Nous suivre Industrie Techno

Ajouter de "l'intelligence"

Jacques Dité

Sujets relatifs :

,
- Les bureaux d'études ne chôment pas en matière de développement d'actionneurs, de capteurs et de solutions de contrôle-moteur de nouvelle génération. Des moteurs très évolués devraient donc bientôt voir le jour.

Inventer des modes originaux - et performants - de combustion pour améliorer le moteur thermique, c'est bien. Les réaliser sur des moteurs réels est une autre affaire : celle des équipementiers - et des constructeurs - qui doivent réaliser des capteurs, des actionneurs et des systèmes de contrôle électroniques de plus en plus sophistiqués pour se rapprocher au plus près des performances théoriques.

Ainsi, qu'il s'agisse de AIC (combustion par auto-allumage en moteur essence voir p. 62), d'HCCI (diesel en mode homogène, voir p. 62) ou de l'injection directe d'essence suralimentée, toutes ces nouvelles approches exigent, par exemple, des systèmes de pilotage des soupapes élaborés. Les déphaseurs d'arbres à cames ne seront plus suffisants si les ingénieurs souhaitent tirer vraiment partie de ces nouvelles approches de la combustion.

Des solutions électromagnétiques

L'Institut français du pétrole (IFP) préconise le recours à la levée variable des soupapes d'admission en plus de leur déphasage piloté sur le moteur essence à injection directe suralimenté. Le gain de consommation peut ainsi atteindre 21 %, et même 25 % si un déphasage de l'arbre à cames d'échappement est également retenu. Ici, le système Valvetronic de BMW et Sachs offre, dès aujourd'hui, une levée variable de soupapes de 0 à 9,7 mm, et donc la fermeture possible de soupapes à volonté, autorisant des stratégies de balayage et de combustion originales.

Se débarrasser des arbres à cames est également possible. À condition de disposer de soupapes à commande électromagnétique ou électrohydraulique. Les premières, mieux adaptées aux moteurs à essence, pourraient apparaître en 2007-2008. Sagem-Johnson Controls est très bien positionné sur ce sujet avec une solution native 42 V très fiable. Les secondes sont bien adaptées au diesel et ont été à deux doigts de voir le jour sur un diesel en V de Ford International aux États-Unis.

Un rail de pression alimentait des actionneurs grâce au contrôle exercé par une électrovanne très rapide de l'entreprise Sturman. Le prix de ces systèmes reste toutefois le principal frein à leur adoption, et l'arrivée du 42 V est également attendue pour le lancement des solutions électromagnétiques. Les équipementiers capables de se passer de capteurs de position pour détecter la position exacte des soupapes sont actuellement les mieux placés en matière de prix. Quoi qu'il en soit, l'atterrissage des soupapes sur leurs sièges doit être géré en douceur si les ingénieurs souhaitent être bien placés en matière d'émissions sonores et de fiabilité.

En ce qui concerne l'injection directe d'essence suralimentée, l'évolution en cours ne pourra se poursuivre que si l'injecteur se rapproche de la bougie, comme Renault l'a bien montré sur son moteur F5R auquel il a ajouté, avec l'IFP, un turbo à double aubage et un pilotage optimisé des soupapes. Mais, le premier défi pour les promoteurs de l'injecteur essence proche de la bougie (Renault, aujourd'hui, et aussi demain PSA, Honda, GM, BMW, Volkswagen, Mercedes...) est d'éviter l'encrassement de l'injecteur... et de la bougie.

Ici, Renault innove en développant la bougie à étincelle de surface. Elle offre une étincelle six à dix fois plus longue que la normale et une durée de vie exceptionnelle de 120 000 km. La longueur de cette nouvelle étincelle de surface ne peut donc qu'aider à assurer une mise à feu fiable du mélange air-essence. C'est d'autant plus vrai que l'électrode secondaire disparaît, évitant ainsi la première cause d'encrassement des bougies. AVL envisage, pour sa part, le recours au laser pour mettre à feu le mélange air-essence des moteurs essence à injection directe suralimentés, solution bien compliquée et bien risquée en termes de fiabilité.

Quant aux injecteurs eux-mêmes, la montée en pression pourrait contribuer à en améliorer encore le fonctionnement dans le temps. Les 200 bar sont visés avec des solénoïdes ou des actionneurs piézo par Bosch et Siemens, tandis que Magneti Marelli faisait remarquer, il y a quelques années, que c'est à 300 bar que se situerait plutôt une rupture en matière de pulvérisation essence.

Cela dit, Renault et l'IFP ont prouvé que 200 bar n'étaient pas absolument nécessaires sur le F5R turbocompressé, et que la commande piézo n'était pas incontournable. Par contre, les défenseurs - de plus en plus rares - de l'injection directe atmosphérique avec mélange pauvre comptent se rabattre sur les hautes pressions et le piézo afin d'améliorer le piètre rendement de la première génération en facilitant les échanges thermiques.

En diesel, les commandes piézo ont de fortes chances de se développer pour atteindre puis dépasser 2 000 bar tout en conservant une très bonne dynamique de l'injecteur common-rail. La volonté d'offrir deux nappes en 2007 afin d'autoriser, dès les plus basses rotations, une pulvérisation ultrafine, qui se verra compléter sous fortes charges par une injection complémentaire provenant d'une seconde série de trous, nécessite en effet le recours à ce type de commandes.

Baisse du taux de compression

L'aiguille pourrait avoir deux niveaux de levée pour mettre à jour la première ou les deux séries de trous. Bosch propose également d'installer deux aiguilles concentriques disposant chacune de son propre système de pilotage et de son propre circuit d'alimentation hydraulique. Un effet d'amplification hydraulique dans l'injecteur pourrait permettre d'offrir 2 200 voire 2 500 bar à sa tête, même si la pression dans le rail reste à des niveaux plus raisonnables.

Cette solution très haut de gamme est d'abord envisagée pour les applications HCCI et les moteurs lancés aux États-Unis en 2007, et vise en priorité une forte réduction des NOX et des particules.

Ces nouveaux moteurs Diesel verront aussi leur taux de compression baisser entre 14 :1 et 16 :1 grâce à un mode "démarrage à froid" très performant et géré par des bougies de préchauffage à la plage d'utilisation nettement étendue. Beru et Bosch proposent de telles solutions qu'ils aimeraient compléter par une capture d'information à l'intérieur même de la chambre de combustion.

Un réseau de capteurs

Delphi propose déjà son analyse ionique implantée sur le système de préchauffage (ou sur la bougie, en essence), mais Beru aimerait aller plus loin en offrant une saisie de l'information de pression.

La pression rencontrée dans la chambre de combustion repousse l'élément chauffant de la bougie de préchauffage qui est monté sur ressorts et dispose juste avant ces derniers d'une membrane et d'un élément piézorésistif de type Mems. La solution intègre un Asic et est d'origine Texas Instruments. Elle devrait apparaître en série sur le marché européen dès 2006, sur la première application HCCI allemande.

DaimlerChrysler a, pour sa part, travaillé sur un capteur de pression à effet piézo capable de supporter 400 °C et réalisé sur un substrat de carbure de silicium, en lien avec le français Soitec.

Reste à savoir si ces capteurs seront suffisants pour dresser en temps réel une cartographie des phénomènes de combustion (que l'on peut appréhender par la température ou la pression, par exemple) ayant lieu dans le cylindre... ou si l'on parviendra, encore plus simplement, à se passer d'eux grâce à la modélisation.

Le pôle Carburants et moteurs créé par le CNRS, voici un an, réfléchit à de telles problématiques. Et, comme il sera peut-être nécessaire de contrôler plus précisément une dizaine de zones dans la chambre de combustion en phase de recherche, voire de production, l'idée d'un réseau de capteurs a été retenue. Au cas où ces capteurs se retrouveraient sur les moteurs de série, les bas coûts se révéleraient indispensables. La technologie Mems est donc explorée en priorité et le LMPO de Besançon, spécialisé en microélectronique, apporte ses compétences dans leur mise au point. Le laboratoire essaie de se concentrer sur les solutions techniques déjà maîtrisées et plus abordables comme les thermocouples, qu'il cherche à adapter à l'environnement moteur, mais ne s'interdit pas de travailler sur des solutions de carbure de silicium.

La fusion de capteurs se retrouvera peut-être demain embarquée dans les calculateurs de contrôle-moteur. Il faudra alors y intégrer encore plus d'entrées/sorties, dont le nombre peut dépasser 140 aujourd'hui. PSA et Ford disposent d'un réseau de 23 capteurs et 20 actionneurs au service du calculateur moteur de leur nouveau V6 diesel. Ce dernier doit intégrer aussi le convertisseur DC-DC pour s'adapter à la tension élevée des actionneurs piézo. Mais les calculateurs moteur du futur intégreront de plus en plus la supervision de la boîte de vitesses et peut-être même du cruise-control intelligent.

Deux microprocesseurs sur la même puce

C'est pour se préparer à ces évolutions que les équipementiers passent à une architecture logicielle centrée autour de la notion d'appel de couple. La hiérarchisation des demandes de couple est plus aisée et les stratégies de pilotage peuvent se concentrer sur la réalisation des prestations demandées (consommation, dépollution...).

Côté hardware, les microcontrôleurs embarquent progressivement des DSP pour réaliser des calculs intensifs et se préparent à disposer de deux coeurs de microprocesseur sur la même puce.

Parallélisme et partitioning pointu deviennent les exigences des constructeurs. Motorola verra ainsi son PowerPC passer de 50 à 150 puis 600 MHz, avant d'atteindre 1 GHz d'ici à quelques années grâce à une plus grande finesse de gravure. Enfin, 2 à 4 Mo de mémoire flash seront bientôt la norme, avant de grimper toujours plus afin d'accompagner l'arrivée des futures stratégies complexes de pilotage de la combustion.

TURBO... ÉLECTRIQUE

- Installer une assistance électrique directement sur un turbocompresseur est l'une des voies explorée pour réduire son temps de réponse. Positionné sur l'axe de la turbine à proximité du côté froid du turbocompresseur, le moteur électrique doit néanmoins résister aux très hautes températures régnant dans l'environnement immédiat de l'échappement. Le diesel sera donc le premier servi, une fois tous les doutes sur la fiabilité de la solution dissipés. - Le régime de rotation du moteur électrique peut atteindre les 240 000 tr/min pour des petits turbocompresseurs selon Garrett. Les constructeurs se montrent plus prudents et préfèrent viser les applications de cylindrée moyenne avec des vitesses de rotation entre 150 000 et 200 000 tr/min.

LES EXIGENCES

- Réaliser au mieux sur les moteurs réels les performances théoriques des nouveaux types de combustion comme la AIC (combustion par auto-allumage en moteur essence), l'HCCI (diesel en mode homogène) ou l'injection directe d'essence suralimentée.

LES SOLUTIONS

- Capteurs. La mesure directe de la pression et de la température à l'intérieur de la chambre va être la norme, peut-être supportée par la bougie. Les Mems sont mis à contribution. - Actionneurs. Systèmes hydrauliques et électromagnétiques - voire piézo-électriques - sont en concurrence. Si ces derniers l'emportent, ils réclameront certainement du 42 V. - Contrôle. Les DSP (puissants outils de calcul) tendent à s'intégrer dans les traditionnels microcontrôleurs.

Dany Escudié Directrice du pôle Carburants et moteurs du CNRS

Le contrôle moteur reste un problème complexe... Il ne peut être traité que par une approche holistique prenant en compte la totalité des paramètres liés à la combustion. C'est pour cette raison qu'a été créé le pôle "Carburants et moteurs" du CNRS. Il vise à mieux comprendre et modéliser toutes les corrélations grâce aux multiples compétences des différents laboratoires impliqués.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0861

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2004 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies