Moteur AUDI V6 TDI de 3,0l avec ultra low emission system (EU6, LEVII, BIN5)
Moteur AUDI V6 TDI de 3,0l avec ultra low emission system (EU6, LEVII, BIN5)
Audi lance en série la technique diesel la plus « propre » du monde.
La poursuite conséquente de l’évolution du TDI aboutit au développement du moteur diesel le plus propre du monde.
Le procédé de combustion TDI a été systématiquement perfectionné dans cet objectif. Le système d’injection, autorisant une
pression d’injection maximale de 2000 bars, un système de recyclage des gaz d’échappement revisité et une suralimentation
par turbocompresseur réoptimisée constituent les piliers de cette évolution. La régulation intégrée de la pression des cylindres
représente elle aussi une nouveauté.
Cet ensemble de mesures permet, dans une première étape, de réaliser une nouvelle
réduction significative des émissions brutes du moteur. Dans une seconde étape, l’émission d’oxyde d’azote est ramenée à
un minimum par l’utilisation d’un système de post-traitement actif des gaz d’échappement. Le système « ultra low emission »
permet ainsi, par la combinaison de mesures internes au niveau du moteur et un système inédit de post-traitement des gaz
d’échappement, une réduction efficace des émissions, allant de pair avec une diminution de la consommation de carburant.
L’objectif poursuivi était le perfectionnement conséquent de la technologie TDI en vue de l’obtention de valeurs s’inscrivant
sous la barre des futurs seuils EU6 ainsi que des seuils préconisés par les normes antipollution LEV II/BIN5, les plus sévères
du monde, afin être parés non seulement pour une mise en oeuvre en Europe, mais aussi dans le monde entier.
Normes antipollution
Les directives définissent pour les moteurs à essence et diesel des voitures particulières des seuils d’émissions pour :
monoxyde de carbone (CO), hydrocarbures imbrûlés (HC), oxydes d’azote*(NOx) et particules (PM) des moteurs diesel.
Seuils d’émission stipulés par les normes antipollution
LEV = Low Emission Vehicle
ULEV = Ultra Low Emission Vehicle
SULEV = Super Ultra Low Emission Vehicle
BIN 5 = norme antipollution en vigueur en Californie et dans d’autres États des USA
Le terme « BIN » vient de l’anglais « sac » car lors des contrôles des gaz d’échappement, ces derniers sont collectés dans
des sacs et analysés. Suivant la norme antipollution définie, il a été procédé à un comptage à rebours de BIN10 à BIN5.
Introduction
Description technique succincte du moteur V6 TDI de 3,0l avec ultra low emission system
Particularités techniques:
– Pompe à huile à régulation du débit
– Gestion du moteur avec commande par chaîne optimisée
– Refroidissement de l’air de suralimentation avec by-pass pour pilotage de la température de l’air de suralimentation
– Compresseur à turbine à géométrie variable de la sté Garrett
– Système d’injection piézo*Common Rail optimisé autorisant une pression d’injection de 2000 bars maxi
– Nouveau recyclage des gaz d’échappement refroidi par air avec préradiateur monté en série équipé d’un thermostat et d’une pompe à eau supplémentaire
Moteur V6 TDI de 3,0l identifié par les lettres-repères CCMA pour EU6 (Europe) et CATA pour BIN5 (USA)
Mécanique moteur
Mesures au niveau du moteur
Le moteur ayant servi de base à ce perfectionnement est la version EU5 du moteur V6 TDI de 3,0l. L’objectif de concrétisation des mesures prises au niveau du moteur était une extension modulaire du groupe motopropulseur existant. Les mesures prises sont les suivantes.
La commande par chaîne biétagée optimisée limite les forces appliquées au niveau de la chaîne et réduit ainsi les pertes par frottement. Une autre mesure consiste à faire appel à une pompe à huile à régulation du débit et à deux niveaux de pression, ce qui permet de réduire la puissance d’entraînement de la pompe.
Chaînes et commande des soupapes
Quelques optimisations ont été apportées à la commande par chaîne, en vue de minimiser les pertes internes par frottement.
La commande par chaîne B de la commande d’arbre à cames du banc de cylindres 1 a été taillée en vue d’augmenter l’enroulement du pignon d’arbre à cames de dimension plus importante.
Simultanément, la démultiplication de la commande a été modifiée de sorte à permettre la réduction de l’effort d’actionnement.
La mise en oeuvre d’un nouveau radiateur de recyclage des gaz d’échappement en technique modulaire en aluminium garantit une puissance de
refroidissement accrue. Simultanément, cette mesure a permis d’abaisser la perte de pression dans la ligne de recyclage des gaz, ce qui a une influence positive sur le renouvellement des gaz et donc sur la consommation de carburant.
Le système d’injection, d’une pression d’injection maximale de 2000 bars, une suralimentation par turbocompresseur optimisée ainsi qu’un circuit d’air de suralimentation avec by-pass intégré au niveau du radiateur d’air de suralimentation garantissent une gestion thermique optimisée du circuit d’air.
Le capteur de pression de la chambre de combustion, permettant une combustion basée sur la pression des cylindres, constitue une nouveauté.
Par ailleurs, la commande par chaîne D a été modifiée dans la zone de l’arbre d’équilibrage de sorte à permettre l’augmentation de l’intervention de la chaîne dans le pignon.
L’arbre d’équilibrage est entraîné par la commande par chaîne D à la vitesse de rotation du vilebrequin dans le sens inverse de rotation du moteur.
Pompe à huile à régulation du débit du moteur V6 TDI de 3,0l
La mise en oeuvre d’une régulation du débit constitue une mesure permettant de réduire la puissance d’entraînement requise de la pompe à huile.
Le nouveau moteur V6 TDI de 3,0l est équipé d’une pompe de transfert à palettes dont la caractéristique de refoulement peut être modifiée par une bague de régulation rotative.
Cette bague de régulation peut, via les surfaces de commande 1 + 2, être soumise à la pression d’huile et basculée en surmontant la force du ressort de commande.
Dans la plage des bas régimes, l’électrovanne N428 sous tension (borne 15) est mise à la masse par le calculateur du moteur et libère le canal d’huile sur la seconde surface de commande de la bague de régulation.
Les deux flux d’huile agissent alors – à pression identique – sur les deux surfaces de commande.
Les forces en résultant sont supérieures à celle du ressort de commande et font pivoter la bague de régulation dans le sens antihoraire.
La bague de régulation pivote dans le centre de la pompe de transfert à palettes et réduit le compartiment de transfert entre les palettes.
Le niveau de pression inférieur est commuté en fonction de la charge du moteur, du régime moteur, de la température de l’huile et d’autres paramètres de service, se traduisant par la réduction de la puissance d’entraînement de la pompe à huile.
Gros débit
À partir d’un régime de 2500 tr/min ou d’un couple de 300 Nm (accélération à pleine charge), l’électrovanne N428 est coupée de la masse par le calculateur du moteur J623 de façon à fermer le canal d’huile vers la surface de commande 2.
La pression d’huile appliquée n’agit alors plus que sur la surface de commande 1 et oppose une force plus faible à la force du ressort de commande.
Le ressort de commande fait pivoter la bague de régulation dans le sens horaire autour du contrepalier. La bague de régulation pivote alors, quittant sa position centrale, et augmente le compartiment de transfert entre les palettes.
L’augmentation des compartiments entre les palettes entraîne un refoulement d’huile plus important.
Une résistance due aux orifices d’huile et au jeu des paliers de vilebrequin s’oppose au débit d’huile plus élevé, ce qui provoque une augmentation de la pression d’huile.
Cela a permis de réaliser une pompe à huile à régulation du débit à deux étages de pression.
Recyclage des gaz d’échappement sur le moteur V6 TDI de 3,0l
Sur le moteur V6 TDI EU5, il a été fait appel à un module de recyclage des gaz d’échappement inédit regroupant en un seul composant les fonctions de radiateur, soupape et by-pass du recyclage des gaz d’échappement.
Du fait des températures des gaz d’échappement plus élevées dans la plage de charge partielle, une puissance de refroidissement plus importante s’est avérée nécessaire.
Pour la version EU6/BIN5, le module de recyclage des gaz d’échappement, logé à l’intérieur du V du moteur, a été complété par un radiateur supplémentaire monté en série et disposé en amont.
Le circuit de recyclage des gaz d’échappement se compose d’un micro-catalyseur, d’un radiateur supplémentaire et du radiateur de recyclage des
gaz d’échappement, transmetteur de température et soupape de recyclage des gaz électrique refroidie par eau inclus.
En vue d’éviter des dépôts dans le circuit de recyclage des gaz, en cas notamment de fonctionnement avec des carburants de qualité inférieure et
à forte teneur aromatique, un micro-catalyseur métallique d’oxydation est implanté au début du circuit de recyclage des gaz d’échappement.
Afin d’obtenir des températures aussi basses que possible, le radiateur de recyclage des gaz d’échappement est relié un circuit de liquide de refroidissement basse température distinct (cf. page 13).
Le liquide de refroidissement est prélevé directement à la sortie du radiateur d’eau principal et refoulé au moyen d’une pompe électrique vers le radiateur de recyclage des gaz d’échappement. Le radiateur supplémentaire est relié
au circuit de refroidissement du moteur et permet ainsi de multiplier quasiment par deux la puissance de refroidissement.
Les deux radiateurs de recyclage des gaz d’échappement sont dotés d’un volet de by-pass.
Cela garantit une adaptation asservie aux besoins de la puissance de refroidissement au point de charge considéré. En vue d’une réduction des émissions de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures, les volets sont amenés en position by-pass durant la phase de réchauffage du moteur.
Radiateur de recyclage des gaz d’échappement commutable
Par rapport à la version de base, la puissance de refroidissement améliorée du radiateur de recyclage des gaz d’échappement se traduit déjà par
une nette baisse des valeurs pour les particules et les oxydes d’azote.
Les diagrammes ci-dessous illustrent l’efficacité du système de recyclage des gaz en fonction des axes « particules » et « NOx » pour deux points de charge partielle sélectionnés.
Le moteur fonctionne à charge partielle, le by-pass du radiateur supplémentaire est ouvert, le by-pass du radiateur de recyclage des gaz d’échappement est fermé, les gaz d’échappement sont acheminés via le radiateur de recyclage des gaz d’échappement, où ils sont refroidis.
Radiateur de recyclage des gaz d’échappement traversé par les gaz – radiateur supplémentaire en mode by-pass
Point de commutation du volet de by-pass du radiateur de recyclage des gaz d’échappement à env. 1750 tr/min (en fonction de la cartographie)
Au fur et à mesure que la charge augmente et en raison des températures des gaz d’échappement plus élevées que cela entraîne, le radiateur supplémentaire est activé et les deux radiateurs de recyclage des gaz fonctionnent alors en mode refroidissement. Cela permet une augmentation
du taux de recyclage des gaz allant de pair avec des températures plus basses et se traduit par une nouvelle réduction des émissions d’oxydes d’azote.
Radiateur supplémentaire traversé par les gaz – radiateur de recyclage des gaz traversé par les gaz
Point de commutation du volet de by-pass du radiateur supplémentaire à env. 2200 tr/min (en fonction de la cartographie)
Suralimentation par turbocompresseur avec circuit d’air de suralimentation
Tandis que le turbocompresseur du moteur de base EU5 a pu être repris pour la version EU6, il a fallu procéder à son adaptation spécifique pour répondre à la norme BIN5.
La réduction de la taille du compresseur et de la turbine assure un bon comportement en réponse et au démarrage, même en altitude, en dépit d’une puissance maximale légèrement réduite.
L’optimisation des paliers de l’arbre de turbine a permis de réduire les pertes par frottement dans le cas d’une huile moteur froide durant la phase de réchauffage du moteur et garantit avant tout en altitude et à basses températures ambiantes un comportement en réponse plus spontané.
En vue d’éviter les bruits d’écoulement dans le cas de pressions de suralimentation élevées, il est fait appel à un ralentisseur de flux côté admission et à un ralentisseur de flux à deux chambres en sortie du compresseur.
Refroidissement de l’air de suralimentation avec by-pass du radiateur d’air de suralimentation intégré
En plus de la régulation de la température de recyclage des gaz d’échappement, la température de l’air de suralimentation joue également un rôle
important pour maintenir aussi constantes que possible les conditions thermodynamiques pour la combustion à des températures ambiantes différentes et garantir ainsi un comportement d’émissions de qualité constante.
Comme les radiateurs d’air de suralimentation se caractérisent par un rendement très élevé et refroidissent par conséquent, à des températures extérieures basses, l’air de suralimentation comprimé à une température voisine de l’air ambiant, un by-pass a été intégré pour la dérivation du radiateur d’air de suralimentation dans le circuit d’air.
L’unité de dérivation compose du boîtier des volets de by-pass et de deux volets perpendiculaires montés sur un axe commun.
Ils permettent un mélange continu d’air refroidi en provenance des deux radiateurs d’air de suralimentation et d’air chaud venant du turbocompresseur.
Dans les positions d’extrémité du volet, seul est acheminé à la tubulure d’admission l’air réchauffé provenant du turbocompresseur ou l’air refroidi
venant des radiateurs d’air de suralimentation.
L’avantage du mélange variable de l’air de suralimentation réside dans la possibilité de régulation en fonction de la cartographie de la température de l’air d’admission à la valeur de consigne souhaitée selon un rapport de mélange variable.
Cela assure des conditions thermodynamiques constantes en vue d’une combustion pauvre en émissions et économique en carburant.
La température de l’air de suralimentation est déterminée par le transmetteur de pression de suralimentation G31 avec transmetteur de température de l’air d’admission G42 intégré, monté directement en avant du papillon dans le flexible de pression.
Moteur froid, température extérieure basse
L’air de suralimentation réchauffé, en provenance du turbocompresseur via le tuyau 3 voies, est directement acheminé
à la tubulure d’admission via le volet de by-pass.
Cela permet une activation rapide du catalyseur d’oxydation, du filtre à particules et des systèmes de dépollution des gaz d’échappement.
Moteur sous charge, température extérieure élevée
À partir d’env. 1750 tr/min, la quantité d’air de suralimentation refroidi est acheminée en fonction de la cartographie à la tubulure
d’admission via une position définie des volets de by-pass.
La fermeture du volet de by-pass obture le passage direct de l’air de suralimentation dans la tubulure d’admission. L’air de suralimentation est acheminé à la tubulure d’admission via le radiateur d’air de suralimentation.
Système de refroidissement
Légende:
1 Radiateur pour refroidissement du carburant (eau/air)
2 Pompe de refroidissement du carburant V166
3 Clapet antiretour
4 Radiateur d’eau
5 Transmetteur de température de liquide de refroidissement en sortie du radiateur G83
6 Vis de purge
7 Régulateur de liquide de refroidissement
8 Régulateur de liquide de refroidissement pour recyclage des gaz d’échappement
9 Pompe de radiateur du recyclage des gaz d’échappement V400
10 Alternateur
11 Radiateur d’huile moteur
12 Culasse banc 1
13 Vase d’expansion du liquide de refroidissement
14 Bouchon du vase d’expansion du liquide de refroidissement
15 Transmetteur de température de liquide de refroidissement G62
16 Vis de purge
17 Radiateur supplémentaire de recyclage des gaz d’échappement
18 Radiateur de recyclage des gaz d’échappement
19 Volet de commutation du recyclage des gaz d’échappement
20 Échangeur de chaleur du chauffage
21 Venant de l’échangeur de chaleur
22 Allant à l’échangeur de chaleur
23 Culasse banc 2 (gauche)
24 Radiateur de carburant (carburant/eau)
25 Vis de purge
26 Régulateur de liquide de refroidissement pour recyclage des gaz d’échappement
27 Pompe de liquide de refroidissement
Refroidissement du recyclage des gaz d’échappement
Le régulateur de liquide de refroidissement pour le circuit du moteur s’ouvre à une température d’env. 87 °C. La pompe de radiateur du recyclage
des gaz d’échappement V400 démarre lorsque le recyclage des gaz d’échappement est activé et que le volet de by-pass est fermé.
Si la température du liquide de refroidissement à la sortie du radiateur dépasse 70 °C, la pompe du recyclage des gaz d’échappement est
désactivée. Elle n’est réactivée que lorsque la température du liquide de refroidissement à la sortie du radiateur redescend en dessous de 63 °C.
Refroidissement du carburant
Dans le cas d’une charge élevée, le gazole doit être refroidi en vue du dosage précis des débits d’injection et du respect des valeurs d’émission.
La pompe de refroidissement du carburant démarre lors du lancement du moteur.
Régulation de la combustion basée sur la pression des cylindres
La combustion basée sur la pression des cylindres constitue une autre mesure en vue du respect de valeurs d’émission réduites, conjuguées à l’optimisation de la consommation.
Le capteur de pression de la chambre de combustion utilisé sur le moteur V6 TDI de 3,0l avec « ultra low emission system » a été développé par la société Beru et porte la désignation de PSG*(Pressure Sensor Glow Plug).
Il s’agit d’un élément chauffant métallique auquel a été ajoutée une fonction de capteur de pression du cylindre. Ce type de capteur est monté dans les cylindres 2 et 5 du moteur.
Il en résulte la possibilité d’intégrer cette nouvelle fonctionnalité dans l’espace disponible du concept de culasse. La tige chauffante de l’élément de préchauffage est mobile dans le sens axial et transmet la pression du cylindre à une membrane via une tige de pression. La déformation de la membrane est enregistrée via une variation de la résistance et traitée dans une électronique intégrée.
Le signal de tension traité est transmis au calculateur du moteur en vue de son évaluation ultérieure.
La combustion basée sur la pression des cylindres permet une adaptation optimale du point d’injection, et donc de la courbe de pression lors de la combustion, à des qualités de carburant et taux de recyclage des gaz d’échappement variables.
La courbe de combustion est déterminée à par tir du signal de pression du capteur de pression de la chambre de combustion et du signal de régime du moteur.
Suivant l’écart résultant de la comparaison valeur de consigne/valeur réelle, il y a définition d’une valeur de correction relative à la courbe de consigne de la combustion, qui intervient au niveau du système d’injection comme du système d’air.
La qualité du carburant et notamment l’indice de cétane ont des répercussions importantes sur le déroulement et la vitesse de combustion. Un indice de cétane faible réduit la propriété d’inflammation du carburant et augmente donc considérablement le délai d’inflammation. Le point de combustion est décalé en direction du « retard ». Cela se traduit par des ratés et des processus de combustion incomplets.
Sur les moteurs sans régulation basée sur la pression des cylindres, la combustion ne peut pas, en raison de l’important décalage en direction du
retard et du ralentissement se produisant, être intégralement réalisée dans le cas de taux de recyclage des gaz d’échappement très élevés.
Il en résulte des états de combustion assimilables à des ratés. Cela s’accompagne d’une considérable augmentation des émissions de HC et de CO.
La régulation de la combustion asservie à la pression des cylindres permet de maintenir le déroulement de la combustion constant et de
stabiliser la combustion.
Il est remédié au délai d’inflammation plus important par un décalage en direction de l’avance du début d’injection.
De cette façon, les émissions de HC et de CO peuvent, dans le cas d’indices de cétane faibles, d’une faible charge et de taux de recyclage des gaz d’échappement relativement élevés, être maintenues à un bas niveau pratiquement constant.
Système d’injection – Common Rail
Le système d’injection haute pression utilisé est un système à rampe d’injection commune (Common Rail) de la dernière génération de la société Bosch.
Une pompe haute pression à deux pistons CP4.2 génère une pression maximale de 2000 bars dans le rail.
La pompe a été perfectionnée en vue de répondre aux exigences accrues dues à des qualités de carburant très variables.
La pompe haute pression a été renforcée pour combattre une usure excessive due à une capacité lubrifiante réduite et une teneur en eau élevée. Cela inclut des revêtements spéciaux sur le galet et le piston ainsi qu’un traitement thermique du boîtier en fonte d’aluminium.
* Nota :
Lors de la repose du pignon de courroie crantée de la pompe haute pression, tenir compte des instructions du Manuel de réparation !
Les injecteurs ont également été perfectionnés pour une mise en oeuvre avec une pression d’injection maximale de 2000 bars. Avec un injecteur à
8 trous identique, le débit de l’injecteur a été réduit et adapté aux nouvelles exigences en matière d’émissions.
Le diamètre réduit des trous de l’injecteur ainsi que l’élévation de la pression d’injection se traduisent par une amélioration du conditionnement du
mélange lors de l’injection et donc par une meilleure compatibilité avec le recyclage des gaz dans la plage de charge partielle, allant de pair avec
une augmentation du débit à pleine charge.
La combinaison des trous d’injecteur réduits et d’une pression d’injection accrue à pleine charge permet au moteur V6 TDI avec ultra low emission
system d’atteindre la même courbe de puissance que le moteur de base EU5.
Post-traitement des gaz d’échappement
Système d’alimentation:
Synoptique du système
Après avoir, lors d’une première étape, réduit les émissions et la consommation par la prise de mesures internes au niveau du moteur, les émissions ont été, dans une seconde étape - le post-traitement des gaz d’échappement - réduites à un minimum.
En plus des composants connus que sont le catalyseur d’oxydation et le filtre à particules, de nouveaux composants ont été mis en oeuvre en vue de diminuer les émissions d’oxyde d’azote.
Le système d’échappement se compose d’un catalyseur d’oxydation implanté à proximité du moteur, du filtre à particules revêtu, du système de post-traitement des gaz d’échappement ainsi que du silencieux.
Les capteurs suivants sont intégrés dans le système d’échappement :
– Capteurs de mesure de la température en amont et en aval du catalyseur d’oxydation, en aval du filtre à particules
– Capteur de pression différentielle servant à la détection de la charge de suie
– Capteurs NOx en amont du catalyseur d’oxydation et en aval du catalyseur DeNox
Ces capteurs servent au contrôle du processus de post-traitement des gaz d’échappement.
Le système de post-traitement des gaz d’échappement se compose du catalyseur DeNox, de l’injecteur d’agent de réduction ainsi que d’un système de réservoirs de ravitaillement en agent de réduction avec unité de refoulement de l’agent de réduction et conduites d’agent de réduction.
Le catalyseur DeNox supplémentaire, monté en aval du catalyseur d’oxydation et du filtre à particules, permet d’éliminer une large part des émissions d’oxydes d’azote.
Il est pour cela fait appel à une solution à 32,5 % d’urée/eau jouant le rôle d’agent de réduction (l’agent de réduction est distribué sous la marque
AdBlue®), qui est injectée en faibles doses dans le système d’échappement.
Catalyseur DeNox = catalyseur de réduction de l’oxyde d’azote
Réservoir à carburant et d’agent de réduction
Deux réservoirs d’agent de réduction ont été adjoints au r&eac