Présentation moteur: Infiniti VC-Turbo

A l’occasion du Mondial de l’Automobile de Paris 2016, Infiniti a présenté un moteur à taux de compression variable. La promesse est de taille: offrir les performances d’un moteur 6 cylindres avec la consommation d’un moteur 4 cylindres. Le VC-Turbo sera vraisemblablement le premier moteur de ce type sur le marché en 2018.

Architecture

L’Infiniti VC-Turbo est un moteur essence quatre cylindres en ligne de 2.0 litres de cylindrée. Il est bâti autour d’un bloc en alliage d’aluminium. L’alésage est de 84.0 mm pour une course de 90.1 mm: il s’agit d’un moteur longue course privilégiant le couple à bas régime plutôt que la puissance à haut régime.

Le VC-Turbo devrait proposer une puissance de 272 chevaux pour un couple de 390 Nm. Ces caractéristiques sont équivalentes à nombre de moteurs 4 cylindres sportifs. Néanmoins, l’Infiniti devrait offrir plus d’agrément, notamment en matière de consommation de carburant.

La circulation de l’huile est assurée par une pompe à débit régulé. Cette dernière réduit le débit d’huile lorsque la vitesse de rotation du moteur est inférieure à 3.000 tr/min et que le moteur n’est pas utilisé à pleine charge.

Taux de compression variable

Le taux de compression est le rapport entre le volume de la chambre de combustion lorsque le piston est au plus bas (point mort bas) et le volume de la chambre lorsque le moteur est au point mort haut.

Lorsque le moteur fonctionne avec un taux de compression élevé, le moteur a un rendement plus élevé (diminution de la consommation de carburant). Cette stratégie est notamment utilisée par Mazda sur la famille de moteurs Skyactiv-G (4 cylindres 2.0l avec un taux de compression de 14.0:1).

Toutefois, à haut régime et sous de fortes charges, un moteur à taux de compression élevé est beaucoup plus sujet au cliquetis (inflammation du mélange non provoqué par la bougie). Ce phénomène vient du fait que plus le mélange air/carburant est comprimé, plus sa température augmente: il est donc plus enclin à s’enflammer.

Pour limiter la température à l’intérieur du cylindre, plusieurs solutions existent. La plus classique consiste à diminuer l’avance à l’allumage. Toutefois, cette option réduit notablement le rendement moteur et produit donc moins de puissance.

Une autre possibilité, telle que l’a choisie Mazda, consiste à diminuer la température résiduelle à l’intérieur du cylindre. Pour ce faire, le constructeur japonais a fait le choix d’un collecteur d’échappement long permettant de réduire les interactions entre les cylindres à l’échappement et d’abaisser la température dans le collecteur d’échappement grâce à une évacuation des gaz plus aisée.

Toutefois, cette configuration pose deux problèmes: le premier vient du fait que, dans le cas d’un moteur turbocompressé, le turbo étant positionné à la sortie du collecteur, il est positionné plus loin de la sortie des cylindres et il perd alors en réactivité lors d’un changement de régime moteur soudain.

Deuxièmement, les systèmes de dépollution étant positionnés plus en aval, la mise en température de ces derniers est sensiblement plus lente, au détriment des émissions lors d’un démarrage à froid en particulier (les dispositifs de dépollution appréciant les hautes températures pour être pleinement efficaces).

Pour concilier le meilleur des deux mondes, à savoir un taux de compression élevé (meilleur rendement) et un collecteur court (systèmes de dépollution plus efficaces, meilleure réactivité du turbo), Infiniti a fait le choix de faire varier le taux de compression de son moteur en continu. Dans le cas présent, le taux de compression peut varier de 8.0:1 (recherche de puissance) à 14.0:1 (meilleur rendement).

Les moteurs à taux de compression variable font l’objet de développements intensifs depuis plus de deux décennies: on peut citer notamment les études réalisées par feu le constructeur Saab, l’entreprise française MCE-5 ou la société allemande d’ingénierie FEV Motorentechnik.

Dans le cas d’Infiniti, le constructeur japonais a misé sur une conception multibras. Ce concept joue d’ailleurs deux rôles distincts : en premier lieu, il sert naturellement à faire varier la hauteur du point mort haut en continu. En second lieu, il remplace les arbres d’équilibrage habituellement utilisés pour réduire les vibrations inhérentes aux moteurs 4 cylindres.

Un moteur électrique agit sur la position de l’arbre inférieur via un actuateur. Cet arbre est relié au vilebrequin par l’intermédiaire de biellettes qui agissent sur un basculeur (dénommé Multi-Link par le constructeur) en une de ses extrémités. Ce dernier est attaché en son centre au vilebrequin à l’endroit où la bielle du piston est habituellement positionnée. La bielle est, quant à elle, rattachée à l’autre extrémité du basculeur.

La modification du taux de compression diminue légèrement la course du cylindre d’environ 1 mm lorsque le taux de compression est faible (la cylindrée passe de 1997 cm3 lorsque le taux de compression est de 14:1 à 1970 cm3 lorsque le taux de compression atteint 8:1). D’autre part, le taux de compression est ajusté pour les 4 cylindres simultanément.

Distribution

Les soupapes auront un calage variable en continu à l’admission et à l’échappement. A l’admission, le calage est modifié à l’aide d’un actionneur électrique tandis qu’à l’échappement, la variation du calage se fait classiquement à l’aide d’un actionneur hydraulique.

L’actionneur électrique est surtout bénéfique à bas régime (lorsque la pression d’huile relativement faible) ou lorsque le moteur n’est pas encore à sa température de fonctionnement optimal (l’huile est plus visqueuse). Dès lors, le moteur électrique permet un contrôle précis du calage des soupapes quelles que soient les conditions dans lesquelles le moteur est utilisé.

Le moteur est capable de fonctionner soit selon le classique Beau de Rochas ou bien selon le cycle d’Atkinson (ou plutôt de Miller s’agissant d’un moteur turbocompressé). Le cycle d’Atkinson est particulièrement utilisé à faible et moyenne charge jusqu’aux régimes intermédiaires, alors que le taux de compression est élevé.

Lorsque le moteur fonctionne selon le cycle d’Atkinson, la soupape d’admission est fermée tardivement, alors que le piston a déjà débuté sa remontée et que la phase de compression a débuté. Dans ce mode de fonctionnement, la phase de détente est alors plus longue (durant laquelle le moteur produit son travail) que la phase de compression, au bénéfice du rendement moteur.

Injection

L’Infiniti VC-Turbo sera équipé d’une injection directe et d’une injection indirecte multipoint. L’injection indirecte est surtout utilisée à faible et moyenne charge. Dans les autres cas, c’est plutôt l’injection directe qui sera privilégiée. Lorsque le moteur fonctionne à pleine puissance, les deux types d’injection sont utilisés.

Echappement

Le collecteur d’échappement est intégré dans la culasse (en aluminium). Le turbocompresseur est à simple entrée, tandis que la soupape de décharge est actionnée électriquement.

Enfin, le dispositif de dépollution se compose d’un simple catalyseur 3 voies (traitant le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures HC et les oxydes d’azote NOx). Il n’est pas prévu d’intégrer de filtre à particules, étant donné que le moteur utilise l’injection indirecte à faible charge et bas régime (lorsque le moteur est susceptible de produire le plus de particules).

Refroidissement

Afin d’optimiser le refroidissement et, entre autres bénéfices, d’améliorer le rendement moteur, la gestion de la température moteur est contrôlée par un module électronique. Cette gestion fait l’objet d’une description détaillée dans la présentation moteur Audi 2.0l TFSI.