L’antirouli actif, mariage de raison

La Porsche type 991, la dernière génération de la mythique allemande, adopte une suspension active, à l'instar de la Panamera, dont l’action ne porte pas sur l’amortissement comme souvent mais sur la rigidité de la barre stabilisatrice. Le concept est intéressant.

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Soupapes, la commande prend des libertés

La commande MultiAir du groupe Fiat Alfa Romeo autorise de multiples combinaisons de diagramme de distribution. Très simple, il renvoie aux archives de l’histoire tous les systèmes mécaniques proposés par les concurrents.

Fiat, « Le » constructeur italien mobilise tout un pays derrière lui quand il s’agit d’innovation. L’injection « common rail » diesel, c’est en effet sous l’impulsion d’une poignée d’ingénieurs italiens qu’elle a vu le jour. A l’époque, la marque n’est pas au mieux. Aussi le projet porté par les bureaux d’études avancées avec des étudiants de Milan a été confié pour toute la mise au point au spécialiste du diesel de l’époque, Bosch. La première application série reste l’Alfa Romeo 156 en 1997. Les italiens remettent ça avec une commande des soupapes évoluée, le MultiAir. Il est monté sur l’Alfa Romeo MiTo avec 135 ch mais aussi sur des modèles plus économiques, moins polluants et aux performances améliorées.

A quoi ça sert

L’objectif du MultiAir est double. Pour obtenir des performances supérieures, il permet de varier à l’infini le diagramme d’ouverture des soupapes. Par exemple au ralenti, peu d’air est nécessaire au fonctionnement. Les soupapes d’admission seront peu ouvertes, à la période la meilleure pour limiter les contre-pressions dans le cylindre et dans la tubulure d’admission. Pour la puissance maxi, l’ouverture sera très grande, commencée bien avant le point mort haut pour augmenter le croisement d’ouverture des soupapes admission et échappement. A la fin de la phase d’échappement, les gaz qui s’échappent aspirent les gaz frais de l’admission dans le cylindre. En phases intermédiaires, l’ouverture est adaptée au volume souhaité, mais il est également possible de fermer plus tôt ou de fermer partiellement, pour créer des effets aérodynamiques dans le cylindre, comme des tourbillons qui dirigent l’essence vers la bougie par exemple. Avec la possibilité d’obtenir un diagramme de distribution variable à la demande, le profil des cames peut être dessiné pour une puissance maximum et donc avec une forte levée et une période d’ouverture maximum, tout en assurant à la demande un fonctionnement « paisible » et économe en carburant au gré de la stratégie de gestion électronique. Dernier avantage, et pas des moindres, l’ouverture des soupapes à la demande limite les pertes d’énergie par « pompage ». C'est-à-dire que le piston qui descend dans le cylindre, à l’admission, qui est alors une pompe et consomme de l’énergie (prise sur les cylindres moteurs au même moment). Papillon fermé ou peu ouvert (phases de ralenti ou de charge partielle) la pompe manque d’air et oppose donc une forte résistance. L’énergie dépensée là peut atteindre plus de 10% de la puissance efficace du moteur. Soupapes d’admission fermées dans ces phases de fonctionnement avec le MultiAir, la pompe n’aspire plus, et ne dépense donc plus cette énergie : gain 10% !

Quel est le supplément de pièces

Toute cette mécanique n’est pas simple. Il faut un actuateur électro-hydraulique à commande par calculateur électronique, qui se rajoute au calculateur moteur. Des pistons multiples à la place des poussoirs à ressort pour récupérer la pression d’huile (jusqu’à 100 bars) et la délivrer aux soupapes. On devine que la mise au point de cette innovation qui a germée dans la tête des ingénieurs il y a plus de 10 ans, a demandé de longs mois pour répondre totalement aux attentes des constructeurs. La maîtrise de l’admission d’air, conjugué à une injection directe du carburant, permet de mieux réussir la combustion et Fiat revendique d’ores et déjà des réductions d’émissions polluantes de 40% pour le CO2 et jusqu’à 60% sur les NOx (oxydes d’azote).

Une seule came suffit pour deux soupapes, et l’implantation de l’arbre à cames est désormais libre.

Comment ça marche ?

Pour faire fonctionner le MultiAir, les ingénieurs de Fiat se sont inspirés de leur création précédente, le « common rail ». Pour les deux systèmes, il y a une très haute pression à domestiquer pour, soit pulvériser très précisément et en plusieurs fois, soit, pour la commande des soupapes, l’utiliser pour pousser sur la soupape plus ou moins fort, plus ou moins longtemps.

La came de commande ne pousse pas directement un mécanisme qui agit sur la tige de soupape, mais comprime de l’huile dans un circuit à deux voies. Une première voie conduit à un piston qui lui pousse sur la queue de soupape. La seconde voie mène à une électrovanne. Si celle-ci est fermée, la totalité de l’huile pousse la soupape, qui s’ouvre largement et pendant toute la durée de poussée de la came. Si l’électrovanne s’ouvre, la fuite diminue la poussée sur la soupape. Il est ainsi possible de gérer la hauteur de levée de la soupape, ainsi que la durée de la levée. Comme pour le common rail du moteur diesel, il est même possible de fermer la soupape plus tôt, et de la rouvrir après si c’est nécessaire.

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L’essieu arrière directeur, atout performance

En technique automobile, si la direction est faite sur les roues avant, l’essieu arrière est déclaré directeur en raison de son influence sur le cap de la voiture. L’utiliser pour améliorer le comportement routier est séduisant, et gagne en popularité.

La direction active sur les roues arrière n’est pas nouvelle, les japonais l’ont testé en série sur plusieurs modèles dès les années 90, Honda avec la Prelude et Mazda sur la 626. Malheureusement, la technique est rapidement abandonnée pour la grande série, Mitsubshi la perpétuant jusqu’aux années 2000 sur le coupé 3000 GT, associé aux 4 roues motrices. C’est Renault qui ressort la direction sur les roues arrière sur la Laguna3 en 2007. Presque 10 ans après, l’Espace de 5è génération en hérite en série, suivi par les Mégane, la Talisman ... De son coté Porsche dote ses 911 GT3, 911 Turbo (série 991) et la 918 hybride d’un dispositif équivalent, alors que BMW le propose option sur la nouvelle génération de la Série 7, L’avenir semble donc aller vers une multiplication des directions arrière actives. Le principe ne manque pas d’atouts.

Des avantages majeurs

En choisissant la direction complémentaire sur l’essieu arrière, les constructeurs proposent une amélioration du comportement routier à basse comme à haute vitesse. Pour obtenir la dualité, le braquage est tantôt dans le même sens que les roues avant, tantôt dans le sens opposé, avec néanmoins des valeurs très faibles, de l’ordre de 1,5 à 5° maxi. L’idée est de donner plus de maniabilité en dessous de 30 ou 50 km/h, et plus de stabilité au dessus de 80 km/h. Avec une direction conventionnelle, les roues arrière ne suivent pas les roues avant. L’essieu arrière est tiré et coupe donc les courbes. Le braquage doit donc être supérieur à la courbe décrite par le véhicule. Si l’essieu arrière est orienté dans le sens inverse des roues avant, quand l’avant est dirigé vers l’intérieur du virage, l’arrière suit pratiquement le trajet pris par les roues antérieures. Avec un braquage des roues diminué la voiture suit mieux la route. La maniabilité est augmentée, comme sur un modèle à empattement court. Le principe est intéressant jusqu’aux vitesses auxquelles le comportement global n’est pas en jeu, d’autant que passé un certain seuil, l’inertie centrifuge entraîne l’arrière à l’extérieur de la courbe, en survirage. Au dessus de 50 km/h, le système est donc désactivé et inversé dès 80 km/h. Dès que la voiture entre dans la courbe, un braquage des roues arrière dans le même sens que les roues avant permet de diminuer le déport de l’arrière vers l’extérieur. On apparente le comportement global du châssis à celui d’un véhicule à plus grand empattement, plus stable, et donc plus sécurisant.

Plus de maniabilité à basses vitesse, et plus de stabilité à hautes vitesses.

Paramètres de fonctionnement

Le paramètre majeur de gestion de la direction arrière est la direction donnée aux roues avant et bien sur, la vitesse. Le choix généralisé des constructeurs donne un braquage opposé à l’avant jusqu’à 30 ou 50 km/h, et un braquage dans le sens des roues avant pour des vitesses supérieures à 50 voire 80 km/h. L’apport à la stabilisation du véhicule et la gestion du braquage par une commande électronique donne la possibilité de coupler le braquage à l’ESP et au comportement actif de la stabilité du véhicule. Sur les dernières générations de la Porsche 911, un différentiel actif avec gestion du couple roue par roue renforce les qualités de la direction sur les roues arrière.

L’alternative, la démultiplication variable

BMW dote ses nouvelles Série 7 d’une direction sur les roues arrière, mais simultanément abandonne la démultiplication variable par train épicycloïdal qui était inauguré en 2004 sur les Série 5. Bien que prometteuse, cette technique qui trouve son efficacité optimale dans l’action croisée avec l’ESP n’a jamais convaincu les usagers, et elle n’apporte pas la vivacité et la stabilité de la direction sur les roues arrières. Premier pas vers une direction sans liaison mécanique (« by wire »), la démultiplication totalement variable s’avère trop coûteuse pour l’agrément apporté.

Coût et possibilités

Hormis l’équipement essayé par Honda qui était totalement mécanique sur la Prelude, c’est une gestion électronique avec des actuateurs hydrauliques ou électriques qui gèrent les mécanismes de direction arrière. Connecté sur le réseau multiplexé, le boîtier de gestion peut recevoir des données de l’ensemble des équipements du véhicule. Un logiciel donne les ordres aux mécanismes. C’est simple et peu coûteux. Les biellettes qui braquent les roues sont dérivées des montages multibras que l’ont trouve communément sur les trains arrière. Les faibles angles donnés travaillent uniquement sur la souplesse des articulations, les silent-blocs. L’équipement est donc limité pour un apport en sécurité et en agrément très positif. Avec des lois de fonctionnement fiabilisées, l’équipement en direction arrière active devrait donc être proposé plus fréquemment, mais sur des modèles de grandes dimensions et à empattement long, ou des véhicules sportifs, pour plus de maniabilité.

Sur la 911 Turbo, un actuateur pousse ou tire chaque roue individuellement.

Les choix des constructeurs

Renault fixe le seuil de changement de comportement à 60 km/h. En dessous, les roues sont braquées de 3,5° en opposé chez Renault, apportant une plus grande maniabilité. Au dessus de 60 km/h, les roues s’orientent dans le même sens que les roues avant, avec un gain en stabilité.

L’adoption du 4Control entraîne le montage d’une direction plus directe. Elle conduit à une démultiplication réduite à 2,4 tours de butée à butée au lieu de 2,8 tours, malgré l’adoption de roues de 19 pouces. Le diamètre de braquage passe ainsi de 12,4 m à 11,6 m. le système est couplé à la programmation des performances avec le système Multi-Sense. La gestion du braquage se fera sous 4 modes différents, en relation avec la gestion de la suspension, du moteur et en corrélation avec l’effort demandé au volant, pour une assistance plus ou moins forte. D’un comportement « confort », on peut opter pour une application « Eco », Neutre ou « Sport »

Sur la 911 Turbo, Porsche utilise 3 lois de fonctionnement. Jusqu’à 50 km/h, les roues braquent dans le sens inverse de l’avant de 2,8°. Puis de 50 à 80 km/h, les roues sont fixes, C’est à partir de 80 km/h que les roues tournent dans le sens des roues avant de 1,5°. Les valeurs beaucoup plus faibles que sur une Renault s’expliquent par l’empattement beaucoup plus court et le comportement plus sportif de la 911.

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Moteurs, des revêtements … nickel !

Pour obtenir des moteurs plus puissants, plus économiques, plus écologiques, les surfaces des pièces en mouvement ont beaucoup évolué.

Des moteurs de course que la réglementation impose à 95 kg, c’est grâce à des progrès qui font que la mécanique approche la science presqu’exacte en deux décennies.

En 1990, les moteurs de Formule Un représentaient le sommet de l’art des mécaniciens. Avec 3 litres de cylindrée, les V8 et V12 développaient près de 700 chevaux pour un poids de 200 kg. Moins de 20 ans plus tard, le législateur impose 95 kg aux constructeurs pour éviter une escalade aux conceptions trop technologiques et les coûts de fabrication. On retrouve la même évolution sur la route. Pour parvenir à de telles évolutions, des matériaux d’exception sont utilisés.

Généralisation d’une métallurgie haut de gamme

Où se situent les évolutions des modèles de série ? en 1980, un moteur haute performance, pour être léger devait avoir un bloc-cylindres en aluminium. Il était alors chemisé en fonte. « Cela amenait des variations de positionnement des pièces entre l’état à froid et moteur chaud, nous dit Laurent Versyp, le motoriste que nous avons sollicité. Depuis, soit les constructeurs sont revenus à des conceptions tout fonte (hormis la culasse bien sur) ou tout aluminium, avec des inserts acier pour les chemises ou des traitements sur l’aluminium. » Chaque constructeur défend en effet sa propre vision de la performance en terme de réalisation. Les plus éloquents sont BMW et Porsche. Le premier a sorti un superbe bloc à six cylindres qui insère un ensemble de chemises en aluminium allié d’une seule pièce dans un bloc en magnésium. Le gain est de 12 kg pour un bloc de 50 kg. C’est très important quand par ailleurs sur la voiture, on traque le gramme. D’autant que le moins de matière il y a, moins élevée est la facture finale. Porsche est toujours défenseur du bloc en aluminium traité « Nikasil ».

Des constructions optimisées par conception

Magnésium, aluminium, traitements … autant de matériaux et procédés qui sont connus depuis très longtemps. « Il faut voir les gains qui sont obtenus sur des moteurs récents comme la preuve que désormais, la conception par ordinateur est arrivée à maturité, nous répond Laurent Versyp. Chaque renfort pratiqué sur un bloc-cylindres est indispensable. » Il n’y a plus de dessin qui naisse de l’expérience. Les caractéristiques mécaniques des métaux sont parfaitement connues, qu’ils soient usinés, forgés ou viennent de fonderie. Chaque gramme de métal est utile à la résistance de l’ensemble. C’est aussi pour cela que même les blocs en fonte d’acier sont performants. C’est également vrai pour l’ensemble des autres pièces. Les pistons sont plus courts, plus légers et leur déformation est mieux maîtrisée, les segments sont mieux dimensionnés, s’usent moins et frottent moins sur le fût du cylindre, les bielles sont plus légères. Une moindre inertie en reprise, une meilleure exploitation de la combustion pour une puissance sans cesse en progrès.

Le bloc du 6 cylindres essence BMW optimise la fabrication en alliage. Le bloc-cylindres en alliage d’aluminium et traitement Nikasil est inséré par fonderie à la peau extérieure en magnésium.

Métaux, il faut jouer des alliages

De l’aluminium pour la majorité des pièces mécaniques, ça ne suffit pas. L’aluminium est un métal léger et peu coûteux, mais pur, il n’est pas résistant aux efforts mécaniques. L’aluminium a toujours été allié à d’autres éléments chimiques, en général des métaux également, qui lui apportent la résistance mécanique, thermique et aux frottements. Pour réduire la masse de leurs moteurs, les constructeurs utilisent donc aujourd’hui des blocs tout alliage, sans chemises, pour des mécaniques un peu plus performantes. Née aux USA, la technique Alusil utilise l’insertion de particules de silicium dans l’aluminium du bloc. Celui-ci est très dur et résistant à l’abrasion, tout en assurant un frottement minimal. Pour obtenir cet état, il est nécessaire de traiter l’ensemble du bloc et celui-ci est particulièrement coûteux. L’usinage est particulièrement délicat, une pellicule d’aluminium étant retiré chimiquement dans les alésages. Le Nikasil est né des travaux du fabricant de pièces moteurs Mahle pour fiabiliser le moteur à pistons rotatif Wankel. Le bloc cylindres en aluminium reçoit un traitement dans les chemises. Un revêtement de nickel et de silicium est appliqué sur quelques dixièmes de millimètres. Plus simple à réaliser, le Nikasil est préféré désormais par un bon nombre de fabricants de moteurs.

Qu’attendre des prochaines générations de moteur ? Les évolutions appliquées dernièrement sont les premières d’étapes très fructueuses. Ils apportent leur lot de nouveauté, à commencer par l’injection directe, la distribution variable et la suralimentation par turbocompresseur. La Mégane RS26 est motorisée par un 2.0 l de cylindrée là où les ingénieurs auraient installé un 3.0 l il y a dix ans. Les prochaines sportives de référence auront un 1.5 l, peut-être même en 3 cylindres ! On s’éloigne du ronronnement impressionnant des V12 de nos fantasmes.

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L'actualité automobile

L'actualité automobile est riche voir pléthorique. Quand on est passionné de belle voiture, d'histoire automobile d'aujourd'hui ou d'hier, nous pouvons passer de nombreuses heures le nez dans les revues ou sites internet. Et malgré tout nous avons l'impression d'avoir loupé une information. 

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