Il ne s`applique qu`aux véhicules haut de gamme - MCE

MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Il ne s’applique qu’aux véhicules haut de gamme
Il a toujours été plus difficile de réduire la consommation des
petits véhicules bas de gamme peu performants, que de réduire
celle de véhicules haut de gamme puissants et gourmands en
énergie. En effet, « downsizer » un moteur déjà petit et
dimensionné au plus juste en fonction des besoins réels du
véhicule est plus difficile que de « downsizer » un moteur
« oversizé » dont les performances déraisonnablement élevées
ne sont utilisées qu’en situation exceptionnelle. Ceci conduit à
une situation paradoxale : c’est sur les gros véhicules que la
plupart des « fuel efficient technologies » procurent la réduction
relative et absolue de consommation de carburant la plus
importante. C’est aussi sur les gros véhicules que l’on a le plus
de latitude pour financer le surcoût des technologies à faible
consommation. De plus, sur un gros véhicule, la sensibilité au
prix d’achat est plus faible. Sur un tel véhicule, le surcoût des
technologies à haut rendement énergétique est facilement
accepté par le client final, qui verra de toutes les façons son
investissement rentabilisé beaucoup plus rapidement que s’il
s’agissait d’un petit véhicule. En effet, réduire de 30% la
consommation d’un véhicule qui engloutit 11L de carburant
au100km économise bien plus d’argent sur 100 000 km que
10% de réduction de consommation obtenus sur un véhicule
qui consomme 6L/100 (-3,3L/100km contre -0,6L/100 km, soit
5,5 fois plus d’argent économisé par km).
Ce recul d’efficacité et d’attractivité des « fuel efficient
technologies » lorsqu’elles sont appliquées aux petits véhicules
plutôt qu’aux gros véhicules se vérifie dans la plupart des cas.
Par exemple, un dispositif de VVL (variable valve lift) pourra
procurer jusqu’à 2 fois plus de réduction de consommation de
carburant sur un gros V6 3,0L que sur un petit 1,2L. Autre
% FC reduction
exemple : équiper un petit véhicule d’entrée de gamme avec un
moteur Diesel n’apporte pratiquement aucun avantage
énergétique, alors que c’est tout l’inverse sur un gros véhicule.
Ceci est d’autant plus rebutant que le coût des systèmes de
post-traitement du Diesel est de plus en plus inacceptable pour
les petits véhicules, de même que l’encapsulage nécessaire
pour gérer le niveau acoustique et vibratoire élevé de ce type de
moteur. Ceci explique entre autres le retournement de tendance
en Europe : les petits véhicules en reviennent en masse aux
motorisations à essence.
Du fait du coût du post-traitement, le Diesel va être de plus en plus
réservé aux véhicules puissants et haut de gamme
Fuel consumption reduction provided by VCR turbo
according to vehicle category (NEDC)
25
22 (**)
20
16.2 (*)
15
14.5 (**)
10
6.8 (*)
5.6 (*)
7.7 (*)
5
0
Small cars 65kW
Mid-range 90kW
Ref: Fixed CR GDI turbo VVL
Mid-range 120kW
VCR + VVL
High-range 160kW
VCR + VVL + CAI
* with a mechanical compressor to avoid turbo lag --> penalty in fuel efficiency
** with a 2-stage turbo (HP + LP)
La réduction de consommation procurée par le VCR reste modeste pour les petits véhicules
par rapport au GDI turbo VVL. Cependant, ces gains « ultimes » n’en restent pas moins stratégiques
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MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
tel système de suralimentation présente un temps de réponse
réduit (turbo-lag). Couplé à un intercooler et à un aftercooler, son
rendement isentropique est supérieur à 1. La contre-pression et
la température des gaz d’échappement s’en retrouvent
diminuées, de même que le besoin de surenrichir la charge à
pleine puissance. En combinant ce système de suralimentation
à une injection directe d’essence (GDI), on se retrouve avec une
solution de downsizing proche de l’optimum. Malheureusement,
ce type de configuration convient mal aux petits moteurs.
Puisqu’elles sont notoirement plus efficaces et rentables sur les
gros véhicules, on comprend pourquoi les nouvelles
« fuel efficient technologies » sont d’abord commercialisées sur
les véhicules haut de gamme, pour ensuite redescendre en
gamme au fil des ans. Cette stratégie permet de financer ces
technologies alors qu’elles sont encore chères car immatures,
avant de les disséminer plus largement. Sur un véhicule haut de
gamme, il est en effet possible de produire des pièces dont le
coût n’est pas encore optimisé et dont la qualité est « boostée »
pour éviter toute défaillance. Après diverses phases de
perfectionnement et d’apprentissage industriel, une technologie
nouvelle voit son prix se réduire, ce qui permet de l’introduire
progressivement sur des véhicules moins luxueux tout en
conservant
un
rapport
coût/bénéfice
attractif.
Malheureusement, ces itérations sont longues et constituent un
frein majeur au progrès technologique qui, pour avoir un impact
important au niveau sociétal et macroéconomique, doit
s’appliquer le plus rapidement possible aux véhicules
populaires produits en très grand nombre.
Alors, étant une nouvelle « fuel-efficient technology », combien
de temps le MCE-5 VCRi restera-t-il trop cher pour des
véhicules bas de gamme ? Probablement peu de temps, car il
est peu cher en absolu et très efficace à réduire la
consommation. Par contre, certaines conditions sont
nécessaires. Faisons un point.
Le premier objectif du VCR est le hard downsizing. Pour
atteindre cet objectif sur les gros véhicules, on a recours à la
suralimentation par turbocompresseurs bi-étagés. Cette
configuration permet à la fois de décoller le véhicule depuis la
station arrêtée dans de bonnes conditions, d’assurer les
démarrages en côte, et de délivrer un couple important à bas
régimes sans sacrifier la puissance à hauts régimes. De plus, un
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Le MCE-5 VCRi et son compresseur intégré devraient résoudre
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Compression
Combustion
Patent scheme
Efficace, la solution compresseur de type « roots » + turbo reste chère
pour les moteurs downsizés destinés aux véhicules d’entrée de gamme
En effet, sur les petits véhicules, il est difficile de prévoir un
système de suralimentation à deux turbocompresseurs. La
première raison à cette difficulté est que le turbo haute pression
serait trop petit, avec donc un rendement catastrophique. Il
faudrait alors remplacer ce turbocompresseur par un
compresseur volumétrique mécanique de type « Roots » ou
« Lysholm » réputé cher, complexe et encombrant vu les débits
massiques élevés requis. Ces facteurs rendent le couple
compresseur mécanique + turbo compresseur difficilement
acceptable sur de très petits moteurs destinés à des véhicules
bon marché. Par ailleurs, si l’on souhaite bénéficier des
avantages du GDI sur de très petits moteurs, les cylindrées
unitaires inférieures à 260cm3 conduisent à des alésages trop
petits (inférieurs à 70mm) qui rendent difficilement évitable le
mouillage des parois du cylindre et son cortège de
conséquences négatives. Comment donc faire accéder les
moteurs de petite puissance au hard downsizing dans les
meilleures conditions fonctionnelles et économiques ? En
utilisant le MCE-5 VCRi couplé à son compresseur intégré
MCE-5, ce dernier étant encore en cours de développement.
Le projet de compresseur intégré MCE-5 :
haut rendement mécanique et thermodynamique, frottement ultrafaible
lorsque non utilisé (joint d’étanchéité dynamique sans contact au repos),
clapets haute performance innovants.
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MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
La suralimentation à 2 turbocompresseurs des protoypes MCE-5 VCRi
est plutôt destinée à des moteurs puissants, au-delà de 150kW
la quasi-totalité des problèmes liés au hard downsizing des
petits moteurs. Côté combustion, le VCR permet de supporter
des charges extrêmes – jusqu’à 35 bar de PME – sans recourir
au GDI puisque celui-ci est incompatible avec des cylindres de
faible alésage. Le VCR se substitue en ce cas au GDI pour gérer
le cliquetis, le rumble ou le « hard knocking ». La PME
accessible à bas régimes passe de 23-24 bar en GDI à taux de
compression fixe de 10:1, à 35 bar en MPFI, grâce au VCR et à
un CR mini de 6. Côté suralimentation, les problèmes sont
résolus par le compresseur intégré qui réduit le turbo-lag à son
minimum (de l’ordre de la seconde), tout en étant capable de
garantir des couples et puissances élevés sur toute la plage de
régime/charge. Ce compresseur mécanique est particulièrement
adapté aux moteurs à 3 cylindres, un 4e cylindre dit
« compresseur » étant alors ajouté, en plus d’un plénum de
passivation (brevet MCE-5) permettant de pallier le problème
des bouffées d’air comprimé de type « 4 dans 3 ». Le moteur qui
en résulte est un ensemble « autosuralimenté » qui s’installe
dans le compartiment moteur comme s’il s’agissait d’un moteur
atmosphérique.
Selon
cette
configuration,
aucun
turbocompresseur n’est plus requis, même pour les hauts
régimes. La contre-pression échappement est faible et la
température maximale des gaz d’échappement est réduite de
300 à 350 degrés, de sorte que le surenrichissement de la
charge peut être soit réduit, soit supprimé. Les températures
sous capot sont également réduites et le coût de l’ensemble est
très inférieur à celui d’un ensemble à 2 turbocompresseurs ou à
compresseur mécanique + turbo.
Diverses études préparatoires ont démontré la bonne faisabilité
et le fort potentiel en efficacité énergétique de ce compresseur
mécanique intégré. Courant 2011, plusieurs moteurs MCE-5
VCRi en seront équipés.
En conclusion, que ce soit en version MPFI + compresseur
intégré pour les véhicules de bas à milieu de gamme ou en
version turbo 2-étages GDI pour les véhicules de milieu à haut
de gamme, le MCE-5 VCRi devrait toujours conduire à un ratio
coût/bénéfice du meilleur niveau.
Le downsizing sévère appliqué aux petits véhicules en appelle à l’emploi d’un compresseur volumétrique (exemple :
compresseur MCE-5), sans GDI vu les alésages faibles (devrait être possible dans les années à venir)
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