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

Résultats clés

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

Réduire la cylindrée (downsizing) et le régime moyen desmoteurs (downspeeding) pour réduire la consommation decarburant des véhicules figure parmi les priorités de l’industrieautomobile. C’est aussi l’objectif prioritaire de la technologieMCE-5 VCRi. Pour cela, il faut atteindre un couple et unepuissance spécifiques les plus élevés possibles, avec le« turbo-lag » le plus court possible, et les consommationsspécifiques à fortes charges les plus faibles possibles.

Avec un couple et une puissance spécifiques hors-normes de320 Nm/L et 120 kW/L, le MCE-5 VCRi surpasse tout ce quiexiste en taux de compression fixe, avec de 60 à 70% de coupleen 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/Ldélivrée par les MCE-5 VCRi GDI à turbo deux étages est de20% supérieure à celle des meilleurs moteurs GDI turbo actuels.

De telles performances spécifiques sont atteintes grâce au VCRà large plage, et grâce aux frottements réduits et à la fortecapacité de charge du MCE-5 VCRi.

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

DOWNSIZING - DOWNSPEEDING :

180

0

20

40

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80

100

120

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00 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Pu

issa

nce

(k

W)

Co

up

le (

Nm

)

Régime (tr/min)

MCE-5 VCRi GDI 1484 cm3 - turbocompresseur bi-étagé

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

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Pas de « hard downsizing » sans forte suralimentation. Lasuralimentation à 2 turbocompresseurs du MCE-5 VCRicontribue ainsi à son efficacité, avec à la fois un excellentrendement isentropique, et une excellente réactivité permettantd’atteindre 80% du couple en moins de 2 secondes à 1500

tours par minute. Le rendement de la suralimentation est unedes clés du succès de ce type de motorisation, avec une bonnemaîtrise des températures d’échappement, un haut rendement àcharges élevées, et des pressions de suralimentation de l’ordrede 4 bar absolus.

SURALIMENTATION À HAUT RENDEMENT :

Un soin particulier a été apporté au développementde la suralimentation bi-étagée du MCE-5 VCRi.

Celle-ci comprend un étage basse pression, un étage hautepression et deux refroidisseurs air-eau positionnés

après chaque compresseur (intercooler, aftercooler)

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Le MCE-5 VCRi permet d’optimiser le taux de compression enfonction du régime et de la charge, avec à la clé uneaugmentation de l’efficacité thermodynamique et uneamélioration significative de la stabilité de combustion.

Sur la cartographie de taux de compression, on distingue lespoints chargés pour lesquels l’objectif principal est le couplemaximal, et les points les plus utilisés, peu chargés, et pourlesquels l’objectif est de maximiser le rendement.

OPTIMISATION DU TAUX DE COMPRESSION :

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

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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 cycle de conduite (exemple : NEDC), le MCE-5 VCRi réduit laconsommation des véhicules en combinant les gains apportés par ledownsizing-downspeeding, et ceux apportés par l’optimisation du taux decompression.

Les pertes par frottement limitées du MCE-5 VCRi contribuent égalementaux résultats obtenus. Il faut noter que la réduction de consommation estplus importante sur les véhicules puissants que sur les petits véhicules.

RÉDUCTION DE LA CONSOMMATION SUR CYCLE DE CONDUITE :

100 %

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

MoteurVCR

atmo.

MoteurVCR

downsizé(turbo)

Couple utile

Pertes pompage

Pertes frottement

Pertes thermiques

Pertes "combustion"

Pertes "Otto"

Réfmoteuratmo.

+5% de rendement

+32% de rendement

140

Vit

esse (

km

/h)

Temps (sec)

Deuxième partieExtra urbain

Première partieUrbain120

100

80

60

40

20

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Nouveau cycle de conduite européen (NEDC)

40

35

30

25

20

15

10

5

00 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Régime moteur (tr/min)

PM

E (

bar)

400 400 400350350350320 320

320

290 290290270 270

270

270

270

270

250

250250

250

290

290

290

320

320

Cartographie de consommation spécifique du MCE-5 VCRi GDI 1,5L

et points de fonctionnement correspondants du démocar MCE-5

sur le nouveau cycle de conduite européen (NEDC)

Point à régime-charge stabilisés

PME maxi

Transitoires de régime-charge

Les réductions de consommation annoncées font référence au NEDC Le VCR redéfinit le bilan énergétique des moteurs

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Co

up

le (

Nm

)

Pu

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ce

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W)

- é

mis

sio

ns (

g C

O2

/km

)

Puissance

240

100

120

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0

100

200

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400

500

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OriginalV6

Dieselbi-turboDW12B

MCE-5bi-turbo

MPFI(2010)

MCE-5bi-turbo

GDI(2010)

MCE-5bi-turboGDI opti

(2011)

MCE-5bi-turboGDI opti

VVA

MCE-5bi-turboGDI opti

VVAS&S

MCE-5bi-turboGDI opti

CAIS&S

Puissance (kW)

Couple (Nm)

CO2/km - NEDC (g)

155

290

233

125

370

159

160

420

160

160

470

158

180

470

155

180

470

145

180

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138

180

470

128

Consommation sur NEDCCouple

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 VCRienvisagée pour un avenir proche pourra porter cette réduction de la consommation à 45% tout en offrant +16% de puissance et +62% de couple.

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

Une stabilité de combustion remarquable :

La stabilité de combustion du MCE-5 VCRi estexceptionnellement élevée. Son coefficient de variation restetoujours inférieur à 3% (dispersion cyclique), ce qui permetnotamment de réduire son régime de ralenti à 550 tr/min.

Avec un taux de compression élevé et une PMF limitée (PressionMoyenne Frottement) de l’ordre de 0,55 bar, la consommationhoraire au ralenti du MCE-5 VCRi est inférieure à 300g decarburant. Ceci ouvre de nombreuses possibilités et notamment

à celle de ne pas recourir au « stop & start » ce qui évite l’arrêtdu chauffage ou de la climatisation de l’habitacle, ainsi que lerefroidissement du catalyseur.

À couple élevé, la stabilité de combustion du MCE-5 VCRiconduit à un meilleur comportement NVH du véhicule, avec unmeilleur agrément de conduite.

Pendant les phases d’amorçage du catalyseur (stratégies demontée en température rapide du catalyseur), il est possibled’obtenir du MCE-5 VCRi plus d’enthalpie à l’échappement àmême niveau de stabilité.

Il est ainsi possible soit de réduire la quantité de polluants émissur le cycle d’homologation, soit de réduire le coût ducatalyseur.

NVH, DÉPOLLUTION :

Des stratégies de dépollution plus efficaces :

Pendant la phase de montée en température du catalyseur(amorçage), il est possible d’obtenir plus d’enthalpie àl’échappement à même niveau de stabilité de combustion. Cesurcroît de température des gaz d’échappement peut s’obtenirtout en produisant moins de HC et de CO. Il est ainsi possible deréduire la quantité de polluants émis sur cycle d’homologation, etéventuellement de réduire le coût du catalyseur.

S’agissant des émissions de polluants durant les phases lesplus chargées du moteur (plein couple), il est possible debénéficier d’une avance à l’allumage mieux positionnée, enplaçant le taux de compression à la bonne valeur. Ceci conduità un meilleur rendement thermodynamique et à des gazd’échappement moins chauds. Il est alors possible de limitervoire d’annuler le surenrichissement du mélange air-carburantdu moteur et d’éviter les fortes émissions de polluants et lesfortes consommations de carburant à pleine puissance.

Le VCR est également une stratégie des plus intéressantes pouraugmenter le taux d’EGR externe refroidi. En effet, la stabilité dela combustion est le principal facteur qui limite l’usage de l’EGRexterne. Augmenter le taux d’EGR accessible permet dediminuer la consommation de carburant à hautes puissancesdans 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 » surtoute la plage d’utilisation.

En injection directe d’essence, le VCR permet de régler la distanceentre l’injecteur et le piston. À fortes charges, il est ainsi possibled’éviter le mouillage du piston, tandis qu’à faibles charges, le boldu piston proche de l’injecteur confine mieux le spray de carburantet évite le mouillage des parois du cylindre. Les émissions departicules et de suies émises sont ainsi réduites d’un facteur 4 à 5.

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Caractéristiques principales des moteurs prototypes MCE-5 VCRiArchitecture 4 cylindres en ligneAlésage (mm) 75Course (mm) 84Cylindrée unitaire (cm3) 371Cylindrée totale (cm3) 1484Rapport bielle/manivelle 4,2Cinématique de piston ConventionnelleVariation de la cinématique de piston Pas de variationVariation du positionnement du PMH en angle vilebrequin Pas de variationCourse de contrôle VCR [possible] (mm) 10,58 [13]Taux de compression mini 6:1Taux de compression maxi 15:1Contrôle du taux de compression ContinuFlexibilité de contrôle du taux de compression Cylindre à cylindrePrécision de contrôle du taux de compression (altitude de piston en mm) +/- 0.02Réactivité maximale de TC max à TC min (ms) 50Réactivité minimale de TC max à TC min (ms) 300Pression cylindre maxi (bar) 130Limite de régime à facteur de sécurité normal (tr/min) 6500

Equipement des prototypes MCE-5 VCRi actuels (2 versions)Injection (version 1) Double jet MPFI (Marelli – produit série)Injection (version 2) GDI (Bosch – produit spécifique)Suralimentation Turbo 2 étagesRefroidisseur d’Air de Suralimentation Inter et after coolerBase EMS ContinentalContrôleur VCR spécifique et amplificateurs Mototron – Clesse Electronique

Performance des prototypes MCE-5 VCRi actuels (2 versions)1,5 L Puissance (kW) Couple@1500tr/min (Nm)MPFI 160 420 (35 bar BMEP)GDI 180 480 (40 bar BMEP)