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RÉSUMÉ
Le rendement thermodynamique d'un moteur à combustion interne est une fonction croissante du rapport volumétrique de compression. Mais dans les zones de faibles charges, le fonctionnement du moteur s'éloigne de ce cycle théorique. Les bénéfices d'un dispositif de rapport de compression variable sont prépondérants dans ces zones. Aucun véhicule n'est aujourd'hui doté en série d'un moteur à rapport volumétrique de compression variable, du fait de sa complexité de réalisation et des coûts supplémentaires engendrés. Cependant, l’application de cette technologie dans l’automobile est envisagée dans les années à venir.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre PODEVIN : Ingénieur de recherche au Conservatoire national des arts et métiers
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Adrian CLENCI : Maître de conférence à l'université de Pitesti (Roumanie)
INTRODUCTION
Le rendement thermodynamique d'un moteur à combustion interne est une fonction croissante du rapport volumétrique de compression, que ce soit pour les moteurs à allumage par compression, « moteur Diesel » ou les moteurs à allumage commandé « moteur à essence ».
Malheureusement, il n'est pas possible d'augmenter indéfiniment celui-ci du fait d'autres contraintes :
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pressions de fin de combustion trop élevées incompatibles avec les charges admissibles par le moteur ;
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risque d'une baisse du rendement global du moteur notamment par la chute du rendement mécanique ;
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risque d'une auto-inflammation du mélange dans le cas du moteur à essence qui, en général, doit être évitée.
Ce rendement thermodynamique est défini par rapport au cycle thermodynamique théorique du moteur. Dans les zones de faibles charges, le fonctionnement du moteur s'éloigne de ce cycle théorique. La pression de fin de compression n'est plus directement liée au rapport volumétrique de compression et dépend fortement de la charge et du régime de rotation du moteur. Les bénéfices d'un dispositif de rapport de compression variable (VCR : Variable Compression Ratio) seront prépondérants dans ces zones. L'augmentation du rapport volumétrique de compression permettra de rétablir la pression de fin de compression à la valeur requise pour un fonctionnement optimisé du moteur ; cette valeur pouvant être guidée par des impératifs de consommation ou de pollution.
Dans le cas de l'automobile, une situation de très faibles charges est rencontrée en circulation urbaine. Elle est surtout préjudiciable au moteur à allumage commandé du fait d'une régulation de la charge réalisée principalement par le vannage de la quantité d'air admise.
Les potentialités d'un rapport volumétrique de compression variable pour le moteur Diesel ne sont pas aussi importantes mais l'application de cette technologie pour ce type de moteurs n'est cependant pas dénuée d'intérêt.
Les avantages et bénéfices d'un rapport volumétrique de compression variable sont connus depuis fort longtemps. Dès 1932, un premier brevet a été déposé et depuis, ces dernières années, on assiste à une explosion de solutions de moteurs à rapport de compression volumétrique variable. Aucun véhicule n'est aujourd'hui doté en série d'un moteur à rapport volumétrique de compression variable, du fait de sa complexité de réalisation et des coûts supplémentaires engendrés. Cependant, compte tenu des contraintes futures en terme de réduction des émissions de CO2 des véhicules automobiles, l'EUCAR (European Council for Automotive R&D) envisage l'application de cette technologie dans les années 2015.
Après une étude détaillant l'intérêt de la compression variable et les moyens pour réaliser celle-ci, les différentes solutions constructives proposées seront présentées.
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3. Solutions constructives
Si l’intérêt pour la compression variable est tout à fait facile à comprendre et à accepter, la réalisation pratique est avant tout un défi d’ordre technologique. Les solutions mécaniques qui permettent la variation automatique et continue du rapport volumétrique de compression sont nombreuses mais présentent toutes des avantages et des inconvénients. Toutefois, dans le contexte d'un débouché rapide sur le marché de la technique du taux de compression variable, certains paramètres constructifs doivent être respectés :
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pièces conventionnelles (conservation des acquis en matière de techniques de fabrication, dimensionnement mécaniques, caractéristiques de matériaux, fiabilité…) ;
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chambre de combustion, cinématique du mécanisme moteur qui ont fait l’objet d’un siècle de mise au point ;
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réponse dynamique du moteur (les systèmes de pilotage trop lents ne sont pas acceptables, surtout pour les systèmes fortement suralimentés) ;
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rigidité, encombrement, poids …. ;
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rapport coût/performances : c'est certainement un des paramètres les plus importants qui a été jusqu'à aujourd'hui le principal frein à la réalisation de moteurs à rapport volumétrique de compression variable.
Quelques exemples de solutions constructives sont présentés ci-après.
3.1 Modification du volume de la culasse
Le système Ford (figure 19) prévoit la mise en communication d'une chambre de combustion auxiliaire par l'intermédiaire d'une soupape . Cette solution a été préconisée surtout comme dispositif anti-cliquetis mais aussi comme moyen d'ajustement du taux de compression en contrôlant le déplacement de la soupape dans son orifice.
L'extrapolation de ce système conduit aux solutions présentées par Volkswagen et PSA, obtenues par le déplacement d'un piston au sein de la culasse (figures 20 et ). Le piston reçoit aussi la bougie d'allumage, ce qui permet de conserver le confinement de la combustion...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRATADOUR (M.) - Moteurs thermiques. Introduction aux moteurs alternatifs - [B 2500], Techniques de l'Ingénieur. (1995)
-
(2) - GUIBERT (P.) - Modélisation du cycle moteur. Approche zérodimentionnelle - [BM 2510], Techniques de l'Ingénieur. (2005)
-
(3) - PICARD (S.) - * - La Revue n° 16 - Musée des Arts et Métiers
-
(4) - TRAPY (J.) - Moteur à allumage commandé - [BM 2540], Techniques de l'Ingénieur.
-
(5) - CLENCI (A.) - Recherches sur l'amélioration du fonctionnement aux charges partielles d'un moteur à allumage commandé, par compression variable - Thèse de doctorat de l'Université de Pitesti - 2003
-
(6) - MAY (M.) - The high compression lean-burn spark ignited 4-stroke engine - IMech C97/1979
- ...
ANNEXES
http://www.mce-5.com, vcr engines principles
http://www.auto-innovations.com, dossiers : Les moteurs à rapport volumétrique variable
http://www.fev.com, vcr engine
http://www.unece.org/, traverse engine
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