Arrivé sur le marché du véhicule hybride en 2020, Renault propose une technologie inédite de boîte de vitesses pour combiner les différentes sources d'énergie. L'idée originelle de cette boîte de vitesses remonte à 2010 avant de connaître une première application physique sur un concept-car en 2014, la Renault Eolab.
Ce concept-car s'est révélé être un excellent laboratoire roulant pour la mise au point de la boîte de vitesses : les interactions entre le moteur électrique et le moteur thermique souffrant d'à-coups par exemple, ce qui n'était pas envisageable sur un véhicule de grande série.
Architecture générale
La technologie hybride E-Tech Renault consiste à combiner un moteur à combustion interne (MCI), un moteur électrique principal servant essentiellement à la traction (MEP) et un moteur électrique secondaire (HSG - High-voltage Starter Generator).
La transmission de la puissance aux roues est assurée par une boîte de vitesses dite multimode. Elle a une architecture proche de celle d'une boîte de vitesses manuelle tout en étant dépourvue d'embrayages et de synchroniseurs.
Le HSG est directement lié au moteur à combustion interne et ne peut pas en être déconnecté. Il remplit 4 fonctions :
- Démarreur pour le moteur à combustion interne
- Générateur de courant (si besoin, lorsque le moteur thermique est allumé)
- Apport en couple (lorsque le moteur thermique est allumé et que le conducteur a besoin de puissance supplémentaire)
- Assistance pour les changements de rapport du moteur électrique et du moteur à combustion interne sans à-coups et (presque) sans rupture de couple, à l'image d'une boîte à double embrayage
La technologie hybride E-Tech Renault se décline en 2 versions qui reposent sur le même principe :
- E-Tech Small (DB35) - cette version repose sur un moteur à combustion interne atmosphérique. Cette technologie est notamment présente sur la Clio, le Captur, l'Arkana, la Mégane ainsi que le Nissan Juke
- E-Tech Medium (DB45) - cette version repose sur un moteur à combustion interne turbocompressé. Cette architecture a été introduite en 2022 sur l'Austral. A terme, cette architecture devrait connaître une déclinaison supplémentaire en embarquant un moteur électrique sur l'essieu arrière, de manière à augmenter la puissance disponible et proposer une version 4 roues motrices
Moteur à combustion interne E-Tech Small
Le moteur thermique associé à la version DB35 est un moteur atmosphérique 4 cylindres de 1.6l de cylindrée comptant 16 soupapes (nom de code : HR16 gen3). L'injection se fait de manière indirecte et il y a 2 injecteurs par cylindre.
L'utilisation de 2 injecteurs plutôt qu'un permet d'utiliser des injecteurs ayant un cône d'injection plus étroit et d'injecter plus précisément dans chaque canal d'admission (chaque cylindre comportant 2 canaux, un par soupape). De plus, la taille des goutelettes de carburant est significativement réduite.
Les goutelettes étant plus fines et mieux localisées, le mélange air/carburant est plus homogène, ce qui permet d'améliorer la combustion (moins d'émissions de gaz polluants et meilleur rendement) tout en diminuant la consommation de carburant.
Le moteur provient de la banque d'organe de l'Alliance Renault-Nissan tout en ayant connu quelques adaptations pour le rendre conforme aux normes en vigueur en Europe. Outre l'intégration d'un filtre à particules pour le rendre conforme aux normes Euro 6d, l'attelage mobile (pistons, bielles et vilebrequin) a été modifié pour réduire les frictions et améliorer l'agrément de conduite.
Pour les normes Euro 7 (2025), Renault devrait faire appel à un nouveau moteur de 1.8l de cylindrée, moteur qui n'aura aucun lien de parenté avec le moteur actuel des Mégane R.S et des Alpine A110.
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Le bloc moteur et la culasse sont en aluminium et les chemises de pistons sont en acier. La distribution se fait par chaîne. Les cylindres ont un alésage de 78 mm pour une course de 83.6 mm : il s'agit d'un moteur longue course. Le calage des soupapes est variable en continu à l'admission uniquement.
Sa puissance atteint 91 chevaux à 5.600 tr/min et le couple maximal est de 144 N.m à 3.200 tr/min. Le taux de compression est de 10.8:1. Dans l'optique d'améliorer son rendement, il fonctionne selon le cycle d'Atkinson.
Le moteur est fabriqué dans l'usine Oyak Renault à Bursa (Turquie).
Moteur à combustion interne E-Tech Medium
Pour l'Austral, Renault mise sur un moteur de conception nouvelle (nom de code HR12DDV). Il s'agit d'un moteur 3 cylindres en ligne turbocompressé à injection directe comptant 4 soupapes par cylindre. La cylindrée du moteur est de 1.2 litre avec un alésage de 75.5 mm et une course de 89.3 mm : l'architecture est de type longue course, favorisant le couple à bas régime.
Le HR12DDV offre une puissance de 130 ch au régime de 4.500 tr/min et 205 N.m de couple entre 1.750 et 3.500 tr/min.
Ce moteur est construit à partir d'un bloc et d'une culasse en aluminium. La distribution se fait par chaîne. Le 3 cylindres est équipé d'un arbre d'équilibrage pour limiter les vibrations intrinsèques à ce type d'architecture. Dans l'optique d'améliorer le rendement, le moteur fonctionne selon le cycle de Miller.
A cet effet, Renault mis en place de nombreuses mesures pour que le moteur développe suffisamment de puissance dès les plus bas régimes tout en fonctionnant selon le cycle de Miller :
- turbocompresseur à géométrie variable (réactivité dès les plus bas régimes)
- taux de compression élevé (12.0:1)
- pression d'injection maximale de 350 bar
- soupape de décharge (wastegate) actionnée électriquement
- Calage variable des soupapes à l'admission et à l'échappement avec actuacteur électrique pour chaque arbre à cames
- Pompe à eau électrique (réduction des frictions)
- EGR basse pression refroidi : les gaz d'échappements sont prélevés après le filtre à particules puis refroidis par eau avant d'être réinjectés dans le circuit d'admission.
Le moteur est produit au sein de l'usine de Valladoid (Espagne).
Moteurs électriques
Les moteurs électriques utilisés dans les architectures E-Tech hybrides sont des moteurs synchrones à aimants permanents. Quelle que soit la variante, le moteur électrique principal (ME) provient de la banque d'organes de Nissan tandis que le moteur électrique secondaire HSG est un moteur d'origine Renault.
Dans le cas de la plateforme E-Tech small DB35 non-rechargeable, le moteur électrique principal a une puissance de 35 kW et un couple de 205 N.m tandis que le HSG a une puissance 15 kW et un couple de 50 N.m.
La plateforme E-Tech small DB35 rechargeable s'articule autour d'un moteur électrique principal d'une puissance de 50 kW et d'un couple de 205 N.m tandis que le HSG a une puissance 25 kW et un couple de 50 N.m.
Pour la plateforme E-Tech medium DB45, le moteur électrique principal propose un couple de 205 N.m pour une puissance de 50 kW. D'autre part, le HSG a une puissance de 25 kW pour un couple de 50 N.m.
Batteries
Pour l'ensemble des applications, le système repose sur une batterie haute tension Li-ion logée sous le plancher du véhicule (exception faite de la Clio où la batterie est logée dans le coffre). Dans tous les cas, la batterie 12V reste nécessaire pour alimenter l'ensemble des accessoires du véhicule et cette dernière est logée dans le coffre.
Dans le cas de l'architecture E-Tech Small, la batterie est refroidie par air (version non rechargeable) ou par circulation du liquide de refroidissement moteur (version rechargeable PHEV). Pour la deuxième génération E-Tech Medium, la batterie est refroidie à l'aide d'une dérivation du circuit de climatisation plutôt que par le liquide de refroidissement moteur.
Il existe 3 batteries de capacités différentes :
- E-Tech small non-rechargeable : capacité de 1.2 kWh / tension de 230 V / 68 cellules / masse de 39 kg
- E-Tech small PHEV : capacité de 9.8 kWh / tension de 400 V / 68 cellules / masse de 102 kg
- E-Tech medium : capacité de 2 kWh / tension de 400 V / 96 cellules réparties en 4 modules
Synergie entre les moteurs - boîte de vitesse multimode
L'architecture hybride E-Tech s'articule autour d'une boîte de vitesses dite multimode. Elle a la charge d'exploiter l'énergie fournie par les 3 moteurs. Elle comporte 3 arbres, selon une construction similaire à celle d'une boîte de vitesses manuelle. Elle ne comporte aucun synchroniseur pour les opérations de crabotage (verrouillage d'un rapport de la boîte de vitesses) et il n'y a aucun embrayage. L'électronique et la faible inertie des 2 moteurs électriques (faculté à changer de régime de rotation rapidement) permettent des changements de rapport presque sans à-coups et presque sans rupture de charge.
La boîte de vitesses permet 5 modes de fonctionnement différents :
- mode électrique pur : seul le moteur électrique fournit de la puissance aux roues motrices
- mode E-drive (hybride série) : le moteur électrique entraîne les roues et la batterie de traction est chargée via le moteur à combustion interne + HSG
- mode dynamique (hybride parallèle) : le moteur électrique principal, le moteur thermique et éventuellement le HSG transmettent la puissance aux roues
- Récupération d'énergie au freinage : la batterie est chargée par le moteur électrique principal
- mode moteur à combustion interne pur
La boîte de vitesses multimode E-Tech comporte 2 rapports (plus 1 rapport neutre) associés au moteur électrique principal (un rapport court EvA et un rapport long EvB) et 4 rapports associés au moteur à combustion interne (plus un rapport neutre). Les deuxième (R2), troisième (R3) et quatrième (R4) rapports sont indépendants du moteur électrique, tandis que la démultiplication du premier rapport dépend du rapport enclenché pour le moteur électrique (mode couplage).
- Rapports de démultiplication du moteur électrique (mode électrique pur et mode E-drive)
- Rapports de démultiplication du moteur thermique (mode moteur thermique pur)
- Mode dynamique (hybride parallèle)
- Couplage du moteur à combustion interne et du moteur électrique
Lorsque le moteur électrique principal est sur son rapport court (basse vitesse), le rapport de démultiplication du moteur thermique est aussi un rapport court : il est enclenché entre, si besoin, entre 15 km/h et 40 km/h. Au-delà de 40 km/h, c'est le 2ème rapport du moteur thermique qui est sélectionné.
Lorque le moteur électrique principal est sur son rapport long (à partir de 70 km/h), le rapport de démultiplication du mode couplage MCI est différente : la démultiplication correspond à un rapport intermédiaire entre le 2ème et le 3ème rapport du moteur thermique.
Du fait de l'absence d'embrayage, le démarrage du véhicule se fait obligatoirement avec le moteur électrique principal sur le rapport court, que ce soit en mode électrique pur ou en mode E-drive, si la batterie n'est pas suffisamment chargée. Le cas contraire, le moteur à combustion interne calerait immédiatemment du fait de l'absence d'embrayage et d'un régime moteur proche de 0.
La marche arrière se fait, pour les mêmes raisons, en mode purement électrique. Tout comme un véhicule 100% électrique, l'inversion du sens de circulation ne se fait pas à l'aide d'un pignon supplémentaire dans la boîte de vitesse, mais en inversant le sens de rotation du moteur électrique principal.
Dans le concept-car Eolab présenté en 2014, la boîte de vitesses était encore plus simple avec 2 rapports (+ 1 neutre) pour le moteur électrique et un seul rapport long (+ 1 neutre) pour le moteur thermique. Il n'y avait pas non plus de moteur électrique secondaire. Toutefois, cette solution n'a pas donné satisfaction en matière d'agrément de conduite avec des à-coups lors des changements de rapport et une utilisation du moteur thermique souvent éloignée de sa zone de meilleur rendement.
Le changement de rapport entre les 2 rapports du moteur électrique s'effectue sans rupture de couple et sans à-coups à l'aide du moteur électrique secondaire HSG selon la séquence suivante :
- Lorsque le véhicule atteint la vitesse 70 km/h, le HSG se met en marche. Comme il est relié au mécaniquement au moteur à combustion interne, ce dernier est entraîné à vide : il n'y a pas d'injection de carburant
- Le crabot 1 ou le crabot 2 se déplace de manière à verrouiller un des rapports du moteur thermique
- Les 2 moteurs électriques entraînent les roues et le calculateur se charge de diminuer le couple fourni par le moteur électrique principal tout en augmentant celui fourni par le HSG
- Le crabot Ev est désaccouplé (passage au neutre) et la vitesse du moteur électrique principale est réduite de manière à correspondre à la vitesse de rotation lorsque le rapport long sera enclenché. A cet instant, seul le HSG fournit de l'énergie aux roues
- Une fois les vitesses de rotation synchronisées, le crabot Ev vient verrouiller le rapport long du moteur électrique
- Le calculateur diminue le couple fournit par le HSG et augmente celui fourni par le moteur électrique principal
- Le crabot associé au HSG passe au neutre
- Le HSG est stoppé
En mode dynamique ou en mode moteur thermique pur, il est nécessaire d'effectuer des changements de rapport pour que le moteur à combustion interne travaille dans sa zone la plus favorable : soit dans sa zone de meilleur rendement lorsque la demande en couple est faible, soit dans sa zone de puissance optimale lorsque le conducteur le demande (pour effectuer un dépassement, par exemple).
Pour cette phase, le HSG est à nouveau mis à contribution. En effet, le HSG permet de modifier le régime du moteur thermique bien plus rapidement que le moteur à combustion interne seul, que ce soit pour réduire la vitesse de rotation (lors d'une accélération pour passer le rapport supérieur) ou pour l'augmenter (en phase de décélération).
Pour changer un rapport du moteur thermique, l'opération se passe selon la séquence suivante :
- Diminution du couple fourni par le moteur à combustion interne tout en augmentant le couple fourni par le moteur électrique principal
- Passage du crabot au neutre (crabot 1 ou crabot 2). A cet instant, seul le moteur électrique principal transmet de la puissance aux roues motrices
- Le régime de rotation du moteur thermique est ajusté rapidement avec l'aide du HSG
- Verrouillage rapport supérieur (ou inférieur) à l'aide du deuxième crabot
- Augmentation du couple fourni par le moteur thermique tout en diminuant le couple fourni par le moteur électrique principal
En phase de freinage, le moteur électrique principal est normalement sollicité, en étant craboté sur le rapport EvA ou EvB, ceci afin de freiner le véhicule et recharger la batterie haute tension. Toutefois, lorsque les phases de freinage se suivent et se prolongent (descente en montagne, par exemple) et que la batterie est pleine, le moteur thermique s'enclenche à vide (sans injection de carburant) afin que le système ne se repose pas que sur les freins mécaniques. Ceci permet de limiter le risque de surchauffe de ces derniers.
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En mode électrique pur ou en mode E-Drive, la voiture peut atteindre 130 km/h environ. Lorsque le véhicule atteint la vitesse de 70 km/h, le moteur électrique passe sur son rapport long EvB. La vitesse maximale du véhicule est atteinte sur le rapport long du moteur électrique et sur le 4ème rapport du moteur à combustion interne.
La boîte de vitesses DB35 (E-Tech small) est fabriquée en France au sein de la Manufacture de Ruitz (Nord de la France - 62) tandis que la boîte de vitesses DB45 (E-Tech medium) est assemblée dans l'usine de Séville (Espagne).
Bibliographie :
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21 janvier 2023 à 13h59
Encore un article au top ! Merci Guillaume ! J'attends avec impatience, le même genre d'article sur le futur 1.2 PSA à chaîne de distribution et sa boite avec moteur électrique intégré; à mon humble avis, le futur du thermique, est bien dans ce genre de motorisation sans grosse hybridation et surtout sans hybridation rechargeable; ce seront sûrement les seuls moteurs à explosion, qui pourront aller jusqu'en 2035 sans encombre et en passant les futures normes européennes concernant les polluants