De la vie à l’intérieur de la bielle

Les ingénieurs travaillent depuis des années sur le taux de compression variables, sans grand succès. Toutefois, un système présenté à Vienne pourrait être produit prochainement en série.

RÉVOLUTION EN PUISSANCE Cela fait des années que les ingénieurs travaillent sur le taux de compression variable. Pourtant, la technologie n’est jamais entrée en production. Cela pourrait changer, un dispositif ayant récemment refait surface.

L’’idée de rendre le taux de combustion variable est à peu près aussi vieille que l’invention du moteur à combustion en tant que tel; dès le départ, les pionniers motoristes se sont rendus compte du potentiel de la tech-nologie, notamment sa capacité à améliorer de ma-nière drastique le rendement du moteur thermique (essence ou diesel). En jouant sur la combustion, il est, en effet, possible d’accroître les performances spécifiques, tout en réduisant la consommation de carburant. Autant dire que dans le contexte actuel, où la chasse au CO2 devient une priorité politique, le défi technique revient sur la table. Mais aussi im-portants que puissent être les avantages d’une va-riation du taux de compression – en continu ou par palier –, la mise en œuvre relève du casse-tête. Complexes, les solutions techniques envisagées im-pliquent généralement des coûts excessifs, au re-gard des gains de rendement envisagés. De fait, les concepts de VCR (Variable Compression Ratio) développés ces dernières décennies n’ont jamais at-teint le stade de la série. A une exception près.

De Saab à Infiniti
Filiale de Nissan, Infiniti est le seul constructeur à avoir tenté une percée. Son moteur essence 4 cylindres 2 l turbocompressé VC-T fait passer le taux de compression de 8:1 – pour des performances élevées – à 14:1 lorsqu’il s’agit d’optimiser le rende-ment thermique. Avec une puissance maximale de 200 kW (272 ch) et un pic de couple à 380 Nm, ce moteur se veut tout à la fois efficace et vigoureux. Seul bémol, mais de taille, suite au départ annoncé d’Infiniti sur sol européen, l’innovante motorisation ne sera pas en mesure de prouver son efficacité sur le Vieux Continent. A l’aube du nouveau millénaire, d’autres tentatives plus ou moins réussies avaient défrayé la chronique, à l’instar du moteur 1,6 l essence présenté par Saab en 2000. Ce 5-cylindres à compresseur commutait, lui aussi, entre 8:1 et 14:1. Quant à la société d’ingénierie allemande FEV, elle avait présenté, en 2002, un moteur turbo essence pro-metteur, associant une forte suralimentation à un taux de compression variable. Ce moteur avait dé-montré des économies de carburant de l’ordre de 30%, sur le cycle NEDC, par rapport à un moteur atmosphérique de forte cylindrée et performances équivalentes. Du côté français, la société MCE-5 envisageait, dès 2006, des valeurs de consommation de 20 à 25% inférieures à celles des moteurs conventionnels grâce à son moteur VCR. Monté dans une Peugeot 407, le MCE-5 de 1,5 litre développait une puissance maximale de 162 kW (220 chevaux). Un bloc très similaire sera introduit l’année prochaine dans un modèle de série du fabricant chinois Dongfeng. Afin de respecter les prochaines restrictions de la législation sur les gaz d’échappement, différents types d’entraînement doivent être développés en parallèle. Bien que l’électrification prenne de plus en plus d’importance, le moteur à combustion in-terne reste un acteur important, a fortiori dans les divers stades d’hybridation électrique (micro-hybride, série, parrallèle, mixte). En plus du downsizing, du downspeeding, de la suralimentation et de l’injection directe, le moteur à combustion offre d’autres potentiels d’amélioration, en particulier dans les procédés de combustion et dans la réduction des pertes par friction. Les cycles de fonctionnement de Miller (Mazda notamment) ou d’Atkinson (Toyota et Honda entre autres) représentent, eux aussi, des solutions susceptibles de se répandre. Ils peuvent représenter une solution transitoire dans l’attente d’authentiques concepts de compression variable viables, tout à la fois sur le plan économique et industriel. Selon K. Arens, «Le Dual Mode VCS se trouve déjà en phase de préparation à la production, orientée sur la durabilité et l’optimisation fonctionnelle. Le succès du produit dé-pend aussi de la capacité à pouvoir passer du stade du développement à celui de l’industrialisation.»

Produit par des équipementiers
Comme tant d’autres innovations, le système VCR Dual Mode VCS provient d’un équipementier; en l’occurrence, la solution présentée par AVL List il y a trois ans au Motor Symposium était issue d’une collaboration avec Iwis Motorsysteme. Arrivée à maturité, elle est candidate au passage en grande série. Lors de la 40e édition du congrès technique viennois à la mi-mai, Kai Arens, responsable des systèmes VCR chez Iwis Motorsysteme GmbH, en présentait les détails: le Dual Mode VCS fait appel à un mécanisme de réglage du taux de compression directement intégré dans la bielle, plus simple que les attelages mobiles à cinématique complexe in-ventés jusqu’ici. La longueur de la bielle peut s’ajuster sur deux niveaux, de sorte que cela en-traîne une modification de la hauteur de la chambre de combustion et, donc, du volume global de l’es-pace situé au-dessus du piston lorsqu’il est au point mort haut. Cette solution est d’autant plus intéres-sante qu’elle peut s’appliquer à des moteurs exis-tants, moyennant des ajustements mineurs. Ainsi, les lignes de production existantes continueraient à tourner avec un minimum d’investissement.


Dual Mode VCS

Au fil de son histoire, le moteur à combustion interne a connu de nombreuses améliorations. Parmi elles, citons notamment le turbocompresseur, les différents types d’injection (monopoint, multipoints, directe) ou encore la distribution variable. Prochaine étape du développement des moteurs à combustion interne, le Dual Mode VCS est un concept dans lequel le mécanisme de réglage du taux de compression est intégré dans la bielle. Le dispositif permet au moteur de fonctionner avec deux taux de compression distincts, et ce afin de minimiser le rendement tout en maximisant les performances. Concrètement, une vanne de contrôle mesure les pressions dans les chambres hydrauliques, faisant varier la longueur de la bielle. Pour commander les deux positions (et donc faire varier les deux longueurs), deux niveaux de pression différents sont disponibles. Si la pression de commande est faible, la vanne de régulation reste dans la position centrale; si la pression d’huile est élevée, elle pousse le ressort.


Concept facile à intégrer
Le système d’Iwis Motorsysteme re-pose sur deux paliers, qui modifient la distance entre le maneton du vilebrequin et l’axe du piston par le biais d’une bielle télescopique. Le rapport volumétrique variable permet des cycles de Miller extrêmes au travers de taux de compression très élevés. Avec des ratios de 12:1 à 14:1, il est envisageable d’atteindre des valeurs de consommation inférieures à 200 g/km et des puissances spécifiques de 65 à 80 kW/l. Le facteur limitatif pour augmenter le taux de compression dans les moteurs essence est la résistance au cliquetis et, dans les moteurs diesel, la capacité de charge mécanique intrinsèque au moteur. Si le taux de compression se situe entre 8:1 et 9:1, il est par contre possible d’obtenir des puissances spécifiques de 110 à 180 kW par litre. Un actionneur hydraulique sans contact est intégré dans la tige de bielle. Le piston de cet actionneur est relié au pied de bielle et le cylindre à la tête. Les chambres de pression supérieure et inférieure sont remplies ou vidées par les conduites d’alimentation et de retour. A chacune des deux longueurs de bielle correspond une pression d’huile moteur spécifique, en provenance du maneton. Lorsque la pression de commande est faible, la vanne reste à gauche; lorsque la pression d’huile est élevée, elle se déplace à droite et compresse le ressort.

Kai Arens de Iwis
Motorsysteme GmbH,
Munich.

Forte économie de CO2
Comme le résume le conférencier d’Iwis, le système VCR promet un fort potentiel d’économie de carburant. Idem pour les émissions de CO2, qui pourraient être considérablement réduites. Cette solution peut être combinée avec toutes les technologies moteur; en outre, elle offre des garanties élevées pour répondre aux futures exigences RDE. La réduction de la consommation serait aussi sensible durant les phases de fonctionne-ment à charge partielle, au démarrage à froid et durant la montée en température du catalyseur. Aux dires de Kai Arens, plusieurs projets de concrétisation avec des clients sont en cours: «Les premiers résultats des tests d’endurance démontrent une fiabilité et une durée de vie suffisamment grandes. En supposant un volume de production important et la pleine utilisation des capacités de production, un système VCR de type Dual Mode VCS parviendrait à un rapport coût-efficacité appréciable évalué entre 30 et 40 euros par gramme de CO2.» Ce-pendant, le nom du premier constructeur automobile à introduire ce système reste une inconnue. Pour Wolfgang Schöffmann, responsable de la technique d’entraînement chez AVL List GmbH, la prudence reste de mise: «Le système pourrait être fabriqué en série à partir de 2023, mais cela dé-pend aussi des décisions du côté des OEM.»

Gain de carburant autorisé par la technologie, selon le cycle WLTP.

Alternatives complexes

Parmi les différentes technologies de compression variable, deux sortent du lot. Le premier système est le VC-T (pour Variable Compression-Turbo) d’Infiniti/Nissan (en haut). Ce dispositif se repose sur un mécanisme à bras multiple (voir ci-dessus)
afin de modifier son taux de compression (de 8:1 jusqu’à 14:1). Lui aussi complexe, le MCE-5 a été développé par des équipementiers et le groupe PSA. Après 18 bonnes années de développement, il sera bientôt commercialisé sur un modèle de la marque chinoise Dongfeng. Concrètement, il modifie la compression au moyen d’un piston de commande et d’une crémaillère.

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