http://automobile.challenges.fr//dossiers/20110323.LQA0318/innovations-valeo-la-chasse-au-co2-est-ouverte.htmlInnovations Valeo - La chasse au CO2 est ouverte
Dans l'industrie automobile, la technologie embarquée est tirée vers l'avant par les équipementiers tout autant que par les constructeurs. Avec un certain pragmatisme, Valeo oriente ses efforts vers la réduction des émissions de CO2. Tour d'horizon des derniers systèmes proposés par l'équipementier.
Intégration du système i-STARS Valeo sous le capot de la Peugeot 308 e-HDi. © Peugeot
Martin Haub, directeur Recherche et Développement chez Valeo, en a fait son cheval de bataille : "La réduction des émissions de CO2 est un enjeu capital pour nos clients, constructeurs automobiles. Soumis aux réglementations limitant les rejets sur une moyenne de la gamme, ils seront contraints de produire des véhicules moins polluants et moins gourmands. Pour cela, Valeo doit leur proposer des produits qui les aideront à atteindre leurs objectifs."
LEXIQUE
Le terme générique d'arrêt-démarrage automatique se veut la transcription française des innombrables marques commerciales que sont les "Stop&Start", "Auto Start Stop" et "Idle Stop" en vigueur dans les catalogues des constructeurs automobiles. L'arrêt-démarrage automatique se conçoit selon deux approches techniques pour un résultat identique : le moteur se coupe à chaque arrêt puis redémarre dès qu'on effleure le levier de vitesses ou bien l'accélérateur. L'équipementier français a choisi la voie de l'alternateur réversible assurant la fonction de démarreur ; ses concurrents Bosch ou Magneti Marelli suivent quant à eux la voie du démarreur renforcé. Le "Idle Stop" de Mazda est un cas à part : l'action du démarreur classique est facilitée par l'arrêt programmé des pistons en une position qui accélère la relance du vilebrequin. Un système incompatible avec le Diesel.
Deux pistes s'ouvrent aux ingénieurs : la réduction de la masse et l'optimisation de l'énergie consommée. Tous les équipements (du phare au chauffage en passant par les commandes de console centrale) peuvent apporter leur pierre à l'édifice. Toutefois, ceux-ci n'ont jamais pour seul objectif la réduction de consommation. Ainsi, une nouvelle génération de projecteur devra avant toute chose apporter un progrès notable en termes d'éclairage. Puis penser à réduire l'énergie consommée, la masse, les coûts de réparation, etc.
A contrario, les systèmes directement liés au moteur (arrêt-démarrage automatique, suralimentation… ) sont tout entier acquis à cette cause. Ce sont donc eux qui présentent les résultats les plus spectaculaires. De l'hybridation sous toutes ses formes au véhicule électrique, les technologies explorées en ce domaine par Valeo sont aussi diverses que nombreuses.
L'arrêt-démarrage automatique (Start&Stop) : plus léger, plus rapide et désormais adapté au Diesel
EN PHOTOS
Innovations Valeo
L'équipementier français fut un des pionniers des systèmes d'arrêt redémarrage-automatique. C'est à la Citroen C3 Stop & Start lancée en 2004 qu'échut le rôle d'étrenner le système Valeo. Entre temps, PSA et Valeo ont perdu du terrain. La C3 Stop & Start a été retirée du marché en 2007 alors que la concurrence allemande et italienne fourbissait ses armes. Aujourd'hui, le système est devenu une option courante, disponible sur de nombreux modèles allant de la Smart Fortwo à la Porsche Panamera.
L'an dernier, Valeo a lancé en série sa deuxième génération de système d'arrêt-redémarrage automatique, appelée i-STARS. Lancé sur les Citroen C5, C4, C3 et DS3 ainsi que sur la Peugeot 508 et bientôt la 308 restylée, il fait appel à un alternateur réversible. Des super condensateurs alimentés grâce à la récupération d'énergie cinétique au freinage permettent de délivrer le courant nécessaire au démarrage d'un moteur Diesel (lire notre article sur l'hybridation légère Diesel PSA pour une information détaillée sur ce système).
L'hybridation légère grâce au compresseur électrique
Au-delà de ce dispositif désormais entré dans les mœurs, Valeo travaille à d'autres systèmes d'hybridation légère. Nous avons ainsi pu prendre en mains un prototype de Renault Clio dotée d'un compresseur électrique. Greffé sur le 4-cylindres TCe 100, celui-ci intervient à bas et moyens régimes pour épauler le turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement et qui souffre d'une plus grande inertie.
Cette stratégie de double suralimentation par compresseur et turbo est similaire à celle employée par Volkswagen sur ses moteurs essence TSI. La particularité du système Valeo tient en la nature du compresseur. Il ne s'agit pas ici d'un compresseur volumétrique traditionnel entraîné par le vilebrequin, qui consomme une part de la puissance du moteur : le e-supercharger consiste en un compresseur électrique centrifuge. Comme l'alternateur au coeur du système d'arrêt-redémarrage automatique i-STARS, ce compresseur "électrique" utilise le courant délivré par des super condensateurs, rechargés grâce à l'énergie récupérée au freinage. C'est autant d'essence économisée.
Le compresseur électrique (dont le régime est indiqué au milieu sur la rangée du haut)se déclenche à bas régimes (entre 1.500 et 3.000 tr/min). Au-delà, le turbo prend la relève. © LQA - N. Meunier
En pratique, ce binôme fonctionne exactement comme celui du TSI Volkswagen. Le compresseur électrique fait entendre un bourdonnement singulier (qui rappelle un peu une roulette de dentiste) entre 1.500 et 3.000 tr/min. Au-delà, le turbo du TCe 100 Renault (resté par ailleurs dans sa configuration d'origine) prend imperceptiblement le relais. Déjà réputé pour sa souplesse, ce moteur gagne encore en rondeur. Ceci est particulièrement sensible sur routes tortueuses parcourues à un rythme tranquille, lorsque la paresse vous empêche de changer de rapport.
Sur le plan de la consommation, ce système permet de gagner sur deux plans. D'une part, l'adjonction du e-supercharger franchit une étape supplémentaire dans la réduction des cylindrées (downsizing). Ceci se traduit directement sur les mesures de consommation sur cycle normalisé. D'autre part, la couple disponible plus tôt a permis aux ingénieurs de rallonger les rapports de transmission sans entamer l'agrément de conduite. Pour ce faire, c'est la boîte de la Clio Diesel, plus longue, qui a été retenue.
LEXIQUE
La suralimentation d'un moteur peut être assurée de manière naturelle (par la maîtrise de la pulsation des flux) ou bien de manière forcée via un compresseur. Ce compresseur peut être entraîné mécaniquement par le vilebrequin (via une courroie ou bien une cascade de pignons) ou bien par le flux des gaz d'échappement (via une turbine). Dans ce dernier cas, on parle de turbocompresseur.
Il reste difficile pour l'instant d'estimer précisément le gain de consommation obtenu grâce à cette hybridation légère par compresseur électrique. De même, la date de commercialisation n'est pas encore déterminée.
La commande électronique des soupapes ou la philosophie MultiAir poussé jusqu'au bout
Si l'hybridation est en vogue, la réduction des consommations et des émissions passe également par l'optimisation des moteurs thermiques. Valeo a ainsi développé une commande de soupape électronique, permettant de se dispenser de papillon des gaz et d'arbre à cames, du côté de l'admission comme de l'échappement.
Dans le cas de ce système dénommé e-Valve, les soupapes sont commandées par un électroaimant. Ce système présente pour principal avantage de pouvoir régler en temps réel la levée de soupape à l'admission, cylindre par cylindre. Au point de supprimer le papillon des gaz, comme sur les systèmes BMW Valvetronic et Fiat MultiAir.
Avec le e-Valve, la courbe de position de la soupape en fonction du temps décrit une marche plutôt qu'une portion de sinusoïde. De quoi doser plus précisément l'admission. © LQA
Sur un moteur multisoupapes, à faible charge, une seule des deux soupapes d'admission s'ouvrira, l'autre restant fermée. C'est autant de carburant économisé. L'ouverture sera particulièrement brève, de l'ordre du dixième de la course du piston à l'admission. C'est ainsi qu'est dosée l'injection du carburant.
Avantage supplémentaire, la levée de soupape est plus immédiate du fait que sa tête n'a pas à suivre un profil de came. Ainsi, l'admission se fait de manière bien plus précise. Enfin, en fermant totalement les soupapes d'un cylindre, il est possible de faire tourner le moteur sur un nombre réduit de cylindres, pour économiser du carburant. Une stratégie similaire à celle appliquée sur de nombreux moteurs V8 et poussée à son paroxysme par Honda qui ferme toutes les soupapes au lever de pied sur ses 4-cylindres hybrides.
Culasse e-Valve © LQA - N. Meunier
Nous avons roulé à bord d'un prototype de Peugeot 407 2.2 essence 163 ch équipé de cette culasse électronique dénommée e-Valve. A l'usage, le fonctionnement de ce dispositif est totalement transparent. L'écran central, reconverti en ordinateur de diagnostic sur ce véhicule de démonstration, témoignait de l'activité du système. Lors d'accélérations modérées ou lorsque le conducteur maintient une vitesse stabilisée, le moteur fonctionnait sur deux cylindres, sans que cela soit perceptible par les occupants. Convaincant.
Dans les chiffres, Valeo annonce un gain de consommation sur cycle normalisé de 20 %. A priori, le e-Valve ferait donc mieux que le système MultiAir de Fiat Powertrain Technology, qui annonce lui un gain de 10 %. Toutefois, contrairement au système Fiat, celui développé par Valeo n'est pas prêt d'arriver en série. Si la culasse est désormais industrialisable et sa fiabilité éprouvée par des tests, l'adaptation sur un moteur de série demande des ajustements spécifiques. Il serait illusoire d'espérer le voir arriver avant deux ou trois ans.
Suivant une philosophie similaire au e-Valve, le système MultiAir de Fiat Powertrain Technologies ne s'affranchit pas de l'arbre à cames. Toutefois, les deux systèmes permettent de se passer de papillon d'admission. © FPT
Autre limite : celle du coût. Les ingénieurs présents n'ont pas été capables de nous dire si ce système était plus cher à mettre en œuvre que le MultiAir de FPT. D'autre part, il serait intéressant de comparer les gains en consommation et le surcoût de production par rapport à un moteur à taux de compression variable à l'exemple du MCE-5 (lire notre dossier sur le moteur à taux de compression variable MCE-5). Une fois encore, les ingénieurs Valeo n'ont pas été en mesure de nous fournir les éléments nécessaires à une base de comparaison.
Tous ces systèmes ont toutefois un point commun : ils s'adaptent précisément au besoin de charge en temps réel, que ce soit en jouant sur l'admission (MultiAir et e-Valve) ou sur le taux de compression (MCE-5). Ils se montrent donc extrêmement efficaces sur les cycles réglementaires de mesure de consommation, où les moteurs sont très peu sollicités.
Le système e-Valve se passe de tout élément mécanique liant la culasse au vilebrequin. © Valeo
Cela dit, en conduite dynamique, ces systèmes en reviennent à des réglages plus traditionnels : admission sur toute la course et taux de compression plus faible. Logiquement, la consommation dans ces conditions se rapproche alors de celle d'un moteur conventionnel.
Génialissimes sur le papier, tous ces subterfuges ne font que creuser l'écart entre consommation normalisée et consommation réelle, qui dépend de plus en plus du style de conduite de chacun. Celui qui adopte une conduite coulée en ville profitera de ces avantages. Celui qui aime à faire pousser son moteur haut dans les tours beaucoup moins.
Véhicules électriques : l'amélioration de l'autonomie par la thermique.
Dans le cas des véhicules électriques, Valeo se penche sur d'autres problématiques que celles des batteries : la réduction de la consommation des appareils électriques embarqués. Ainsi, dans certaines conditions (notamment en ville et en hiver), le chauffage peut consommer jusqu'à la moitié de l'énergie de la batterie. En bref, il faut autant d'énergie pour chauffer l'habitacle d'une voiture qu'elle n'en consomme pour se mouvoir.
Sur un véhicule électrique conventionnel, le chauffage est assuré par des résistances électriques. Un système relativement gourmand dont l'énergie est de surcroît dissipée par la ventilation de l'habitacle. Sur un premier prototype, Valeo a conservé ces traditionnelles résistances mais s'est appliqué à redistribuer les flux thermiques afin de réduire les pertes. Une fois que la partie inférieure de l'habitacle est monté à température, le système dit "stratifié" interrompt la ventilation inférieure pour la concentrer en partie haute, là où il est impératif de renouveler l'atmosphère.
Dès 2008, Renault explorait une alternative au chauffage traditionnel des voitures électriques avec le concept Kangoo Z.E. © Renault
Aux côtés de cette application astucieuse et immédiatement industrialisable, Valeo travaille sur la nature même du système de chauffage. La pompe à chaleur, désormais répandue dans le domaine du bâtiment constitue en effet un système de chauffage économique. Des prototypes Valeo équipés de deux types de pompe à chaleur (réversible ou non) sont d'ores et déjà en test. En combinant pompe à chaleur et chauffage stratifié, les ingénieurs sont parvenus à réduire de 50 % les besoins énergétiques du système de chauffage.
Bien qu'intéressantes, ces solutions restent fidèles à une conception traditionnelle qui consiste à élever la température de l'ensemble de l'habitacle. Rappelons qu'en 2008, Renault avait exploré une autre piste avec son concept Kangoo Z.E. dont le système de chauffage se concentrait sur les zones les plus sensibles du corps (mains et visage, par exemple). Malheureusement, les ingénieurs Valeo n'ont pas été en mesure de nous donner des chiffres permettant de comparer ces deux choix techniques.
Dans l'immédiat, Valeo ne semble pas beaucoup croire à la diffusion rapide de la voiture électrique. Ses scénarii les plus optimistes tablent sur une part de marché de 30 % en 2020, en incluant les hybrides rechargeables et les hybrides à prolongateur d'autonomie. Pour Martin Haub, un pourcentage de 15 % de véhicules électriques serait plus plausible.
Malgré ces faibles prévisions, Valeo ne veut pas louper le coche de l'électrique. En particulier parce que les constructeurs seront presque obligés d'en proposer pour respecter les moyennes d'émissions de CO2 sur toute une gamme édictées par l'Union Européenne.
Conclusion
L'électrique que nos édiles présentent telle la panacée risque fort de ne pas s'imposer dans l'immédiat. D'où le développement continu du bon vieux moteur thermique, mille fois remis sur l'ouvrage. Outre les estimations plus que modestes de Valeo, une récente étude signée Deloitte a mis en évidence qu'une large majorité d'Européens (74 %) ne serait pas prêts à acheter un véhicule électrique disposant d'une autonomie de moins de 480 km. Un point de vue que semble partager Takeschi Uchiyamada, vice président de Toyota. Celui-ci imagine mal commercialiser une voiture électrique avant 2030, date à laquelle les batteries lithium-air devraient être au point, permettant de passer la barre fatidique des 500 km d'autonomie.
Nicolas Meunier
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Jeu 31 Mar - 20:50