Il protège le cylindre - MCE-5

MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Il protège le cylindre
Si rien n’est fait pour l’en empêcher, un moteur VCR impose de
nouvelles contraintes pour le cylindre : le flux thermique le
traversant est plus élevé du fait d’une puissance spécifique
accrue, les efforts latéraux exercés par la bielle sont accrus à la
fois par l’augmentation de la PME (Pression Moyenne Effective)
et par l’augmentation de la pression cylindre culminant aisément
à 130 bar. Un autre point caractérise les moteurs VCR : le point
de rebroussement du piston est variable en altitude, avec des
conséquences néfastes potentielles pour la segmentation.
Efforts radiaux sur jupe de piston 3000 tr/min - PMI 10 bar
3000
Mitsubishi 4A91
2500
MCE-5
Effort (N)
2000
1500
1000
500
Sur les moteurs à essence très chargés, la forte PME à bas
régimes est essentiellement obtenue par l’étalement de la
pression, non par l’augmentation de la pression absolue.
0
90
180
270
360
450
540
630
720
-500
-1000
En d’autres termes, la pression n’est pas significativement plus
élevée, mais elle « dur e» plus longtemps. Ceci se traduit par un
effort plus élevé appliqué par la bielle sur la jupe de piston et sur
le cylindre. En effet, la bielle est déjà fortement inclinée alors que
règne encore une forte pression dans le cylindre. À hauts
régimes, sur un moteur VCR hard downsizé, il se rajoute à cet
effet une augmentation significative de la pression absolue en
plus de l’augmentation de la vitesse de glissement. En outre, le
« piston slap » – phénomène brutal de basculement du piston
lorsque la bielle change de sens d’orientation – devient plus
violent. Il en résulte potentiellement une altération locale de la
microgéométrie de surface du cylindre, voire une ovalisation par
usure du cylindre au niveau du premier segment.
Angle vilebrequin (°)
L’effort radial moyen que subit le piston du MCE-5 VCRi est entre 10 et 100
fois plus faible que celui que subit un piston de moteur conventionnel
De plus, le MCE-5 VCRi élimine le « piston slap ». Cette
caractéristique améliore le fonctionnement de la segmentation
dans la partie haute du cylindre : les segments ne basculent plus
lorsque le piston se déplace à très faibles vitesses dans la partie
du cylindre la plus chaude, la plus sèche et la plus polluée.
Il est difficile de quantifier exactement les avantages attendus
de la protection naturelle du cylindre que procure le MCE-5
VCRi, toutefois, on peut en lister les opportunités. Par exemple,
une réduction de la déformation du cylindre est envisageable.
Sur un moteur classique, cette déformation résulte
principalement de trois effets. Le premier effet est d’origine
thermique à cause des variations locales de température. Le
Pour gérer ces contraintes, le MCE-5 VCRi apporte de nouvelles
opportunités : la bielle ne prend plus appui sur le cylindre, mais
sur un dispositif à roulement pur. De ce fait, le cylindre est moins
sollicité en flexion.
90
Cylinder pressure (bar)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
Crank angle (°)
GDI turbo - 2000rpm - 25bar BMEP
GDI NA - 2000rpm - 13bar BMEP
L’augmentation de couple spécifique des moteurs fortement downsizés s’opère principalement par
étalement de la pression cylindre, avec pour conséquence une plus forte sollicitation du cylindre
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MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Conventional
MCE-5
-Fg
β= Gear teeth pressure angle
Et = 2xOAxFtg
A
-Fgxtgβ
Ftg
L
Fg
+
Fgxtgβ
α
2x Fg
Fbg
Et
Ftg
r
R
O
-Ftg
Fbg
Fbg
α
2 xF g
Les efforts dus à l’obliquité de la bielle ordinairement repris
par le frottement entre le piston et le cylindre
sont repris en roulement pur sur le MCE-5 VCRi
deuxième est d’origine mécanique à cause du serrage de la
culasse, de la pression des gaz et de l’appui de bielle. Enfin, le
troisième effet est dû à l’abrasion du cylindre qui cause de
l’usure, particulièrement dans la zone affectée par le
« piston slap » (ovalisation locale).
La technologie MCE-5 VCRi réduit les efforts latéraux de bielle
d’un facteur 100 en moyenne et d’un facteur 10 dans les cas les
plus défavorables (taux de compression faibles avec un fort
décalage du rouleau synchronisé). De ce fait, le haut de cylindre
du moteur est moins sollicité en flexion ce qui laisse envisager
la possibilité d’en réduire l’effort de serrage et d’en réduire
l’épaisseur de la partie la plus chaude, de sorte à favoriser une
circulation du liquide de refroidissement sur 360°. Actuellement,
les cylindres des moteurs se touchent de sorte que le
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Les contraintes de conception des pistons et cylindres du MCE-5 VCRi
sont considérablement réduites par rapport à l’état de l’art,
conduisant ainsi à de nouvelles performances accessibles
refroidissement n’est pas uniforme. Un « coup de scie » ou un
orifice est prévu dans la partie haute des cylindres des moteurs
les plus chargés : ces aménagements améliorent le
refroidissement et limitent la déformation. Dans le cas du MCE-5
VCRi, il serait probablement envisageable de prévoir des
chemises indépendantes et juxtaposées, refroidies sur tout leur
pourtour au moins dans leur partie haute.
Réduction potentielle du serrage, amélioration du
refroidissement sur 360° et élimination du « piston slap » sont de
nature à améliorer la géométrie du cylindre du MCE-5 VCRi.
Ceci sera l’opportunité de réduire la tare statique des segments
et les frottements du moteur tout en en pérennisant le
fonctionnement.
L’élimination du « piston slap » est également un facteur de
pérennisation des moteurs VCR pour une autre raison. En effet,
les variations d’altitude du piston des moteurs VCR font que la
zone du cylindre affectée par le « piston slap » varie en altitude
et est plus étalée. De ce fait, à haut taux de compression, les
segments peuvent passer à vitesse élevée sur ces parties qui
ont été altérées par le « piston slap » lorsque le moteur
fonctionne à bas taux de compression. Ce problème est éliminé
sur le MCE-5 VCRi.
En conclusion, du fait de sa capacité à protéger naturellement
son cylindre à très fortes charges, la technologie MCE-5 VCRi
possède un potentiel intéressant pour améliorer les conditions
de fonctionnement, la durée de vie et l’efficacité énergétique de
l’ensemble piston-segments-cylindre.
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