Moteur MCE-5 - Définition

Introduction

Un moteur MCE-5 (de l'anglais « Multi Cycle Engine - 5 parameters ») est un type de moteur à compression variable VCR (Variable Compression Ratio).

Il s'agit d'un moteur fonctionnant sur le principe d'un moteur à allumage commandé dont le volume de la chambre de combustion varie continûment en fonction de la charge du moteur. Pour cela, le moteur utilise un mécanisme classique bielle-manivelle associé à des engrenages à longue durée de vie, réalisant un piston à la cinématique parfaitement verticale, débarrassée des contraintes radiales, principale source de frottements.

Co-financé par l'État français, le moteur MCE-5 a nécessité près de 20 millions d'euros d'investissements et a mis en pratique les connaissances de 45 sociétés européennes. La priorité de la société MCE-5 est la commercialisation en grande série à moyen terme. Les premiers moteurs MCE-5 VCRi pourraient apparaître d'ici 2012 sur les modèles automobiles Peugeot, la marque française en ayant acquis une licence.

Principe

Dessin fonctionnel du principe du moteur MCE-5.

Le moteur MCE-5 est moteur à allumage commandé, fonctionnant grâce à la combustion du mélange air-essence selon le principe thermodynamique développée par Beau de Rochas. Il s'agit de surcroit d'un moteur VCR (« Variable Compression Ratio ») dont le taux de compression varie en fonction du régime moteur et de la charge en faisant varier le volume de la chambre de combustion.

Ces moteurs présentent un meilleur rendement thermodynamique en raison de l'augmentation de pression lors de la combustion. En effet, les lois thermodynamiques démontrent que plus la pression dans la chambre est élevée, meilleur est le rendement. Cependant, les moteurs à allumage commandé sont sensibles au phénomène de cliquetis, si bien qu'il est impossible d'augmenter indéfiniment la compression. Les moteurs classiques calculent le taux de compression en fonction de l'apparition du cliquetis à pleine charge et à haut régime. Les moteurs VCR permettent de compenser le faible taux de compression en bas régime et/ou à faible charge en faisant varier ce taux. La puissance et le couple à bas régime s'en trouvent pas conséquent améliorés et les émissions de polluants réduits.

L'avantage du moteur MCE-5 par rapport aux autres systèmes de compression variable est qu'il n'y a plus aucune poussée latérale sur le piston, d'où un important gain de frottements et une usure moindre pour une meilleure fiabilité. La roue dentée faisant levier, la course du piston est le double de la course de la tête de la bielle, permettant un vilebrequin plus compact. Le surcoût de ce type de moteur est généralement faible à négatif selon la configuration. Néanmoins, le système de crémaillère augmente les masses mobiles et l'inertie tandis que les efforts sur l'embiellage sont doublés d'où d'importantes contraintes mécaniques et un doublement des pertes par frottement sur les paliers.

Anatomie

Roue de transmission

La roue de transmission du moteur MCE-5 est un élément central puisqu'elle permet, comme son nom l'indique, de transmettre le mouvement alternatif rectiligne du piston à la bielle et d'assurer le réglage du taux de compression via des crémaillères du vérin de commande et du piston. Soumises à d'importants efforts de poussées de la bielle — à 6 000 tr/min, la roue change de sens 120 fois par seconde — ses « dents à hautes résistances » sont conçues afin de résister à des pressions de l'ordre de 22 tonnes par centimètre carré.

La roue de transmission est une pièce dissymétrique : une moitié des dents sont chargées pour résister lors de la détente des gaz lors du PMH tandis que les autres dents sont peu chargées car seulement soumises à l'inertie du piston lors du PMB. Cette propriété est effective des deux côtés de la roue, mais pour une raison différente du côté crémaillère de commande. Il s'agit dans ce cas de « replacer le centre de gravité de la roue sur son axe de rotation ».

Hormis le rodage, la denture du MCE-5 ne s'use pas ou très peu : la perte de matière est de l'ordre du micron sur la durée de vie du moteur. Cette propriété s'explique par le fait qu'il n'y a aucun désalignement entre les dents et les crémaillères. En effet, les crémaillères ne sont pas portées par des arbres en rotation, mais par des pistons dont la cinématique est rectiligne.

La partie centrale de la roue de transmission est fraisée de façon à y insérer la liaison avec la bielle tandis que des « poches d'allégements » sont creusées de part et d'autre de la roue. Des pistes de roulements, soudées par faisceau d'électrons, viennent en contact avec les pistes respectives des crémaillères.

Étant donné qu'il s'agit d'une pièce motrice du moteur, i.e. qu'elle transmet un travail utile, elle est conçue afin d'éviter de dissiper ce travail en chaleur si bien que son rendement énergétique atteint les 0,997. Par sa géométrie complexe, elle est capable d'encaisser des efforts de près de 5,5 tonnes au couple maximal en ne fléchissant que de quelques centièmes de millimètre.

Un jeu de 30 microns est pris en compte dans la conception afin d'obtenir un fonctionnement le plus silencieux possible. La roue de transmission, en acier cémenté, est obtenue par forgeage afin de répondre à ses différentes contraintes. Cette technique présente en effet l'avantage de pouvoir obtenir facilement la forme générale de la pièce, ainsi que les poches d'allégements. Les sociétés Ascoforge Safe et Seram se sont chargé de son développement.

Pistons et crémaillères

Deux crémaillères à proprement dites sont utilisées dans la cinématique du moteur MCE-5. Une crémaillère de commande assure la liaison entre le vérin de réglage du taux de compression avec la roue de transmission tandis qu'une crémaillère de piston est fixée à ce dernier et transforme le mouvement de la roue de transmission en mouvement alternatif.

Tout comme la roue de transmission, les dents des crémaillères sont faiblement ou fortement chargées selon leur utilisation. Des trous d'allégements sont pratiqués dans la longueur de la pièce permet de diminuer la masse. L'usinage de la pièce, réalisé par les sociétés Sermatec et PEMTec, utilise une technique électrochimique classique, compatible avec les exigences d'une production en grande série pour des pièces à géométrie complexe.

Un filetage est réalisé sur la partie supérieure de la crémaillère de piston, afin d'y fixer le piston. Ce dernier, en raison de la cinématique particulière du moteur MCE-5, ne possède plus de jupe. Seule la segmentation est conservée, dont l'objectif est le même qu'un moteur classique. La tête du piston est creusée en regard des soupapes afin de réaliser des turbulences — swirl, tumble ou autre — dans la chambre afin d'améliorer la combustion.

Rouleau de synchronisation

Deux autres crémaillères, moins importantes dans la cinématique globale, entrent en jeu. Une crémaillère de faibles dimensions est dessinée, par taillage ou formage à froid, au dos de la crémaillère de piston. Une deuxième est usinée dans une plaque liée au bâti. Ces deux crémaillères, via le rouleau de synchronisation, assure le maintien vertical du piston, empêchant ainsi le phénomène d'arc-boutement.

Le rouleau de synchronisation est formé d'un monobloc ou de trois parties soudées ou frétées par résistance. La précision requise sur les dents du rouleau et de la crémaillère associée demeure faible en raison de sa fonction secondaire.

Bielle et vilebrequin

La bielle est une pièce mécanique permettant de transformer le mouvement alternatif du piston en un mouvement rotatif du vilebrequin. Ces deux éléments, dessinés en collaboration avec plusieurs sociétés expérimentées dans ce domaine, ne présentent pas de particularités propres au moteur MCE-5 — hormis leur taille réduite de près de 50 % par rapport à un système classique — et les techniques d'usinage et de forgeage sont identiques à celles couramment utilisées dans l'industrie automobile.

Culasse et bloc-moteur

La culasse et le bloc-moteur, mis au point par la société Danielson Engineering, ont été conçus pour « répondre aux contraintes liées aux contraintes de la fonderie et de l'usinage de grandes séries ».