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

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1 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant Résultats clés Les résultats ont été mesurés sur les différents prototypes 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 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. compression fixe qui sont prévus pour la prochaine décennie (4 bar de PME contre 25). La puissance spécifique de 12 kw/l délivrée par les VCRi GDI à turbo deux étages est de 2% supérieure à celle des meilleurs moteurs GDI turbo actuels. Avec un couple et une puissance spécifiques hors-normes de 32 Nm/L et 12 kw/l, le VCRi surpasse tout ce qui existe en taux de compression fixe, avec de 6 à 7% de couple en plus par rapport aux futurs moteurs GDI turbo à taux de Ces performances reflètent l exceptionnelle capacité du 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. De telles performances spécifiques sont atteintes grâce au VCR à large plage, et grâce aux frottements réduits et à la forte capacité de charge du VCRi. VCRi GDI 1484 cm3 - turbocompresseur bi-étagé Puissance (kw) Couple (Nm) Régime (tr/min) Les prototypes 1,5L VCRi délivrent le couple d un moteur atmosphérique de 4,8L et la puissance d un V6 3,2L 1

2 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant SURALIMENTATION À HAUT RENDEMENT : Pas de «hard downsizing» sans forte suralimentation. La suralimentation à 2 turbocompresseurs du VCRi contribue ainsi à son efficacité, avec à la fois un excellent rendement isentropique, et une excellente réactivité permettant d atteindre 8% du couple en moins de 2 secondes à 15 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 VCRi. Celle-ci comprend un étage basse pression, un étage haute pression et deux refroidisseurs air-eau positionnés après chaque compresseur (intercooler, aftercooler) 2

3 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant OPTIMISATION DU TAUX DE COMPRESSION : Le 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 3

4 27 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant RÉDUCTION DE LA CONSOMMATION SUR CYCLE DE CONDUITE : Sur cycle de conduite (exemple : NEDC), le 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. +32% de rendement +5% de rendement Les pertes par frottement limitées du 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. 1 % 9 % 8 % 7 % 6 % Nouveau cycle de conduite européen (NEDC) 5 % Vitesse (km/h) Première partie Urbain Temps (sec) Deuxième partie Extra urbain % 3 % 2 % 1 % % Réf moteur atmo. Couple utile Pertes pompage Pertes frottement Moteur VCR atmo. Moteur VCR downsizé (turbo) Pertes thermiques Pertes "combustion" Pertes "Otto" Les réductions de consommation annoncées font référence au NEDC Le VCR redéfinit le bilan énergétique des moteurs 4 Cartographie de consommation spécifique du VCRi GDI 1,5L et points de fonctionnement correspondants du démocar sur le nouveau cycle de conduite européen (NEDC) PME (bar) PME maxi Point à régime-charge stabilisés Transitoires de régime-charge Régime moteur (tr/min) Le gain du VCRi provient moins de l amélioration de la cartographie de CSE, que du repositionnement des points de fonctionnement du moteur 4

5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant Puissance Couple Consommation sur NEDC 24 7 Puissance (kw) - émissions (g CO2/km) Couple (Nm) 1 Original V6 Diesel DW12B MPFI (21) GDI (21) (211) VVA VVA S&S CAI S&S Puissance (kw) Couple (Nm) CO2/km - NEDC (g) Sur un véhicule de type 47 Peugeot, un VCRi MPFI le plus basique réduit la consommation de 31%. La version la plus évoluée du 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, DÉPOLLUTION : Le 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 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 55 tr/min. Avec un taux de compression élevé et une PMF limitée (Pression Moyenne Frottement) de l ordre de,55 bar, la consommation horaire au ralenti du VCRi est inférieure à 3g 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, ainsi que le refroidissement du catalyseur. À couple élevé, la stabilité de combustion du 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 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. 5

6 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant 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 (2% 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. À fortes charges, il est ainsi possible d éviter le mouillage du piston, tandis qu à faibles charges, 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. Caractéristiques principales des moteurs prototypes VCRi Architecture 4 cylindres en ligne Alésage (mm) 75 Course (mm) 84 Cylindrée unitaire (cm3) 371 Cylindrée totale (cm3) 1484 Rapport bielle/manivelle 4,2 Cinématique de piston Conventionnelle Variation de la cinématique de piston Pas de variation Variation du positionnement du PMH en angle vilebrequin Pas de variation Course de contrôle VCR [possible] (mm) 1,58 [13] Taux de compression mini 6:1 Taux de compression maxi 15:1 Contrôle du taux de compression Continu Flexibilité de contrôle du taux de compression Cylindre à cylindre Précision de contrôle du taux de compression (altitude de piston en mm) +/-.2 Réactivité maximale de TC max à TC min (ms) 5 Réactivité minimale de TC max à TC min (ms) 3 Pression cylindre maxi (bar) 13 Limite de régime à facteur de sécurité normal (tr/min) 65 Equipement des prototypes VCRi actuels (2 versions) Injection (version 1) Injection (version 2) Suralimentation Refroidisseur d Air de Suralimentation Base EMS Contrôleur VCR spécifique et amplificateurs Double jet MPFI (Marelli produit série) GDI (Bosch produit spécifique) Turbo 2 étages Inter et after cooler Continental Mototron Clesse Electronique Performance des prototypes VCRi actuels (2 versions) 1,5 L Puissance (kw) Couple@15tr/min (Nm) MPFI (35 bar BMEP) GDI (4 bar BMEP) 6