Le Nouvel Automobiliste

Moteur à taux de compression variable : quel intérêt ?

Il y a quelques mois, Infiniti annonçait le premier moteur essence de série à taux de compression variable. Il a également été présenté au Mondial de l’Automobile à Paris début octobre.

En quoi cette technologie est intéressante ?

Les bases

Commençons par le début : vous savez que le fonctionnement d’un moteur met en jeu un ensemble mobile constitué entre autres d’un vilebrequin, de bielles et de pistons.

Le piston monte et descend, alternativement : lorsqu’il est à sa position la plus haute, on dit qu’il est au point mort haut (PMH). Lorsqu’il est à sa position la plus basse, il est (très judicieusement) au point mort bas (PMB).

La course d’un moteur est la distance entre le PMB et le PMH. L’alésage d’un moteur est le diamètre du cylindre. La cylindrée unitaire d’un moteur (notée V et représenté en jaune sur le schéma en dessous) est le volume du cylindre dont le diamètre est l’alésage et la hauteur la course. On a donc V=Pi*Alésage2/4*Course. La cylindrée est la somme de toutes les cylindrées unitaires. On a donc Cylindrée=V*nombre de cylindres.

Lorsque le piston est au PMH, le volume de la chambre de combustion est appelé le volume mort (noté v et représenté en rouge sur le schéma en dessous).

Le taux de compression (qu’on appelle également rapport volumétrique de compression, RVC) se calcule de la façon suivant : RVC=(V+v)/v.

taux_de_compression

Pour une cylindrée donnée, le taux de compression est donc uniquement lié au volume mort. Plus ce dernier est petit, plus le taux de compression est élevé. Il est important de noter que tel qu’on l’a défini, le taux de compression est géométrique. Le taux de compression réel, qu’on appelle taux de compression effectif varie très souvent du taux de compression géométrique. En effet, la fermeture des soupapes d’admission n’a que très rarement lieu exactement au PMB. La cylindrée n’est donc pas totalement exploitée, le taux de compression effectif est donc inférieur au taux de compression géométrique.

Pour notre problématique, il n’est pas nécessaire de raisonner en taux de compression effectif : gardons en tête uniquement le taux de compression géométrique.

Quel lien entre le taux de compression et le rendement du moteur ?

Petit rappel du cycle thermodynamique d’un moteur à allumage commandé, appelé cycle Beau-de-Rochas

1-2 : les soupapes d’admission sont ouvertes. Le piston descend du PMH vers le PMB, en aspirant les gaz frais. C’est l’admission. Arrivé au point 2, les soupapes d’admission se ferment.

2-3 : toutes les soupapes sont fermées. Le piston monte du PMB vers le PMH, en comprimant les gaz frais. C’est la compression.

3-4 : l’allumage se déclenche. C’est la combustion.

4-5 : toutes les soupapes sont encore fermées. La pression pousse le piston du PMB vers le PMH. C’est la détente.

5-6 : les soupapes d’échappement s’ouvrent.

6-1 : les soupapes d’échappement sont ouvertes. Les gaz sont refoulés par la montée du piston. C’est l’échappement.

image_cycle_taux_compression

On retrouve ces différentes étapes sur le diagramme pression/volume ci-dessous. Vous l’aurez compris, le taux de compression a un impact sur les phases de compression (2-3) et de détente (4-5).

cycle_taux_compression

Le rendement du cycle Beau de Rochas est :

rendement_rochas

Il est donc très simple et fait apparaître uniquement 2 paramètres :

  • le taux de compression RVC
  • le coefficient adiabatique du gaz concerné

En fixant ce dernier coefficient, on peut donc facilement obtenir l’évolution du rendement thermodynamique théorique en fonction du taux de compression :

taux_compression

Deux remarques nous viennent rapidement :

  • plus le RVC est élevé, plus le rendement est élevé
  • le gain en rendement s’estompe lorsqu’on arrive vers des RVC élevés. Par exemple, en passant d’un RVC de 8 à 9, on passe d’un rendement de 56,5 à 58,5%, soit 2,0 points de rendement en plus. En passant d’un RVC de 14 à 15, le rendement passe de 65,2 à 66,1%, soit seulement 0,9 point de rendement en plus.

Quand on voit ce graphique, le choix est vite fait : on choisit un taux de compression élevé pour maximiser le rendement. Malheureusement, ce n’est pas si simple et un phénomène impose un compromis : c’est le cliquetis.

Le cliquetis

Le cliquetis est un phénomène d’auto-inflammation auquel le mélange air-carburant est soumis lorsqu’il se trouve dans des conditions de pression et de température élevées.

Avec la même température et la pression lors de la fermeture des soupapes d’admission, la pression et la température augmentent d’autant plus pendant la phase de compression que le RVC est élevé. Sur les graphiques ci-dessous, vous avez l’évolution de la pression et de la température dans la chambre de combustion pendant la phase de compression pour différents RVC.

Par exemple en passant d’un RVC de 9 à 10, la pression au PMH augmente de quasiment 7 bar et la température de 31°C. On avance donc fortement le moment où le mélange va s’auto-enflammer.

 

En fait le cliquetis est un combat entre la vitesse de combustion et l’auto-inflammation du mélange. Si la combustion est rapide : le mélange n’a pas le temps de s’auto-enflammer. Si la pression et la température sont trop élevées, une partie du mélange peut s’auto-enflammer avant que la flamme l’atteigne.

Que faire contre le cliquetis ?

Pour lutter contre le cliquetis, il y a de nombreuses possibilités. Certaines concernent la géométrie même du moteur (forme de la chambre de combustion, refroidissement, qualité du mélange, …) d’autres concernent le réglage. Dans la dernière catégorie, la plus simple est de retarder l’avance à l’allumage : plus simplement, ça veut dire qu’on allume plus tard qu’on le ferait pour avoir un rendement optimal. Ca a pour effet de faire baisser la température et la température du mélange qui n’a pas encore brulé lors de la combustion. Par contre, l’effet négatif est que le rendement est dégradé.

Le taux de compression, une histoire de compromis

Je pense que vous comprenez ici toute la difficulté du choix du taux de compression : un taux élevé est très bon pour le rendement pour les faibles charges par contre pour les charges moteurs les plus élevées (c’est à dire quand la pédale d’accélérateur est bien enfoncée) on va avoir beaucoup de cliquetis et donc un rendement mauvais car on va être obligé de dégrader l’allumage. Si par contre on opte pour un taux de compression faible, on va avoir un rendement plutôt mauvais sur les faibles charges mais un rendement relativement bon sur les charges élevées.

L’idéal est donc de d’adapter le taux de compression pour chaque point de fonctionnement : tout le monde l’a compris mais les difficultés que représente un tel système ont jusqu’à présent empêcher sa commercialisation en grande série. Parmi ces difficultés on peut retrouver bien entendu le coût de la technologie, son encombrement, sa masse mais aussi son temps de réaction et la difficulté à régler le système pour une utilisation dans des conditions réelles.

Dans la vraie vie

Je ne vais pas détailler toutes les possibilités car ce n’est à mon humble avis pas le plus intéressant mais l’entreprise française MCE-5 travaille depuis de (très très) nombreuses années sur le sujet et propose le système suivant :

Infiniti propose un système totalement différent, mais avec la même finalité. Cette animation permet de bien comprendre leur philosophie :

Pour l’instant, Infiniti ne communique pas sur des chiffres de consommation réels sur véhicule. Attendons la commercialisation et l’essai de cette technologie pour réellement juger du bénéfice réel par rapport au théorique !

Si vous voulez aller un peu plus loin dans le cliquetis et que vous n’est pas anglophobe, je vous conseille cette vidéo (et plus globalement cette chaine YouTube) :

Quelques informations également sur la différence entre le carburant SP95 et SP98 qui fait encore intervenir cette problématique de cliquetis : http://www.engineworld.fr/pourquoi-mettre-du-sp98-dans-sa-voiture/

 

Crédits images / photos :

http://alex.carpent.free.fr/taux_de_compression.jpg

http://www.bricolovert.fr/dossier/1/coconimages/cycle_4t.jpg

http://www.mce-5.com/index.html

http://infinitinews.com/en-US/infiniti/usa/channels/us-infiniti-technology-vc-turbo-engine/releases/infiniti-vc-turbo-the-world-s-first-production-ready-variable-compression-ratio-engine