Je vais revenir sur un nouveau moteur prometteur en termes d'amélioration du rendement, d'économie d'énergie et de réduction de la pollution. Je l'avais évoqué page 8, dans le panorama des moteurs thermique que je vous avait proposé il y a déjà plusieurs mois. Il s'agit du moteur VCR MCE-5, imaginé par un génial ingénieur nommé Vianney RABHI, et développé à Lyon dans son bureau d'études MCE-5 DEVELOPMENT.

En tant que motoriste de formation, je suis le développement de ce projet depuis le début des années 2000. Il est sorti des bancs d'essais pour entrer aujourd'hui dans la phase des essais sur route, puisque la société PEUGEOT va en équiper à partir de septembre quelques véhicules 407 en lieu et place du moteur V6. Les voitures ainsi équipées sillonneront les routes dès la fin de l'année ou le début 2008.

Pour l'instant il ne s'agit que de moteurs à essence.

La compression variable (VCR) intéresse aussi le moteur diesel

En 2005, Le CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers) et la SIA (Société des Ingénieurs Automobiles) ont présenté une passionnante conférence sur le moteur à taux de compression volumétrique variable, en présence de M. Vianney Rabhi, concepteur du prometteur MCE-5. L’intérêt de ce dispositif est de maintenir une compression optimale au point mort haut (PMH) lors des charges partielles et ainsi améliorer le rendement d’utilisation du moteur. Pour rappel, si ce rendement maximal peut atteindre 30 à 35%, il n’est que de 13% sur une mesure de consommation mixte/CEE.

Tout cela pourrait a priori ne concerner que le moteur à essence, car le diesel ne limite pas sa masse d’air admise en charge partielle. Faux, les moteurs diesels modernes sont pourvus de volets sur l’une des deux tubulures d’admission de chaque cylindre pour créer un effet swirl. Cela a une légère incidence sur la masse d’air admise, et par conséquent sur la pression au PMH. De plus, le rapport volumétrique de compression est de plus en plus bas en raison de la suralimentation qui ne cesse de croître. D’une valeur courante de 18 à 19:1, ce rapport est souvent autour de 17:1 sur les dernières productions. Il est même de 16.5:1 sur le moteur BMW 535d à suralimentation à double étage, concept qui va certainement se généraliser. Conséquence : des problèmes de démarrage pourraient apparaître. Le moteur à compression variable serait alors le remède, même si sa priorité reste le moteur à essence.

Toutes les informations qui suivent sont extraites de MCE-5 TECH NEWS

C'est le défi des grands constructeurs automobiles : développer un moteur qui consomme moins, mais plus efficace.

Le bureau d'étude MCE-5 Development, à Lyon, a mis au point ce qui sera peut-être le standard de demain.

MCE-5, un nom de code à retenir pour deux raisons. D'une part, parce qu'il équipera probablement nos berlines d'ici à quelques années. Et d'autre part, parce qu'il divisera du même coup notre facture d'essence de plus d'un tiers ! Et ce, quelque soit le type de carburant choisi.

Le MCE-5 est un principe de compression variable, appelée aussi VCR, pour Variable Compression Ratio en anglais. Il s'agit en fait d'une "vieille" innovation qui fait une première apparition dans les années vingt, pour ressurgir dans les années quatre-vingt, mais sans jamais vraiment parvenir à maturité. Et ils sont nombreux les constructeurs automobiles à s'être essayés à la mise au point d'un moteur exploitant le principe du MCE-5. Ce que Volvo, Voklswagen ou Nissan n'a pas réussi à développer, un bureau d'études lyonnais, MCE5 Dévelopment, est en passe de le réaliser.

Adapter le volume de la chambre de combustion

Pour bien comprendre, un rappel des principes mécaniques s'imposent. Dans un moteur, meilleure est la compression du mélange air/carburant dans la chambre de combustion, meilleur est le rendement. Cet optimum est atteint sur autoroute, à vitesse stabilisée. Trop compressé, le mélange s'enflamme et entraîne un phénomène de cliquetis. Lorsqu'il ne l'est pas assez, en ville par exemple, le moteur fonctionne au ralenti, loin de sa charge optimale. Le rendement est mauvais et la consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le volume de la chambre de combustion, entre faible charge et fortes sollicitations.

C'est là toute la justification des recherches faites autour du VCR. Le dispositif fait varier le volume de la chambre à combustion qui entraîne donc une variation du taux de compression. À tous les régimes, le moteur reste efficient, combinant le maximum du couple et de la puissance. Si le principe est simple, et logique, la mise en œuvre reste plus délicate comme l'a démontrée une étude approfondie de Porsche en 1979. Toute la difficulté réside dans le fait de trouver des solutions techniques qui n'induisent pas plus de défauts par ailleurs.

Une économie de carburant d'au moins 30%

La proposition du bureau d'études MCE-5 Development rompt avec les pistes de recherche déjà explorées. La solution apportée se résume à deux éléments : une roue dentée et une crémaillère. C'est cet engrenage qui permet de contrôler le taux de compression. Il fait varier la taille de la chambre à combustion, raccourcit la course du piston et réduit les frottements.
Pour Vianney Rahbi, le concepteur du bloc moteur, « il s'agit d'un nouveau seuil technologique dans le développement du moteur à essence ». Les avantages annoncés sont énormes : une économie de carburant d'au moins 30% pour un véhicule de 150 à 200 CV et une réduction d'un tiers des gaz polluants.

Le MCE-5 peut aussi apparemment intégrer toutes les améliorations actuelles des moteurs, en particulier la multi-carburation gaz / essence / biocarburant. Aujourd'hui, de nombreux constructeurs automobiles semblent intéressés. Le Suèdois SAAB a présenté un premier prototype VCR en 2000, au salon de Genève. En France, Peugeot compte entamer les tests du moteur MCE-5 à l'automne 2007 sur son modèle 407. Cinq véhicules seront équipés du dispositif dès janvier 2008. Une adaptation en série pourrait intervenir à l'horizon 2015, selon les décisions des différents constructeurs.

Aspect extérieur du moteur VCR MCE-5 :



Vue écorchée interne des équipages mobiles :

vue générale du prototype du moteur MCE-5



Vues écorchées du moteur MCE-5 (devant, le système de réglage du taux de compression°





Le VCR MCE-5 en foncionnement :

Merci Bonnerue pour tes articles.
Je voulais justement te demander de confirmer que la variation du taux de compression était obtenue par une modification dynamique du bras de levier de la bielle au moyen du système pignon/crémaillère quand entre temps tu as mis une deuxième série de schémas qui y répond.
Sur le principe tout est clair, par contre cela complique sérieusement la mécanique interne, et je crains bien que les coûts induits ne viennent poser quelques problèmes. Il y a évidemment une étude d'amortissement à faire, mais je ne doute pas que les commerciaux l'aient faite.
Autre problème, la fiabilité de l'ensemble doit-être un peu diminuée, reste à savoir dans quel proportion.

Pour que le fonctionnement de ce moteur révolutionnaire soit plus compréhensible, j'avais réalisé un gif animé montrant comment le mouvement rectiligne alternatif du piston était transformé en mouvement circulaire continu. A la différence des moteurs classiques dans lesquels la bielle est attelée directement au piston, ce qui provoque une usure en "tonneau" du cylindre, dans le MCE-5, le mouvement du piston, parfaitement rectiligne, n'engendre pas de forces latérales et donc pas d'usure anormale du cylindre :



Dans ce gif animé j'ai représenté une bielle classique. En réalité les bielles sont plus massives. Leur pied est articulé au centre du secteur dentée (la roue) et leur course est la moitié de la course du piston. Le secteur denté pouvant être assimilé à un levier. Le villebrequin, conséquenque d'une plus faible excentration des manetons, est plus rigide et plus léger.

Le petit vérin situé à droite du dessin est en réalité plus volumineux. C'est lui qui, en provoquant une légère rotation du secteur denté, déplace l'ensemble piston moteur-crémaillère principale vers le haut ou vers le bas, modifiant ainsi le volume de la chambre de compression, donc le taux de compression. La course de l'ensemble piston-crémaillère est constante, elle est seulement décalée comme sur le schéma ci-dessous. La représentation horizontale étant faite pour êttre en accord avec le graphique pression-volume. Le volume du cylindre étant directement proportionnel avec la course du piston :



Ce schéma mobile montre les deux extrèmes du cycle d'Atkinson :
• Taux de compression maximum,
• Taux de compression minimum.
Entre les deux, il existe une infinité de réglages possibles.

Pour répondre aux interrogations de certains camarades, dont celles d'André MECHKAK, voici plus de détails.

Carter multicylindre VCR MCE-5 : un ensemble de solutions pour la production en grande série.

L’évolution des moteurs depuis le taux de compression fixe vers le taux de compression variable est un saut technologique majeur pour l’automobile. Toutefois, produire des véhicules VCR nécessite une technologie robuste, fiable et durable qui permette de maîtriser le rapport volumétrique avec la plus grande précision. Le carter multicylindre MCE-5, dont une première version va être mise au banc en mai 2006, est développé pour tenir ces objectifs.

Ce carter multicylindre conserve au mécanisme MCE-5 sa grande précision de contrôle du taux de compression et sa cinématique de piston qui définit une loi de variation du volume de la chambre de combustion en parfaite conformité avec l’art antérieur. Rappelons que si la précision du taux de compression est nécessaire pour obtenir les meilleurs gains en consommation, la cinématique de piston impacte directement sur le remplissage du cylindre, la turbulence et les transferts thermiques gaz-paroi dont dépendent le couple maxi, la vitesse de combustion, la résistance au cliquetis et le rendement.

Le carter multicylindre MCE-5 est donc développé pour mettre en œuvre toutes les stratégies VCR sans limitation ni contrainte et pour obtenir de ces stratégies une efficacité maximale, sans risque associé. Par ailleurs, ce carter préserve tout le potentiel de la technologie MCE-5 à réduire les pertes par frottement et à augmenter la résistance et la durabilité mécanique des moteurs. À ce titre, le piston guidé reste une caractéristique exclusive de la technologie MCE-5 qui simplifie radicalement les règles de conception des pistons : il n’est plus nécessaire de gérer le piston slap ou l’effort radial qui impacte directement sur les frottements, le blow-by, le bruit, l’usure et la consommation d’huile.

Prises en compte dès l’origine du projet MCE-5, la précision du taux de compression, la cinématique de piston, les pertes par frottement ou la fiabilité constituent les principaux fondements d’un moteur VCR produit en grande série. Notons que selon qu’elles sont améliorées ou dégradées par rapport à celles des moteurs conventionnels, ces caractéristiques peuvent majorer ou minorer l’efficacité du taux de compression variable au point d’en faire un succès ou un échec.

Par rapport à ce qui a été présenté jusqu’à ce jour, l’architecture du moteur a été optimisée et simplifiée en vue de sa production industrielle : il n’y a plus de culasse spécifique aux vérins de commande, mais une culasse commune aux chambres de combustion et aux chambres supérieures des vérins de commande. Les vérins sont placés du côté froid de la culasse, sous les conduits d’admission.

Une architecture rigide et compacte

Cette architecture donne une grande rigidité à la culasse qui est désormais fixée au carter cylindre avec 15 vis de longueur identique et qui ne nécessite qu’un seul joint d’étanchéité. L’usinage de la face compression ne présente pas de difficulté particulière et permet de loger à la fois les chambres de combustion et les vérins de commande dans une largeur de seulement 30 mm supérieure à celle d’un moteur 2.0 L à taux fixe. Cette largeur additionnelle est bien entendu à rapprocher du couple et de la puissance spécifiques du moteur qui sont deux fois plus élevés que ceux d’un moteur conventionnel. Le plan de joint de la culasse commune offre les espaces nécessaires au passage des canaux de liquide de refroidissement et de lubrification sous pression, ainsi qu’au passage des retours d’huile vers le carter et des conduits de circulation des gaz de blow-by.

Le mécanisme qui permet de contrôler le taux de compression est placé sous les vérins de commande et comporte un arbre à excentriques qui est entraîné en rotation par un servomoteur électrique issu du système Valvetronic de BMW. Une liaison irréversible roue/vis-sans-fin assure la transmission entre le servomoteur et l’arbre à excentriques. Le servomoteur du Valvetronic offre une puissance environ 30 % supérieure à celle requise par le système MCE-5 même avec des temps de changement de taux mini (7:1) à taux maxi (18:1) ou inversement, inférieurs à 100 ms.

Des culbuteurs viennent prendre appui sur l’arbre à excentriques et maintiennent les tiges de contrôle des vérins de commande à la position voulue. Un dispositif de réglage accessible sur le côté du moteur permet d’ajuster le taux de compression initial de chaque cylindre indépendamment . Ce dispositif permet en une seule opération de compenser le cumul de toutes les dispersions dimensionnelles de fabrication du moteur et de son système de commande de sorte que l’altitude initiale des pistons est maîtrisée avec des écarts d’un cylindre à l’autre de l’ordre de 0,01 à 0,02 mm. Ceci a pour autre conséquence positive de desserrer les tolérances de fabrication du moteur et d’en réduire les coûts associés.

Le taux de compression initial de chaque cylindre est réglé indépendamment

Le réglage initial du taux de compression cylindre à cylindre peut s’opérer principalement de deux façons : soit en mesurant l’altitude des pistons au Point Mort Haut depuis les puits de bougie de la culasse, soit en mesurant directement le volume des chambres de combustion au Point Mort Haut après assemblage du moteur au moyen d’un procédé en cours d’étude. Ce dernier procédé prend en compte la géométrie réelle de la chambre de combustion. En conséquence, la première version du MCE-5 permet déjà de réduire de façon importante les écarts de taux de compression d’un cylindre à l’autre, même comparativement à ce que l’on peut trouver sur les moteurs conventionnels les plus précis. Cette précision apporte des gains en consommation notables.

Le carter multicylindre MCE-5 est conçu pour conserver en tous points de fonctionnement un jeu faible (situé entre 10 et 20 microns) entre les dents de la roue de transmission et celles des crémaillères. Ceci permet de maintenir les émissions acoustiques du système d’engrenage à un niveau faible. L’objectif visé est un niveau acoustique total inférieur à celui d’un moteur classique, notamment grâce à la suppression du piston slap et à la rigidité favorable du vilebrequin et de l’ensemble de la structure du moteur.

Le jeu minimal entre les dents de la roue de transmission et celles des crémaillères est déterminé par des pistes de roulement que comportent ces pièces et qui fixent l’entraxe. Un jeu de l’ordre de 10 à 20 microns est rendu possible par l’alignement automatique des crémaillères par rapport à la roue de transmission, les crémaillères étant suspendues à des pistons qui se comportent l’un et l’autre comme une liaison rotule. Sur ce point, la technologie MCE-5 change radicalement les contraintes de conception des engrenages : leur environnement géométrique n’est plus tributaire d’arbres qui fléchissent sous la charge ou qui ne sont pas parfaitement alignés dans un carter de sorte que la distribution de la pression de contact entre les dentures reste toujours optimale en tous points de fonctionnement

Un environnement optimal pour le fonctionnement des dentures

La possibilité de prévoir un jeu extrêmement faible aux dentures n’est donc pas la seule conséquence positive de ces conditions géométriques optimales : elles ont également permis de réduire les pressions de Hertz à un niveau beaucoup plus faible que celui trouvé sur le premier prototype expérimental MCE-5, malgré un comportement de ce dernier déjà conforme aux attentes. Ce sujet a été abordé dans la publication SAE N° 2005-01-3131 présentée au SAE World Congress de Detroit en avril 2005. Un jeu opérationnel aussi faible nécessite toutefois une qualité de denture élevée (classe de qualité 7 selon norme ISO 1328) qui requiert des procédés de finition de précision en production de grande série.

L’utilisation de ces procédés a été prise en compte dans le calcul du prix de revient du moteur. Il faut souligner que le carter cylindre joue un rôle essentiel dans la maîtrise du jeu opérationnel des dentures. Comme nous l’avons vu, l’entraxe minimal entre la roue de transmission et les crémaillères (qui fixe par conséquent le jeu minimal aux dentures) est déterminé par la localisation des pistes de roulement que comportent ces composants. En revanche, le jeu maximal aux dentures est fixé par le carter cylindre qui détermine la distance maximale entre les composants mobiles. En effet, ces composants tendent à s’écarter les uns des autres sous l’effet de l’angle de pression des dentures (20 degrés) qui génère un effort radial proportionnel à l’effort tangentiel appliqué par la crémaillère de piston à la roue de transmission.

Pour préserver un jeu aux dentures de 10 à 20 microns quelles que soient les conditions opérationnelles du moteur, le carter cylindre doit donc maintenir les composants mobiles à une distance la plus faible possible les uns des autres, c’est-à-dire, avec un jeu entre leurs pistes de roulement respectives le plus faible possible.

La solution qui consiste à réaliser le carter cylindre avec une haute précision ne peut pas être retenue. En effet, la déformation sous charge des composants mobiles du MCE-5, les dilatations différentielles entre ces composants mobiles et le carter cylindre, ou les inhomogénéités de dilatation du carter cylindre rendent l’environnement géométrique de fonctionnement des engrenages variable dans des proportions incompatibles avec le maintien d’un jeu aux dentures compris entre 10 et 20 microns.

La solution retenue consiste à maintenir en pression, c’est-à-dire à jeu nul, les composants entre eux. Pour que cette stratégie préserve les avantages offerts par le piston guidé MCE-5 (effort radial moyen de plusieurs dizaines de fois inférieur à celui d’un moteur classique), des vérins presseurs dont la course opérationnelle est de quelques dixièmes de millimètre sont placés derrière chaque crémaillère de commande. Ces presseurs exercent un effort toujours légèrement supérieur à l’effort maximal relevé sur un cycle de 720°, avec une loi particulière de conservation ou de changement de la valeur d’effort. Le fond des vérins presseurs fait office de butée réglable qui permet de déterminer le jeu maximal aux dentures en absence de pression hydraulique (éventuelle panne d’alimentation des presseurs).

On note que les vérins presseurs exercent un effort sur les crémaillères de commande au-dessous de leur secteur utile d’engrènement de sorte que le piston de vérin de commande appuie toujours sur le même côté de son alésage. Ceci permet de réduire la précision de réalisation à la fois du piston et du cylindre des vérins et d’annuler les émissions acoustiques du piston de vérin induites par le basculement de la crémaillère de commande. Une bague de rotulage a été placée sur les pistons de vérin afin que leur profil sphérique n’exerce plus sur leur alésage une pression élevée. L’alésage des vérins peut donc être directement usiné dans le carter cylindre sans que la dureté relativement faible du matériau du carter ne pose de problème de contact.

En principe, avec une composante latérale sur le piston supprimée, on devrait avoir moins de vibrations.

Comme je le disais au début, on entre dans la phase d'utilisation du nouveau moteur. Ayant quitté le banc d'essai après avoir amélioré le prototype, maintenant c'est le comportement du moteur dans des conditions réelles d'utilisation qui va être testé. Les améliorations supplémentaires qui pourront être apportées permettront de mettre sur le marché un moteur dont le prix de revient sera à peine plus cher que celui d'un moteur classique 4 cylindres en ligne, et même moins cher que celui d'un 6 cylindres en V.

Je suis obligé de m'absenter, je reprendrai ce post plus tard.

Balaise ce truc ! je me régale, çà parait simple comme çà !!!! mais la mise au point....

oui oui présentement

Sur un moteur classique, lorsque la bielle est directement reliée au piston, l'usure du cylindre (volontairement éxagérée sur le dessin) est de cet ordre. Tous ceux d'entre nous qui lors des révisions ont mesuré l'ovalisation du cylindre le savent bien. Sur le MCE-5, la course du piston est parfaitement rectiligne et non-soumise aux efforts latéraux du système classique, l'usure du cylindre est "normale", sans engendrer de déformation.

Système de réglage du taux de compression :



Dessin en coupe d'un "vérin" de commande de réglage du taux de compression (à droite sur le gif animé) :



Ce vérin commande une crémaillère qui fait basculer le secteur denté et provoque le décalage de la course de l'équipage mobile comprenant le piston et la crémaillère principale. Plus le piston monte haut, se rapprochant donc de la culasse, plus le taux de compression est élevé et inversement, moins il monte vers la culasse, plus le volume de la chambre de compression augmente et moins le taux de compression est élevé.

Fabrication en série simplifiée, émissions acoustiques minimales

La solution des vérins presseurs simplifie également la fabrication du carter cylindre dont les tolérances dimensionnelles sont désormais identiques à celles des carters classiques. Les vérins presseurs permettent de conserver un jeu nul aux pistes de roulement quelle que soit l’évolution de la géométrie du carter cylindre en fonction de la charge et/ou de la température. En conséquence, les émissions acoustiques des dentures restent minimales en tous points de fonctionnement et les composants mobiles sont “flottants” dans le carter cylindre.

Les vérins presseurs sont maintenus sous pression par un système hydraulique intégré au moteur qui sert également à maintenir unepression de précontrainte dans les vérins de commande. Cette pression de précontrainte est nécessaire pour augmenter la précision des vérins de commande, pour les protéger contre tout risque de cavitation et pour compenser leurs éventuelles fuites hydrauliques par un apport d’huile sous pression. Ce système intégré comporte notamment une pompe à un seul piston radial placée en bout d’arbre à cames qui génère automatiquement la pression et le débit recherchés pour l’ensemble des fonctions (vérins presseurs et vérins de commande). Ce système intègre des composants simples, robustes et à longue durée de vie et sa consommation énergétique est de l’ordre de quelques dizaines de Watt. Un futur numéro de MCE-5 Tech News sera consacré à sa description.

Le carter multicylindre MCE-5 utilise également la pression de précontrainte des vérins de commande pour réduire le temps nécessaire au moteur pour passer de taux 7:1 à taux 18:1. Ce temps, de l’ordre de 200 ms sur le premier prototype, sera ramené entre 50 et 80 ms. En conséquence, le moteur multicylindre sera aussi rapide pour augmenter son taux de compression (passage de 7:1 à 18:1) que pour le diminuer (passage de 18:1 à 7:1).

Passage du rapport volumétrique de 7:1 à 18:1 ou inversement en moins de 100 ms

Pour cela, des chambres sont réalisées dans la fonderie de la culasse au-dessus des tiges supérieures de vérin de commande, sans joint d’étanchéité additionnel (figure 7). Ces chambres sont soumises à la pression de précontrainte des vérins de commande (environ 20 bar). Le clapet anti-retour de compensation de fuite est désormais placé au centre de la tige supérieure de vérin et est directement alimenté par l’huile présente dans la chambre. Cette configuration permet aussi de supprimer l’un des deux joints du vérin de commande.

L’ensemble du système hydraulique MCE-5 (vérins de commande, vérins presseurs) fonctionne avec l’huile de lubrification du moteur. Pour cette raison, un soin particulier est apporté à la qualité de filtration de l’ensemble du circuit de graissage du moteur avec des conséquences positives sur la durée de vie d’autres composants (paliers hydrodynamiques).

La rigidité du carter cylindre MCE-5 est supérieure à celle d’un carter classique du fait de sa largeur plus importante dans sa partie supérieure et de sa hauteur entre ligne d’arbre et face compression qui s’apparente à celle d’un moteur Diesel (figure 6). La culasse, également légèrement plus large, participe à cette rigidité avec le carter palier. Le vilebrequin MCE-5 ne comporte plus de masses d’équilibrage mais sa déformation reste dans les critères usuels du fait de sa rigidité élevée due notamment à un recouvrement important entre manetons et tourillons. La compacité du vilebrequin confère à la partie inférieure du carter une faible largeur (rayon de manivelle diminué de moitié, mandoline réduite, pas de masses d’équilibrage). Le poids du vilebrequin est réduit passant de 11 kg pour le vilebrequin d’un moteur conventionnel moderne de cylindrée identique, à 8,4 kg.

La rigidité élevée du carter cylindre MCE-5 permet de donner à la ligne d’arbre de vilebrequin les caractéristiques les plus favorables possibles : rigidité radiale élevée et rigidité en orientation axiale adaptée à la rigidité du vilebrequin pour une optimisation de la portance des paliers hydrodynamiques.

Une combustion rapide de taux 7:1 à taux 18:1

Le refroidissement du piston fait l’objet de développements spécifiques pour donner aux pissettes d’huile de refroidissement une efficacité maximale. Divers brevets ont été déposés en ce sens. Un bol est aménagé dans la calotte des pistons qui permet d’obtenir une combustion rapide quel que soit le taux de compression entre 7:1 et 18:1 et en règle générale, quelle que soit l’altitude des pistons. Le bol permet de conserver le plus longtemps possible une propagation tridimensionnelle de la flamme, sans coincement de flamme dans la zone de chasse y compris à taux de compression élevé (18:1).

La chambre de combustion comporte 4 soupapes orientées à 12° donnant, avec les conduits d’admission tels que définis, un taux de tumble de 0,79.

Les arbres d’équilibrage représentés sur les schémas restent optionnels, les efforts d’inertie libre de 2e ordre du MCE-5 restant inférieurs à ceux d’un petit moteur Diesel. Les efforts pour limiter les transmissions vibratoires porteront préférentiellement sur les supports moteur et la gestion de son basculement sous couple.

Le premier véhicule équipé d’un carter multicylindre MCE-5 selon cette définition sera opérationnel en 2007 et permettra de définir en multi-collaboration un moteur VCR suffisamment abouti pour être produit en grande série dès 2012.

Lorsqu'on examine le montage de ce moteur, on est conduit à se poser des questions concernant les bruits engendrés lors de son fonctionnement. Les concepteurs ont bien entendu examiné de près les problèmes qui pourraient se poser à priori et ils ont fait en sorte de les résoudre par la précision de la réalisation de certains organes, tout en limitant leur coût d'usinage.

Tout d'abord, nous allons observer Comment sont réalisés les équipages mobiles comprenant le piston, la crémaillère principale, le secteur denté au centre duquel vient s'articuler le pied de bielle et les rouleaux de guidage de la crémaillère :





Guidage de l'équipage mobile :



Les petites roues dentées latérales servent à "lier" le rouleau à la crémaillère et à le garder dans l'axe pour qu'il n'ait pas tendance à se mettre "en biais".

Le secteur denté, ou "roue", comporte une denture dont les dents soumises aux plus grands efforts sont renforcées :







vous remarquerez que les dents sont séparées en deux parties au centre desquelles se situe la piste de roulement qui vient "s'enrouler" en appui sur la piste de roulement de la crémaillère. Ce dispositif permet de contenir les efforts mécaniques pour ne pas que les dents "mâles" viennent buter sur le fond des dents "femelles". Les "dos" des crémaillères viennent en appui sur le carter moteur par l'intermédiaire de rouleaux de guidage. La piste de roulement des rouleau sur la paroie du carter est elle même appuyée sur des vérins hydrauliques latéraux qui reprennent les efforts.

Crémaillère principale liée au piston :





Rouleau de guidage :



Voici simplifié le système montrant la fonction des "pistes de roulement" entre la denture du secteur denté (la "roue") et celles des crémaillères, permettant d'absorber les composantes de forces qui s'exercent latéralement. Sur l'animation on aperçoit ces pistes, circulaire (en vert foncé) pour la roue et rectilignes (en orange) pour les crémaillères. Les vérins hydrauliques destinés à contenir les efforts latéraux (ceux qui usent les cylindres en "tonneau" lorsque la bielle est articulée sur le piston) sur les crémaillères sont symbolisés par les grosses flêches rouges :

Si des centaines de concepts de moteurs à taux de compression variable ont été imaginés, brevetés et parfois expérimentés, la grande majorité n’est pas viable au plan fonctionnel, économique ou industriel.

Tenant compte des enjeux économiques et stratégiques que représente la production de moteurs VCR, il est nécessaire de disposer d’une technologie qui offre le meilleur compromis possible entre fonctionnalités et prix de revient. Ceci est indispensable pour se prémunir de toute impasse technique, économique ou commerciale future.

Dans ce contexte, évaluer l’intérêt d’un moteur à taux de compression variable ne se limite pas à vérifier, si oui ou non, il permet de faire varier le volume de la chambre de combustion et le taux de compression : tous les concepts VCR le font. Une technologie VCR se juge sur son étendue de contrôle, sur sa précision, sur sa dispersion maximale de rapport volumétrique entre deux cylindres, sur sa rapidité et sur sa flexibilité (possibilité de régler finement le rapport volumétrique cylindre à cylindre, en boucle fermée par détection de cliquetis ou par mesure de la pression cylindre).

L’évolutivité d’un moteur VCR dépend de ses fonctionnalités

Ce premier ensemble de critères conditionne l’efficacité à long terme du VCR et constitue la clé de l’évolution des moteurs vers les meilleurs niveaux de performances, de consommations et d’émissions. C’est aussi de ce premier ensemble de critères que dépendent le risque et la pérennité des investissements nécessaires à la production de moteurs VCR.

Cependant, même si un concept VCR offre des fonctionnalités avancées pour contrôler le rapport volumétrique, il reste inexploitable s’il présente des défauts rédhibitoires tels qu’une robustesse ou une durée de vie insuffisante, des pertes par frottement ou des émissions vibro-acoustiques excessives, un encombrement trop important ou une plage de régime trop étroite. En outre, un moteur difficile à intégrer dans les véhicules ou qui présente une aérodynamique interne différente de celle des moteurs classiques (notamment celle induite par la cinématique de piston) constitue un risque stratégico-économique majeur : il peut cacher des surcoûts, des limites de rendement, voire des impossibilités fonctionnelles qui ne sont pas immédiatement visibles.

Dans ce contexte, la technologie MCE-5 n’est pas la moins chère à produire, en revanche, elle est la plus sûre car elle apporte toutes les garanties recherchées. D’un point de vue fonctionnel, le MCE-5 ne fixe aucune limite au développement et à l’évolution des moteurs VCR : contrôle précis du taux de compression sur une plage étendue de 7:1 à 18:1, écarts de taux de compression de cylindre à cylindre de l’ordre du centième de millimètre et réactivité de 50 à 80 ms (temps nécessaire pour parcourir toute la course de contrôle). Le MCE-5 propose aussi d’emblée les fonctionnalités avancées qui seront cruciales pour l’avenir : chaque cylindre peut être piloté séparément par commande électrique individuelle ou par commande électrique commune et moteur d’offset individuel. Même si les premières versions du MCE-5 ne valorisent cette fonction qu’au montage du moteur, pour compenser les dispersions de taux de compression entre les cylindres, les futures versions utiliseront cette flexibilité pour évoluer vers une efficacité et un rendement maximums.

MCE-5 : le VCR toutes options

Le MCE-5 résout un autre problème propre aux moteurs VCR : quand ils ne modifient pas le comportement aérothermique, la plupart des concepts VCR induisent une augmentation des pertes par frottement, une diminution de la longévité ou une réduction de la robustesse. Ceci provient du fait que le contrôle du volume de la chambre de combustion induit une complexification de composants soumis à des contraintes mécaniques élevées.

Un moteur VCR doit être au minimum robuste et durable

À l’inverse, la technologie MCE-5 présente une robustesse, une longévité et un rendement mécanique améliorés. Comparativement à un moteur conventionnel, la rigidité de ses macro-éléments fixes ou mobiles est plus élevée et son piston est guidé sur roulement afin de réduire les frottements, le blow-by, le bruit et la consommation d’huile. Contrairement à d’autres concepts VCR, l’architecture du MCE-5 n’a pas de conséquences sur l’intégration des moteurs dans les véhicules et sa cinématique de piston reste strictement identique à celle des moteurs conventionnels.

Ces caractéristiques garantissent l’efficacité et l’évolutivité des futurs moteurs VCR et par là-même, la pérennité et la sécurité des investissements nécessaires à leur industrialisation. Ceci justifie les efforts consentis par la société MCE-5 DEVELOPMENT et ses partenaires pour identifier les procédés de production en grande série de la technologie MCE-5 qui offrent le meilleur compromis technico-économique.

Si l’on compare les différents concepts VCR existants, les plus faciles à produire sont ceux basés sur des bielles additionnelles placées entre le piston et le vilebrequin et raccordées au bloc-moteur. Malheureusement, ces concepts sont loin d’apporter les mêmes garanties, la même efficacité et la même évolutivité que la technologie MCE-5.

Le MCE-5 se distingue de toute autre technologie VCR en ce qu’il associe un système bielle-manivelle et un système roue-crémaillères. Cette particularité en fait une innovation à part entière dont les brevets n’ont jamais été antériorisés. Le système bielle-manivelle du MCE-5 étant connu en soi, c’est la roue de transmission et les crémaillères qui restent au cœur de sa problématique de fabrication en série. Les autres composants, qu’il s’agisse du carter-cylindre, de la culasse, du piston, de la bielle ou du vilebrequin, ne relèvent d’aucune difficulté particulière de même que les vérins de commande, les vérins presseurs ou les rouleaux synchronisés qui sont essentiellement constitués de pièces de révolution à géométrie simple.

Bielle, manivelle et engrenages sont les fondements du MCE-5

La roue de transmission est une pièce particulièrement ouvragée et dissymétrique. Elle comporte 4 dents chargées soumises à la pression des gaz et aux efforts d’inertie au Point Mort Haut (PMH), et 4 dents peu chargées soumises aux seuls efforts d’inertie au PMB (figure 3). Les dents peu chargées sont plus étroites côté cylindre afin de pénétrer à l’intérieur de celui-ci et de réduire la hauteur du moteur. Du côté crémaillère de commande, les dents peu chargées sont également plus étroites mais pour une raison différente : il s’agit de replacer le centre de gravité de la roue sur son axe de rotation.

La roue comporte également des pistes de roulement (figure 4) qui coopèrent avec les pistes de roulement des crémaillères de piston et de commande. En outre, le logement prévu pour le pied de bielle comporte des faces d’arrêt axial. Les dentures, la piste de roulement, les faces d’arrêt axial de bielle et l’alésage de l’axe de la roue constituent l’ensemble des surfaces fonctionnelles de la roue.

L’approche retenue est la mise en forme de la roue complète par forgeage. Ce procédé permet d’obtenir directement les faces latérales de la roue avec ses poches d’allègement et d’ébaucher le trou d’axe et la géométrie des dents. L’évidement central, qui n’est pas réalisable par forgeage, est obtenu par fraisage avec des niveaux de précision faibles (surfaces non fonctionnelles). Les faces de guidage axial de bielle sont également réalisées par fraisage avec peu d’exigences dimensionnelles.

La forge au centre de la fabrication de la roue et des crémaillères

Le trou d’axe de roue est alésé et permet de monter l’axe fretté ou emmanché à température ambiante dans la roue pour réaliser l’assemblage bielle-roue.

Les dents de la roue peuvent être réalisées de deux façons selon la précision atteinte par l’opération de forgeage : taillage demi-finition puis rectification ou rectification seule après cémentation-trempe. Ce choix sera fait à l’issue de l’étude menée par l’ENSAM et ASCOFORGE SAFE dont un des objectifs est l’obtention des dentures en classe de qualité 7 (norme ISO 1328) par calibrage à froid (forge). Le recours à la rectification permet quant à elle d’obtenir une qualité 5 plus conforme aux niveaux de précision recherchés. La qualité finale requise pour les dents devra être analysée sur une période de temps plus longue, ce qui permettra d’optimiser la gamme de fabrication.

Les gorges dans lesquelles sont montées les pistes de roulement sont rectifiées après finition des dentures. Les pistes de roulement sont ensuite positionnées dans la gorge et fixées par soudage. Les efforts appliqués aux pistes de roulement sont repris par le fond de gorge, les soudures n’assumant qu’une fonction de maintien. Le soudage des pistes de roulement est réalisé par faisceau d’électrons, procédé applicable à la grande série dans la mesure où l’opération est automatisée par lots de plusieurs milliers de pièces (soudage réalisé sous vide).

Une dernière rectification cylindrique permet de finir les pistes de roulement au diamètre recherché tenant compte de la cote des dentures elevée sur pige. Ceci permet de fixer l’entraxe entre la roue et les crémaillères afin d’obtenir un jeu fonctionnel aux dentures de l’ordre de 10 à 15 microns.

La production en série de la crémaillère de piston et celle de la crémaillère de commande relèvent toutes les deux d’une problématique similaire. La principale difficulté réside dans la réalisation des dentures qui constituent des alvéoles non débouchantes qui n’offrent aucun dégagement pour une fraise de taillage ou une meule de rectification. Par contre, la forme générale de la pièce se prête particulièrement bien au forgeage duquel il est attendu une précision maximale sur les dentures et leurs rayons de raccordement.

L’étude menée par l’ENSAM et ASCOFORGE SAFE a déjà permis de valider la forgeabilité à mi-chaud de la crémaillère de piston en cinq opérations. La gamme de forgeage se termine par un calibrage à froid des dentures, cette dernière opération permettant de porter les dentures en qualité 7 après traitement thermique (voir norme ISO 1328).

Cette précision déjà élevée obtenue sur les dents après calibrage à froid pourrait possiblement suffire en production de grande série. Cependant, tenant compte du fait que les émissions acoustiques du moteur dépendent directement du jeu entre les dents de la roue et celles des crémaillères, une finition par usinage électrochimique de précision de la face fonctionnelle plane des dentures (figure 6) est prévue sur les véhicules prototypes MCE-5 livrables en 2007 : cette finition permet d’atteindre une classe de qualité 5 identique à celle de la roue. Cette finition pourra être conservée en production de grande série pour obtenir un niveau acoustique le plus faible possible.

Le jeu aux dentures est maintenu entre 10 et 15 microns

Le temps de cycle total nécessaire à l’opération d’usinage électrochimique pour passer les dentures des crémaillères de qualité 7 à qualité 5 est d’environ une minute avec un enlèvement de matière de l’ordre de trois centièmes de millimètre.

L’usinage électrochimique dit “de précision” possède des avantages remarquables : rapidité, précision et coût d’exploitation réduit. Il repose sur l’enfonçage d’une électrode de forme en laiton qui ne s’use pas (sa durée de vie est infinie) et qui assure une parfaite répétabilité. La précision de ce mode d’usinage est telle que les motifs de rugosité de l’électrode se retrouvent reproduits sur la pièce usinée (précision d’une fraction de micron).

L’usinage électrochimique classique est utilisé en grande série par divers constructeurs notamment pour la finition des pièces de forme complexe comme les manchons de crabotage de boîtes à vitesses. Cependant, la précision de ce procédé reste limitée à plusieurs centièmes de millimètre. L’usinage électrochimique “de précision” se distingue de l’usinage électrochimique classique en ce que l’électrode est portée par un support vibrant assurant une variation de distance cyclique (gap variable) entre l’électrode et la pièce à usiner. Ceci permet d’évacuer plus efficacement l’électrolyte chargé de métal, de maintenir l’électrode à une distance moyenne beaucoup plus faible lors de l’enlèvement de matière, et d’atteindre des précisions micrométriques.

Les sociétés SERMATEC et PEM Tech, partenaires du programme MCE-5, sont spécialisées dans ces procédés d’usinage.

La mise en forme des autres surfaces fonctionnelles de la crémaillère de piston ou de la crémaillère de commande fait appel à des procédés conventionnels. Parmi ces surfaces fonctionnelles, les dents de la crémaillère de synchronisation au dos de la crémaillère de piston seront obtenues par taillage ou par formage à froid. Lorsque la crémaillère de piston est terminée, elle est assemblée par vissage avec le piston en alliage léger, les embrèvements de soupapes sont ensuite usinés sur la calotte du piston.

On peut noter que le rouleau synchronisé peut être réalisé monobloc ou en en trois parties assemblées par frettage ou par soudage par résistance. La précision requise pour les dentures du rouleau reste faible.

SUR LE PLAN FINANCIER...

Tenant compte de ses coûts de production, rouler en VCR MCE-5 sur 200 000 km, c’est 8 000 € d’économies pour le client final

Le surcoût du MCE-5 par rapport à un moteur conventionnel de cylindrée équivalente sera de l’ordre de 250 €. Une fois ajoutés ses auxiliaires électriques et hydrauliques, le prix total de lancement en grande série du MCE-5 sera de l’ordre de 3000 €. Les opportunités de réduire ce prix étant nombreuses, il n’est pas exclu de pouvoir rapidement atteindre un surcoût total compris entre 200 et 250 € à cylindrée égale.

À puissance équivalente et tous auxiliaires inclus (suralimentation, échangeurs, etc.), un MCE-5 sera environ 200 € moins cher à produire qu’un V6 essence de puissance équivalente et environ 1 500 € moins cher à produire qu’un Diesel. Au prix du carburant vendu en France en mars 2006, un consommateur qui opterait pour l’achat d’un MCE-5 au lieu d’un V6 essence réaliserait déjà une économie de près de 8 000 € sur 200 000 km. Lorsque seront produits les premiers VCR MCE-5 (entre 2012 et 2015), le prix du carburant pourrait encore augmenter l’intérêt économique d’une telle technologie, tant pour les constructeurs automobile que pour leurs clients.

:cheers: Daniel intéressant , difficilement assimilable pour un non mécano, mais instructif..

Merci Daniel pour ce très intéressant exposé sur la conception du moteur MCE-5.
On voit bien aux détails de fabrication évoqués qu'il ne s'agit pas d'une chimère et que ce projet a fait l'objet du parcours classique et nécessaire, avec les revues critiques de conception où toutes les questions (même parfois les plus farfelues) ont été posées et ont eu des réponses.
Ceci dit, il y a des astuces de réglage (comme par exemple les pistons destinés à assurer en permanence un jeu nul des engrenages) qui ne doivent pas être faciles à maîtriser.
Autre point, l'article se conclue sur une note assez optimiste quant aux économies réalisées, reste à confirmer dans l'avenir.
"Wait and see" comme disent nos collègues d'outre-Manche.

Et l'embrayage sera du type "double tranche de jambon" travaillant dans le saindoux; couplée à une boite de vitesses à dégouginage progressif sous tendu par ressorts de rappel en plastic-bois entièrement forgés à la meule....

Bon sérieux, c'est super et comme dit Claude il faut lire et relire pour bien comprendre ... 'reusement y a les gifs !

Sympa ce pignon denté ... bruyant peut-etre ???

Lorsque j'ai commencé à m'intéresser à ce projet, la question du bruit de fonctionnement m'a interpelé en observant ce secteur denté engrenant deux crémaillères : la principale sous le piston et la secondaire pour le réglage du taux de compression.

Lorsqu'on lit la manière dont le bureau d'étude à résolu le problème, on ne peut qu'être admiratif devant les solutions techniques adoptées. Les forces latérales qui s'exercent sur le piston dans un moteur classique sont reportées sur les crémaillères du moteur MCE-5. Les crémaillères et particulièrement la principale se déplacent sur un rouleau intermédiaire roulant sur une piste dont l'effort latéral sur le carter moteur est repris par un vérin hydraulique, latéral lui aussi. Les dentures sont réalisées avec un très faible jeu de fonctionnement et entre deux demi-dents, il y a sur le secteur denté une piste de roulement cylindrique qui s'appuie sur un piste de roulement rectiligne usinée entre les demi-dents de la crémaillère : regardez les photos car une simple description écrite "parle" moins bien qu'un bon dessin ou une photo des pièces en contact.

Ce nouveau moteur prometteur fourmille d'idées astucieuses. Si des grands constructeurs, tel PEUGEOT mais ce n'est pas le seul, s'y intéressent, c'est qu'il ont déjà pesé le pour et le contre. PEUGEOT va "torturer" le système sur route, dans toutes les conditions climatiques, pour s'assurer de la viabilité de l'engin. On peut leur faire confiance, s'ils l'adoptent définitivement, c'est que tout le monde y trouvera son compte.