Repousser les limites du rendement - MCE

MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Repousser les limites du rendement
Les limites des moteurs à combustion internes à taux de compression fixe vont être atteintes. Avec le MCE-5 VCRi, le taux
de compression devient variable afin de repousser plus loin les limites de la performance et du rendement. Nouvelle
composante du mix technologique du moteur automobile, le MCE-5 VCRi va « aller chercher » des grammes de CO2/km
inaccessibles à un prix attractif et réduire le coût à supporter pour accéder à un haut rendement énergétique.
Il n’existe que deux stratégies pour réduire la consommation du moteur thermique automobile : améliorer la cartographie de
consommation spécifique (g/kWh) particulièrement dans les zones les plus utilisées sur cycle de conduite, et replacer les principaux
points de fonctionnement sur les meilleurs points de CSE (Consommation Spécifique Effective), toujours en relation avec le cycle
de conduite :
1
Figure 1
45
Figure 2
45
40
35
35
30
30
30
25
15
10
5
BMEP (bar)
40
35
20
25
20
15
5
0
NEDC
RPM
15
NEDC
5
0
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
25
20
10
10
NEDC
Figure 3
45
40
BMEP (bar)
BMEP (bar)
2
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
RPM
RPM
Il n’existe que deux stratégies pour réduire la consommation du moteur thermique automobile
La première stratégie (passage de figure 1 à 2) repose d’une
part, sur l’optimisation du taux de détente effectif des gaz et
d’autre part, sur la réduction des pertes thermiques, des pertes
par pompage, des pertes par frottement et des imbrûlés.
La deuxième stratégie (passage de figure 2 à 3) repose
principalement sur l’augmentation de la performance spécifique
en couple et en puissance du moteur (Nm/L – kW/L), de sorte à
en réduire la cylindrée (downsizing), ou le régime moyen
d’exploitation (downspeeding).
augmentation du taux de détente effectif par la partie haute
pression (1) ou basse pression (3) du cycle thermodynamique,
réduction des pertes aux parois (2), réduction des pertes par
pompage (4) et réduction des pertes par frottement (5).
P
1
Positive
+
Figure 4
En alternative au downsizing-downspeeding, la deuxième
stratégie peut faire appel à l’hybridation qui consiste en un
stockage temporaire d’énergie via des moyens électriques
(générateur --> batteries --> moteur électrique). Efficace,
l’hybridation est cependant chère, ce qui est un frein à sa
dissémination.
2
3
4
Sans réellement s’additionner, les avantages des deux
stratégies (passage de figure 1 à 2, puis de 2 à 3) sont
combinables. Ces deux stratégies visent au final à améliorer le
travail positif (augmentation de l’efficacité thermodynamique) et
à réduire le travail négatif (augmentation du rendement effectif).
Cette balance entre travail positif et travail négatif se visualise
bien sur le diagramme PV (pression volume) en figure 4. On
distingue sur ce diagramme 5 points caractéristiques qui sont :
www.vcr-i.com
Negative
V
5
Un diagramme PV (pression volume) résume bien les 5 leviers sur lesquels
on peut agir pour augmenter le travail positif et réduire le travail négatif
1
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Le MCE-5 VCRi s’adresse à chacune des deux grandes stratégies (passage de figure 1 à 2, puis de 2 à 3), et à chacun des points
identifiés sur le diagramme PV (figure 4). En effet : l’optimisation du taux de détente effectif est directement servie par le VCR, la
réduction des pertes par pompage est servie par le downsizing, le downspeeding et la CAI-HCCI (dépapillonnage), et les pertes
aux parois sont réduites par la CAI-HCCI. Pour finir, les pertes par frottement sont réduites par le downsizing et par la transmission
par engrenage du MCE-5 VCRi.
Le MCE-5 VCRi se combine avantageusement avec les autres technologies (suralimentation, VVT, VVL, GDI) pour atteindre le
meilleur résultat. Notons que le VCR est dénué de sens s’il est utilisé sans suralimentation.
Strategies
Short name
Objectives
Downsizing
Dz
2, 4, 5
Downspeeding
Dsp
4, 5
Extended effective expansion ratio
Exp
1,3
Intake dethrottling
Dth
4
Lean-burn: homogeneous or stratified, spark or compression ignited
LB
2, 4
Technologies
Strategies served
Objectives
GDI
Dz, Dsp, Dth, LB
1, 2, 4, 5
Turbocharging
Dz, Dsp, Dth,
2, 3, 4, 5
Variable Valve Actuation (VVT, VVL)
Dz, Dsp, Dth, LB,
2, 4, 5
Exhaust Gas Recirculation (EGR)
Dz, Dsp, Dth, LB,
1, 2, 4, 5
VCR
Dz, Dsp, Dth, LB
1, 2, 3, 4, 5
Continuously Variable Transmission (CVT)
Dsp, Dsp, Dth,
4, 5
Hybrid : generator, batteries, electric motor
Dz, Dsp, Dth
2, 3, 4, 5
Engine equipment
Transmission systems
En relation avec le diagramme de la figure 4, le VCR permet d’agir sur tous les paramètres qui conditionnent le rendement
(stratégies et technologies visant à améliorer le rendement effectif des moteurs sur cycle de conduite)
Le MCE-5 VCRi poursuit le cours de l’histoire de l’automobile : à chaque fois qu’une nouvelle technologie a vu le jour, elle a apporté
un ensemble d’avantages et de progrès. L’amélioration des moteurs a suivi une grande asymptote, constituée de sous-asymptotes
qui chacune a pour origine une nouvelle technologie qui apporte un nouveau progrès.
Time
VCR
--> ++ Dz, ++Dsp, opt. CR, CAI
(1, 2, 3, 4, 5)
GDI turbo, VVL
--> + Dz, +Dsp
(1, 3, 4, 5)
4 valves/cyl. VVT
--> Dz, Dsp
(4, 5)
P
1
Positive
+
2
Energy efficiency
Comme on le voit sur le graphe ci-contre,
la généralisation des 4 soupapes par
cylindre et des VVTs a permis de réduire
la cylindrée des moteurs (downsizing),
pour en réduire la consommation. Le GDI
couplé à la suralimentation et à la VVL
(Variable Valve Lift) va plus loin dans le
downsizing et le downspeeding, et dans
la réduction des pertes par pompage. La
dernière marche, celle au-delà de laquelle
il n’y aura plus guère d’opportunité est le
VCR. Le VCR apportera des gains très
appréciables par rapport aux futurs
moteurs classiques GDI turbo et VVL à
haute densité de performance, malgré
qu’il soit placé sur le plat de l’asymptote
d’amélioration du rendement (voir page
suivante).
3
4
Negative
V
5
www.vcr-i.com
2
CO2/km - NEDC
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
140
135
130
125
120
115
110
105
100
135,9
125,3
-11 %
122,6
-13 %
115,9
-20 %
Conventional
GDI turbo VVL
25 bar BMEP
120kW/L
MCE-5 VCR VVL
40 bar BMEP
120kW/L
CAI
MCE-5 VCR VVL
40 bar BMEP
120kW/L
115,1
-21 %
MCE-5 VCR VVL
40 bar BMEP
150kW/L
MCE-5 VCR VVL
40 bar BMEP
150kW/L
CAI
Au-delà de ce qui sera possible de faire de mieux avec les technologies actuelles, le VCR va fournir un surcroît appréciable d’efficacité énergétique.
Ici : véhicules de 1,3 tonne et 120 kW. Le VCR fournit entre 11% (prouvé) et 21% (reste à prouver avec la CAI) de réduction de consommation
par rapport aux futurs moteurs GDI turbo fortement chargés prévus pour la décennie à venir
Le premier bénéfice du VCR est de poursuivre intensivement l’augmentation de la performance spécifique comme elle s’est
poursuivie au fil des ans depuis le début du siècle dernier, conduisant à la réduction graduelle de la cylindrée à même service rendu
(downsizing), avec à la clé une réduction notable de la consommation énergétique :
Fixed compression ratio (FCR)
VCR
350
20:1
+35%
320
18:1
kW/L
+68%
Nm/L
Compression ratio
VCR
kW - Nm
250
15:1
+50%
11:1
200
190
10:1
10:1
135
7:1
100
5:1
80
100
6:1
80
4:1
37
30
12:1
8:1
6:1
60
50
14:1
10:1
150
100
16:1
Compression ratio
300
2:1
22
4
0
0
1900
1930
1
1980
2
2000
3
2010
4
2015
5
Year/steps
Le downsizing n’est pas nouveau, il est pratiqué depuis le début de l’automobile
www.vcr-i.com
3
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
N°
Period
Improvements
1
1900-1930
• Improved cylinder filling;
• Higher engine speed;
• Higher compression ratio.
2
1930-1980
• Improved combustion chamber geometry;
• Higher engine speed;
• Higher compression ratio;
• Better control over ignition timing and mixture preparation;
• Reduction in engine friction and weight.
3
1980-2000
• Switching from 2 to 4 valves per cylinder;
• Intake and/or exhaust variable valve timing (VVT);
• Flexible and precise injection and ignition;
• Reduction in friction (geometry optimization, materials, lubrication, engine thermal management, etc.).
4
2000-2010
• Gasoline direct injection;
• Turbo and/or supercharger;
• Reduction in friction (roller rocker arms, variable capacity oil pump, engine overall energy management, etc.);
• Variable valve lift.
5
2010-2015
• Wide-range variable compression ratio (MCE-5 VCRi);
• Reduction in friction (main radial forces are assumed by rolling instead of sliding - MCE-5 VCRi);
• Integrated compressor (MCE-5) or 2-stage turbo.
La plupart des progrès des moteurs à combustion interne reposent sur l’émergence d’une nouvelle technologie
Le MCE-5 VCRi va ainsi repousser les limites du rendement accessible par les moteurs classiques. Il va s’intégrer au mix
technologique actuel pour optimiser l’efficacité énergétique, adapter le coût absolu des véhicules et atteindre les objectifs de
coût/bénéfice.
Le MCE-5 VCRi va repousser les limites du rendement accessible par les moteurs classiques
www.vcr-i.com
4