux de compression à levée de billes des moteurs prototypes MCE‑5 VCRi est de type « proportionnel », c’est-à-dire que les billes peuvent être levées de leur siège de n’importe quelle valeur, comprise entre 0 et 1 mm. Ce résultat est obtenu au moyen d’un moteur électrique brushless muni de 3 cibles à effet Hall et qui délivre 3 « tops » par tour. Un jeu d’engrenages et de tiges-poussoirs qui se vissent ou se dévissent permet d’atteindre le résultat recherché. Diverses fonctions de recalage, de mesure de dérive du taux de compression ou de « zéro hydraulique » (absence accidentelle d’huile dans le vérin), permettent de gérer l’ensemble des situations. D’autres versions du dispositif sont à l’étude avec des ventouses électromagnétiques, en attaque directe ou étagées (utilisant la pression hydraulique de gavage des vérins pour lever les billes). La solution industrialisée au final sera celle qui apporte le meilleur compromis entre coût et efficacité, à même robustesse.

Des butées physiques arrêtent le piston de commande VCR à chaque extrémité de sa course maximale. En marche normale, ces butées ne sont jamais atteintes. Ces butées définissent le taux de compression maximal du moteur. Au montage, le moteur est réglé de sorte que le piston de combustion ne puisse pas entrer en collision avec la culasse, malgré que la butée de taux maximal est atteinte. Le réglage s’opère en intercalant une rondelle d’épaisseur entre la tige supérieure de la crémaillère de commande et le piston du vérin de commande. Les butées physiques garantissent une même altitude maximale de tous les pistons du moteur au PMH lorsqu’elles sont en contact. La rondelle d’épaisseur ne modifie pas la course du piston qui reste inchangée de butée à butée, à la dispersion près de l’épaisseur des pistons de commande VCR, de l’épaisseur des butées, et de la profondeur des fûts de vérin aménagés dans le carter cylindres.

L’actionneur VCR du MCE‑5 VCRi fonctionne avec la même huile que celle utilisée pour lubrifier le moteur. Cette huile est prépressurisée entre 40 et 60 bar. Un petit accumulateur de pression logé dans le carter de lubrification du moteur garantit la pression dite « de gavage ». Une fois la pression accumulée par une micropompe électrique, aucune consommation d’énergie n’est plus nécessaire. La micropompe n’est là que pour compenser d’éventuelles fuites de l’ensemble du dispositif VCR. La pré pressurisation permet de réduire la compressibilité de l’huile pour plus de stabilité du vérin de commande, d’éviter tout phénomène de cavitation dans les chambres de vérin, et d’équilibrer les efforts de manœuvre du vérin de commande en fournissant une assistance dans le sens de l’augmentation du taux de compression.

L’actionneur VCR du MCE‑5 VCRi possède 2 joints d’étanchéité : un sur le piston, et un sur la tige de la crémaillère de commande. Ces deux joints sont de type composite, avec une bague extérieure en téflon chargé de particules antifriction et antiusure, et un joint torique intérieur en Viton®. Le joint de tige est particulièrement tolérant à l’excentration. Ceci est nécessaire car la crémaillère de commande peut librement s’orienter par rapport au piston de vérin. En effet, le piston de vérin se comporte comme une liaison rotule. Il peut librement tourner sur lui-même dans les 3 axes, ce qui est décisif pour que la pression de contact entre les dents de crémaillère de commande et celles de la roue de transmission soit uniformément répartie. Le piston de l’actionneur VCR est logé dans un alésage directement aménagé dans le carter cylindres. Cet alésage accueille une chemise en acier de type « tube à vérin ». La pression radiale qu’exerce le piston sur la chemise ne change jamais de sens : elle est toujours dirigée vers l’extérieur du carter cylindres. Ainsi, il n’y a ni basculement du piston ni émissions acoustiques à l’interface piston/cylindre de vérin. Pour réduire la pression de Hertz au point de contact entre le piston et la chemise, le piston est en forme de tonneau, dont le rayon est de l’ordre de 500 mm.

Le pilotage du vérin de commande est assuré par l’EMS (Engine Management System), via le calculateur central de gestion du moteur et des cartes contrôleur spécifiques. En version prototype, les moteurs brushless sont pilotés via des câbles de grande longueur. À l’avenir, le système de commande individuel de chaque cylindre (moteur brushless ou ventouses électromagnétiques, étagées ou non), comportera son propre contrôleur en local, avec un bus rapide entre l’EMS et les contrôleurs locaux.

Un dispositif de levée de bille de type
« proportionnel » équipe aujourd’hui
les prototypes du MCE‑5 VCRi

Un capteur à effet Hall 2D permet de déterminer
la position de la crémaillère de commande VCR
avec une précision de ± 0,02 mm

Caractéristiques principales du vérin de commande du MCE‑5 VCRi