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

Résultats clés

Les résultats ont été mesurés sur les différents prototypes MCE‑5 VCRi :
moteurs monocylindre, moteurs multicylindre et véhicule démonstrateur

DOWNSIZING - DOWNSPEEDING :
Réduire la cylindrée (downsizing) et le régime moyen des moteurs (downspeeding) pour réduire la consommation de carburant des véhicules figure parmi les priorités de l’industrie automobile. C’est aussi l’objectif prioritaire de la technologie MCE‑5 VCRi. Pour cela, il faut atteindre un couple et une puissance spécifiques les plus élevés possibles, avec le «turbo-lag» le plus court possible, et les consommations spécifiques à fortes charges les plus faibles possibles.

Avec un couple et une puissance spécifiques hors-normes de 320 Nm/L et 120 kW/L, le MCE‑5 VCRi surpasse tout ce qui existe en taux de compression fixe, avec de 60 à 70% de couple en plus par rapport aux futurs moteurs GDI turbo à taux de compression fixe qui sont prévus pour la prochaine décennie (40 bar de PME contre 25).

La puissance spécifique de 120 kW/L délivrée par les MCE‑5 VCRi GDI à turbo deux étages est de 20% supérieure à celle des meilleurs moteurs GDI turbo actuels.

De telles performances spécifique sont atteintes grâce au VCR à large plage, et aux frottements réduits et à la forte capacité de charge du MCE‑5 VCRi.

Ces performances reflètent l’exceptionnelle capacité du MCE‑5 VCRi à « downsizer » et à « downspeeder » les moteurs automobiles, avec à la clé une forte réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2 associées.

Les prototypes 1,5L MCE‑5 VCRi délivrent le couple d’un moteur
atmosphériquede 4,8L et la puissance d’un V6 3,2L

SURALIMENTATION À HAUT RENDEMENT :
Pas de « hard downsizing » sans forte suralimentation. La suralimentation à 2 turbocompresseurs du MCE‑5 VCRi contribue ainsi à son efficacité, avec à la fois un excellent rendement isentropique, et une excellente réactivité permettant d’atteindre 80% du couple en moins de 2 secondes à 1500 tours par minute. Le rendement de la suralimentation est une des clés du succès de ce type de motorisation, avec une bonne maîtrise des températures d’échappement, un haut rendement à charges élevées, et des pressions de suralimentation de l’ordre de 4 bar absolus.

Un soin particulier a été apporté au développement de la suralimentation bi étagée du MCE‑5 VCRi.
Celle-ci comprend un étage basse pression, un étage haute pression et deux refroidisseurs
air-eau positionnés après chaque compresseur (intercooler, aftercooler)

OPTIMISATION DU TAUX DE COMPRESSION :
Le MCE‑5 VCRi permet d’optimiser le taux de compression en fonction du régime et de la charge, avec à la clé une augmentation de l’efficacité thermodynamique et une amélioration significative de la stabilité de combustion. Sur la cartographie de taux de compression, on distingue les points chargés pour lesquels l’objectif principal est le couple maximal, et les points les plus utilisés, peu chargés, et pour lesquels l’objectif est de maximiser le rendement.

Le taux de compression est toujours au service du meilleur compromis
entre rendement, performance, émissions polluantes, stabilité et sécurité

RÉDUCTION DE LA CONSOMMATION SUR CYCLE DE CONDUITE :
Sur cycle de conduite (exemple : NEDC), le MCE‑5 VCRi réduit la consommation des véhicules en combinant les gains apportés par le downsizing-downspeeding, et ceux apportés par l’optimisation du taux de compression.

Les pertes par frottement limitées du MCE‑5 VCRi contribuent également aux résultats obtenus. Il faut noter que la réduction de consommation est plus importante sur les véhicules puissants que sur les petits véhicules.

Les réductions annoncées de consommation
font référence au NEDC

Le VCR redéfinit le bilan énergétique
des moteurs

Le gain du MCE‑5 VCRi provient moins de l’amélioration de la cartographie de CSE,
que du repositionnement des points de fonctionnement du moteur

Sur un véhicule de type 407 Peugeot, un MCE‑5 VCRi MPFI le plus basique réduit la consommation de 31%.
La version la plus évoluée du MCE‑5 VCRi envisagée pour un avenir proche pourra porter cette réduction
de la consommation à 45% tout en offrant +16% de puissance et +62% de couple.

NVH, DEPOLLUTION :

Le MCE‑5 VCRi procure divers avantages annexes qui se traduisent par encore plus de réduction de consommation, par plus de confort et d’agrément de conduite, ou par la réduction du coût du véhicule :

Une stabilité de combustion remarquable :
La stabilité de combustion du MCE‑5 VCRi est exceptionnellement élevée. Son coefficient de variation reste toujours inférieur à 3% (dispersion cyclique), ce qui permet notamment de réduire son régime de ralenti à 550 tr/min.

Avec un taux de compression élevé et une PMF limitée (Pression Moyenne Frottement) de l’ordre de 0,55 bar, la consommation horaire au ralenti du MCE‑5 VCRi est inférieure à 300g de carburant. Ceci ouvre de nombreuses possibilités et notamment à celle de ne pas recourir au « stop & start » ce qui évite l’arrêt du chauffage ou de la climatisation de l’habitacle, et ce qui évite le refroidissement du catalyseur.

A couple élevé, la stabilité de combustion du MCE‑5 VCRi conduit à un meilleur comportement NVH du véhicule, avec un meilleur agrément de conduite.

Pendant les phases d’amorçage du catalyseur (stratégies de montée en température rapide du catalyseur), il est possible d’obtenir du MCE‑5 VCRi plus d’enthalpie à l’échappement à même niveau de stabilité.

Il est ainsi possible soit de réduire la quantité de polluants émis sur le cycle d’homologation, soit de réduire le coût du catalyseur.

Des stratégies de dépollution plus efficaces :
Pendant la phase de montée en température du catalyseur (amorçage), il est possible d’obtenir plus d’enthalpie à l’échappement à même niveau de stabilité de combustion. Ce surcroît de température des gaz d’échappement peut s’obtenir tout en produisant moins de HC et de CO. Il est ainsi possible de réduire la quantité de polluants émis sur cycle d’homologation, et éventuellement de réduire le coût du catalyseur.

S’agissant des émissions de polluants durant les phases les plus chargées du moteur (plein couple), il est possible de bénéficier d’une avance à l’allumage mieux positionnée, en plaçant le taux de compression à la bonne valeur. Ceci conduit à un meilleur rendement thermodynamique et à des gaz d’échappement moins chauds. Il est alors possible de limiter voire d’annuler le surenrichissement du mélange air-carburant du moteur et d’éviter les fortes émissions de polluants et les fortes consommations de carburant à pleine puissance.

Le VCR est également une stratégie des plus intéressantes pour augmenter le taux d’EGR externe refroidi. En effet, la stabilité de la combustion est le principal facteur qui limite l’usage de l’EGR externe. Augmenter le taux d’EGR accessible permet de diminuer la consommation de carburant à hautes puissances dans d’importantes proportions (20% et plus sur cycle chargé).

VCR + GDI + suralimentation bi-étagée à refroidissement air-eau + EGR refroidi devrait conduire à des moteurs «lambda 1» sur toute la plage d’utilisation.

En injection directe d’essence, le VCR permet de régler la distance entre l’injecteur et le piston. A fortes charges, il est ainsi possible d’éviter le mouillage du piston, tandis qu’à faibles charge, le bol du piston proche de l’injecteur confine mieux le spray de carburant et évite le mouillage des parois du cylindre. Les émissions de particules et de suies émises sont ainsi réduites d’un facteur 4 à 5.