La nouvelle génération TDI

La nouvelle génération TDI® modulaire réalise une base uniforme pour les futurs moteurs diesel. Elle regroupe des moteurs quatre cylindres d'une cylindrée allant de 1,6 l à 2,0 l, dans les catégories de puissance de 66 kW à 135 kW et les niveaux de dépollution en vigueur respectifs. Le développement des moteurs a concrétisé cette stratégie avec le système modulaire diesel (MDB), en vue de pourvoir à l'avenir les plateformes ultérieures des catégories de véhicules moyenne, compacte et citadine de modules de moteurs identiques ou dérivés. Au sein du groupe, cela s'accompagne côté véhicule de cycles uniformisés au niveau du développement et dans les sites de production. Simultanément, un flux matières économique est garanti.
La conception modulaire porte sur les composants intrinsèques du moteur (groupe motopropulseur, culasse et commande des soupapes) ainsi que sur des éléments rapportés (épuration des gaz d'échappement proche du moteur et tubulure d'admission avec radiateur d'air de suralimentation intégré).

 

Le système modulaire diesel (MDB) doit :

• remplir les exigences futures de la législation antipollution,
• continuer de réduire les émissions de CO2,
• offrir aux marchés de l'UE et d'Amérique du Nord un concept de base identique et
• éviter l'utilisation homogène du système SCR (selective catalytic reduction) et les exigences au niveau du véhicule allant de pair sur des plateformes définies.

Objectifs pédagogiques du dossier :

Ce dossier décrit la conception et le fonctionnement du moteur TDI 4 cylindres de 1,6l/2,0l (MDB – système modulaire diesel). Après avoir traité ce dossier, vous serez en mesure de répondre aux questions suivantes :
• Comment s’effectue l’entraînement des arbres d’équilibrage ?
• Quelle fonction a le volet de gaz d'échappement dans la ligne d'échappement ?
• Quelle est la désignation du circuit de refroidissement lors du démarrage à froid ?
• Qu'est-ce qui distingue le bloc-cylindres du moteur TDI de 1,6l de celui du moteur TDI de 2,0l ?
• Quel est l'ordre de montage des soupapes de la culasse ?

Sommaire

Introduction
Mécanique moteur
Alimentation en huile
Système de distribution variable
Recyclage des gaz d'échappement
Système de refroidissement
Système d'alimentation
Système d'échappement
Gestion du moteur
Service

Introduction

Description technique succincte

Particularités techniques du moteur TDI 4 cylindres de 1,6l/2,0l (MDB)

Caractéristiques techniques

Courbe couple-puissance du moteur TDI de 2,0l

Moteur avec lettres-repères CRLB et CRBC

Mécanique moteur

Bloc-cylindres

Le bloc-cylindres du moteur TDI de 1,6l/2,0l est réalisé, comme dans le cas des moteurs précédents, en fonte grise. Il s'agit ici d'un alliage de fonte et graphite lamellaire (GG-GJL-250). Ce matériau de construction offre, outre une résistance à la traction de 250 à 300 Nm/mm2, toute une série d'excellentes propriétés. La conception de l'architecture du bloc-cylindres a également été perfectionnée. L'influence du vissage, par exemple, est déplacée dans la zone inférieure par des taraudages de boulons de culasse implantés à un niveau bas.

Il s'ensuit une répartition optimisée de la transmission de la force dans la structure du bloc-moteur. Le résultat de cet effet est une précompression plus élevée de l'arrêt de chambre de combustion ainsi qu'une répartition plus homogène de la pression sur toute la circonférence du joint de culasse. En outre, les cylindres sont fabriqués avec le dispositif de honage simultané vissé. Cela garantit le montage sans gauchissement des culasses, ce qui réduit la précontrainte des segments de piston.

Le bloc-cylindres présente les caractéristiques techniques suivantes :

• arbres d'équilibrage intégrés au-dessus du vilebrequin
• chemise d'eau courte en vue d'un réchauffage rapide des composants
• refroidissement optimal des pontets entre les cylindres
• intégration de mesures de gestion thermique au niveau du guidage de l'huile et de l'eau

Différences par rapport au moteur TDI de 1,6l

Contrairement au moteur TDI de 2,0l, la version du moteur TDI de plus petite cylindrée n'est pas dotée d'arbres d'équilibrage. C'est pourquoi le bloc-cylindres a été adapté dans ces zones.

Équipage mobile

Les composants sont :

• vilebrequin forgé à cinq paliers
• seulement quatre contrepoids pour des raisons de poids
• bielles trapézoïdales à tête fracturée
• pistons à tête creuse sans cavités
• un canal d'huile annulaire dans la tête de piston
• alimenté en huile refroidie pour le refroidissement de la tête de piston

Arbres d'équilibrage

Pour compenser les forces d'inertie libres de deuxième ordre, il est fait appel à un système d'arbres d'équilibrage, logé dans le bloc- cylindres, au-dessus du vilebrequin.
On agit à l'encontre des vibrations en entraînant deux arbres tournant en sens contraire avec des contremasses à une vitesse correspondant au double du régime moteur. L'inversion du sens de rotation du deuxième arbre est réalisée par un pignon intermédiaire.
L'entraînement s'effectue, depuis le vilebrequin, côté sortie avec des pignons à denture oblique. La fixation radiale et la fixation axiale des arbres et du pignon intermédiaire sont assurées par des roulements antifriction. La lubrification des roulements est réalisée par un brouillard d'huile en provenance du bloc-cylindres. À basses températures et régimes élevés, les roulements antifriction présentent une perte de transmission réduite.

Entraînement des organes auxiliaires

Le support des organes auxiliaires supporte l'alternateur et le compresseur de climatiseur. Un tendeur de courroie automatique assure la tension correcte de la courroie multipistes. Celle-ci est entraînée par le vilebrequin, via l'amortisseur de vibrations.

Entraînement par courroie crantée

La commande de distribution fait appel à une courroie crantée, qui a été conçue pour un kilométrage élevé1. Partant du vilebrequin, elle va au galet tendeur puis, via le pignon d'arbre à cames, à l'entraînement de la pompe haute pression et à la pompe de liquide de refroidissement interruptible.
Entre les deux, des galets inverseurs assurent un plus grand enroulement des pignons.

Culasse

Les caractéristiques particulières de la culasse1 sont la « disposition en étoile inversée des soupapes », une chemise de liquide de refroidissement en deux parties ainsi qu'un flasque de tubulure d'admission vertical.

La culasse est constituée par deux composants. Le cadre de paliers avec arbres à cames intégrés (module de distribution intégré) et la culasse avec ses éléments.

Les tubes des arbres à cames sont insérés dans les cadres de paliers fermés et réalisent ainsi le module de distribution intégré. Dans le cas de ce procédé, le cadre de paliers entièrement usiné est fi xé dans un dispositif et les cames déjà meulées et chauffées ainsi que la cible sont maintenues en position correcte par une cassette d'insertion dans le cadre de paliers.

Ensuite, les tubes d'arbres à cames déjà dotés des embouts et refroidis sont engagés par les paliers du cadre et guidés à travers les cames refroidies. Après compensation de température des composants, les deux arbres à cames sont montés, indissociables, dans le module de distribution intégré. Ce procédé autorise une exécution très rigide des paliers d'arbres à cames, allant de pair avec un poids très faible. En vue d'une optimisation de la friction, un roulement à aiguilles est monté côté entraînement de l'arbre à cames. Le procédé d'assemblage thermique décrit est utilisé pour le première fois sur des moteurs diesel dans le Groupe Volkswagen. Jusqu'à présent, les composants étaient emmanchés hydraulique- ment.

Légende de la fi gure de la page 13 :

1 Vanne de régulation de pression du carburant N276
2 Accumulateur haute pression de carburant
3 Transmetteur de pression du carburant G247
4 Brides de serrage
5 Injecteurs
6 Dégazage du carter et accumulateur de dépression
7 Couvre-culasse
8 Accumulateur de pression de la distribution variable
9 Module de tubulure d'admission avec radiateur d'air de suralimentation intégré
10 Électrovanne 1 de distribution variable N205
11 Roulement à aiguilles
12 Cadre de paliers avec arbres à cames
13 Culbuteurs à galet
14 Soupapes de l'arbre à cames 1
15 Soupapes de l'arbre à cames 2
16 Culasse
17 Canal de recyclage des gaz d'échappement haute pression
18 Rampe de distribution

Disposition des canaux d'admission/d'échappement

Du fait de la disposition en étoile inversée des soupapes, les sou- papes d'admission et d'échappement sont, vues depuis le fl asque de tubulure d'admission, positionnées l'une derrière l'autre. Il est ainsi possible que les arbres à cames actionnent respectivement une soupape d'admission et une soupape d'échappement. Les canaux ont été redéfinis en raison de la disposition des soupapes modifiée par rapport au modèle précédent. L'accent a été mis sur une augmentation du débit maximal avec un bon coefficient de turbulence. La suppression des volets de turbulence a été compensée par l'intégration d'un chanfrein de turbulence du siège dans les deux canaux d'admission. Un bon comportement de turbulence continue ainsi d'être garanti sur toute la course de la soupape. En outre, le fl asque d'admission est de conception verticale, ce qui permet la mise en œuvre d'une tubulure d'admission avec refroidissement de l'air de suralimentation intégré dans l'espace disponible pour l'implantation.

Chemise de liquide de refroidissement dans la culasse

En vue d'une augmentation de la dissipation de chaleur dans la zone voisine de la chambre de combustion, la chemise d'eau a été subdivisée en un noyau inférieur et un noyau supérieur. Les deux noyaux sont logés individuellement dans la coquille et ne sont pas reliés dans la pièce en fonte. Ce n'est qu'après usinage mécanique côté commande qu'une section défi nie, limitant le débit supérieur, est réalisée.
À la sortie commune de l'échangeur de chaleur du chauffage, le fl asque du chauffage, doté d'un raccord de dégazage, se charge de la réunion. À moteur froid, les liquides de refroidissement du noyau supérieur et du noyau inférieur, au-dessus du radiateur de recyclage des gaz d'échappement, sont dirigés en direction de l'échangeur de chaleur du chauffage.

Dégazage du carter moteur

La culasse est réalisée en polyamide. La principale fonction consiste à réaliser l'étanchement de la culasse et d'intégrer le réservoir à dépression.
Parallèlement, d'autres fonctions telles que la séparation grossière et fi ne de l'huile des gaz de carter ainsi que la régulation de pression dans le carter moteur sont intégrées. Les gaz de carter sont acheminés via de petits orifices du carter moteur au séparateur d'huile grossier, d'où ils sont refoulés dans les cyclones.
C'est là qu'a lieu la séparation d'huile fi ne. En aval des cyclones, les gaz de carter sont dirigés vers la vanne de régulation de pression. Ensuite, ils sont acheminés à la combustion via la tubulure d'ad- mission.

Alimentation en huile

Circuit d'huile

Pompe à huile avec pompe à dépression intégrée

La pompe à huile/à dépression combinée se trouve dans le carter d'huile et est vissée par le bas avec le bloc-cylindres. L'entraîne- ment est assuré par une commande à courroie crantée depuis le vilebrequin. La courroie crantée tourne directement dans l'huile et est réalisée sans tendeur de courroie, la précontrainte de la courroie crantée étant déterminée par l'entraxe défi ni des composants. Il s'ensuit une bonne optimisation des frictions de l'entraînement de la pompe combinée.

Raccords de l'alimentation en dépression et du circuit d'huile

La vanne de régulation de pression d'huile N428 est montée à côté de la conduite de dépression, au-dessus du carter d'huile dans le bloc-cylindres. La liaison avec la conduite de dépression s'effectue via des orifices dans la pompe à dépression et le bloc- cylindres.

Architecture

La pompe est une pompe à palettes avec bague de réglage excentrique. Pour réduire la puissance d'entraînement nécessaire de la pompe à huile, elle dispose d'une commande de débit.
La caractéristique de refoulement peut être modifiée via une bague de réglage à fixation rotative. Cette bague de réglage peut être exposée à une pression d'huile sur une surface de commande et pivoter en sens inverse de la force du ressort de commande.
Un tube d'admission de forme spéciale assure l'aspiration de l'huile moteur dans le carter d'huile, même en cas d'accélération transversale importante du véhicule.

La pompe à dépression aspire l'air du servofrein via une conduite de dépression et les canaux du bloc-cylindres.
L'air aspiré est acheminé via des clapets antirotation à l'intérieur du bloc-cylindres et en aère la chambre. Puis cet air est acheminé à la combustion comme gaz de carter via le dégazage du moteur. Un double clapet antirotation réalise une section suffisamment importante pour évacuer l'huile dans la chambre de pompe à dépression. Les couples d'entraînement sont ainsi maintenus faibles même à basses températures.

Régulation de pression d'huile

Le pompe à huile fonctionne avec deux niveaux de pression, commutés en fonction du régime moteur.

1 Niveau de pression inférieur : Pression d'huile 1,8 – 2,0 bars
2 Niveau de pression supérieur : Pression d'huile 3,8 – 4,2 bars

Fonctionnement

Petit débit de refoulement

Dans la plage des bas régimes, la vanne de régulation de pression d'huile N428 sous tension (borne 15) est mise à la masse par le calculateur du moteur et libère le canal d'huile commuté sur le piston de commande. La pression d'huile agit alors sur les deux surfaces du piston de commande, le repousse contre le ressort de piston de commande et libère la voie vers la surface de commande de la bague de réglage. La pression d'huile agit sur la surface de commande. La force en résultant est supérieure à celle du ressort de commande et fait pivoter la bague de réglage dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans le centre de la pompe à palettes, ce qui réduit la chambre de refoulement entre les palettes. Le niveau de pression inférieur est activé en fonction de la charge moteur, du régime moteur, de la température d'huile et d'autres paramètres de service, ce qui entraîne une diminution de la puissance d'entraînement de la pompe à huile.

Grand débit de refoulement

Dans la plage de régime supérieure ou à charge élevée (accélération à pleine charge), la vanne de régulation de pression d'huile N428 est déconnectée du raccord de masse par le calculateur du moteur J623, si bien qu'il y a purge d'air du canal d'huile commuté. La force de la surface avec pression d'huile restante est inférieure à la force du ressort du piston de commande et ferme le canal allant à la surface de commande de la bague de réglage. Sans pression d'huile appliquée, le ressort de commande fait pivoter la bague de réglage dans le sens horaire autour du contre-palier. La bague de réglage quitte à présent la position centrale et augmente l'espace de refoulement entre les différentes palettes. L'espace entre les palettes étant plus important, la quantité d'huile refoulée augmente.

Les orifi ces d'huile et le jeu du roulement de vilebrequin opposent à ce débit volumique d'huile plus important une résistance, qui fait monter l'huile en pression. On a ainsi pu réaliser une pompe à huile à régulation du débit volumique à deux niveaux de pression.

Module de filtre à huile

Il existe différents modules de filtre à huile suivant la position de montage du moteur.
Moteurs en position longitudinale

Le filtre à huile pour la position longitudinale se compose des éléments suivants :

• Carter de filtre à huile vertical avec clapet d'écoulement d'huile
• Cartouche filtrante
• Contacteur de pression d'huile pour contrôle de la pression réduite F378 (0,3 – 0,6 bar)
• Contacteur de pression d'huile F22 (2,5 – 3,2 bars)

En outre, le module de filtre à huile se compose du radiateur d'huile, monté latéralement sur le module de filtre à huile, ainsi que des clapets de dérivation du filtre à huile et de dérivation du radiateur d'huile.

 

Système de distribution variable

Introduction

Outre la réduction des émissions brutes, la baisse de la consommation de carburant est l'objectif des développements techniques futurs. La mise en œuvre d'une distribution variable pourrait constituer ici une approche de solution envisageable. La mise en œuvre d'une admission variable permet de générer un déplace- ment de la charge rendant inutile l'utilisation d'un volet de turbulence. Une autre variante consiste en l'adaptation du calage de la distribution des soupapes d'admission avec une fi n d'admission précoce ou tardive, ce qui permet une réduction des émissions de NOx et de CO2. Une définition variable des temps d'admission peut aussi permettre de réaliser une réduction de la compression effective. Il en résulterait des températures de compression plus basses, qui auraient pour conséquence une diminution des émissions de NOx.

Un calage variable des arbres à cames n'est réalisé que sur les véhicules répondant à la norme antipollution Euro 6. Dans ce cas précis, plusieurs variables de distribution sont pilotables du fait de l'utilisation d'un actionneur de phase en combinaison avec des arbres à cames d'admission et d'échappement mixtes.

Cette optimisation technique permet :
• remplissage optimisé à pleine charge
• fonctionnement optimisé au plan émissions et consommation par une compression variable et donc plus efficace
• exploitation maximale de la boucle d'expansion
• compression élevée lors du départ à froid

Le calage des arbres à cames s'effectue à l'aide d'un moteur oscillant. Au démarrage, le moteur oscillant est verrouillé mécaniquement, par un doigt de verrouillage, en position avance, jusqu'à ce que la pression d'huile nécessaire soit établie. Le calage actif des soupapes d'admission et d'échappement est de 50° d'angle de vilebrequin en direction du retard.

Légende :

1 Échappement : ouverture variable
2 Admission : ouverture variable
3 Admission : fermeture variable

Avance : les deux soupapes d'admission s'ouvrent simultanément
Retard :  seule la soupape d'admission arrière, implantée « côté échappement » s'ouvre, la deuxième s'ouvre avec un décalage

Architecture

Fonctionnement

Le moteur oscillant est alimenté en huile sous pression depuis la pompe à huile à régulation du débit volumique via une conduite de pression individuelle dans la culasse. Le calage de l'arbre à cames est assuré par le calculateur du moteur à l'aide d'un distributeur proportionnel 4/2 à commande par modulation de largeur d'impulsion. La bague à ailettes intérieure (rotor) du moteur oscillant est reliée à l'arbre à cames.
La bague extérieure (stator) est solidaire d'un pignon, qui s'en- grène dans un pignon de l'arbre à cames entraîné. Le déplacement de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin est atteint par application d'une pression d'huile dans les chambres de travail (A) et (B) entre le rotor et le stator.

La bague extérieure (stator) est solidaire d'un pignon, qui s'en- grène dans un pignon de l'arbre à cames entraîné. Le déplacement de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin est atteint par appli- cation d'une pression d'huile dans les chambres de travail (A) et (B) entre le rotor et le stator.

Plages de travail

Le moteur oscillant du variateur d'arbre à cames doit, pour garantir une régulation rapide, être exposé lors de la variation à un flux volumique d'huile important. L'alimentation en huile de la variation du calage d'arbre à cames est réalisée par une pompe à huile à régulation du débit volumique à deux niveaux. Pour garantir une variation rapide même au premier niveau, où la pression est plus faible, un accumulateur de pression a été intégré dans le variateur de calage d'arbre à cames. Cet accumulateur de pression garantit une alimentation en huile suffi  sante, la pression de retenue dans l'accumulateur de pression pouvant atteindre jusqu'à 1,8 bar. L'électrovanne 1 de distribution variable N205 décide quand l'accumulateur de pression libère son volume d'huile dans le canal correspondant du moteur oscillant. L'électrovanne 1 de distribution variable est pilotée par modulation de largeur d'impulsion par le calculateur du moteur J623.

Dans la chambre exempte de pression, l'huile du moteur oscillant est refoulée dans le retour. Si la pression de la galerie lors du calage de l'arbre à cames est inférieure à la pression dans l'accumulateur de pression, le calage est toujours assisté par l'accumulateur de pression. Lorsque la position finale du moteur oscillant est atteinte, la pression d'huile dans l'accumulateur de pression est rétablie et la pression dans la conduite d'alimentation atteint la pression de la galerie. L'électrovanne 1 de distribution variable N205 peut être réglée de façon qu'une pression d'huile soit appliquée aux deux chambres de travail. En fonction des rapports de pression d'huile dans les chambres de travail (A) et (B), le rotor et donc l'arbre à cames se déplacent en direction « avance » ou « retard ». Lors de l'arrêt du moteur, le moteur oscillant est, avec l'assistance d'un ressort, déplacé en position de démarrage vers « avance » et verrouillé.

Variation vers avance

La pression d'huile arrive via l'électrovanne 1 de distribution variable N205 dans la chambre de travail (A), tandis que le rotor se déplace en direction de la chambre de travail (B) vers « avance ».

Variation vers retard

L'arbre à cames est verrouillé en « position avance ». Le piston de poussoir différentiel taré par ressort est déverrouillé par la pression de l'huile moteur. L'électrovanne 1 de distribution variable N205 libère la chambre de travail (A), la pression d'huile se détend dans le retour et la pression d'huile de l'accumulateur de pression agissant dans la chambre de travail (B) déplace le moteur oscillant en direction du « retard ».
Le pilotage à modulation de largeur d'impulsion permet une variation en continu du calage d'arbre à cames.

Recyclage des gaz d'échappement

Normes antipollution

Pour le recyclage des gaz, il faut faire une distinction entre différentes réalisations en fonction des normes antipollution de l'UE. Sur toutes les variantes, il est fait appel à un module de tubulure d'admission avec radiateur d'air de suralimentation refroidi par eau intégré avec fl asque ou rampe distributrice.
La fonction du module de tubulure d'admission est de diriger le flux d'air frais (y compris le recyclage des gaz d'échappement haute et basse pression) dans la culasse. L'air comprimé est refroidi suivant les besoins via le radiateur d'air de suralimentation intégré, en fonction du cycle de conduite. Cela est réalisé par variation du débit de liquide de refroidissement par la pompe de liquide de refroidissement électrique.

Synoptique des normes antipollution

Le moteur est réalisé dans les variantes d'échappement suivantes :
• Euro 4 avec recyclage des gaz d'échappement haute pression
• Euro 5 avec recyclage des gaz d'échappement basse pression
• Euro 6, Euro 6 stricte et BIN5 avec recyclage des gaz d'échappement basse et haute pression

Sur les véhicule avec norme Euro 6 stricte et BIN5, le système SCR (selective catalytic reduction) avec capteurs de pression des cylindres est monté en supplément dans les bougies de préchauffage. Dans le cas de BIN5, il est également fait appel à un détecteur de température en sortie du radiateur G83. Suivant la norme antipollution, il y a des différences au niveau des composants ainsi que de la manière dont les gaz d'échappement arrivent dans la ligne d'admission.

Liste d'équipement du recyclage des gaz

Moteurs avec norme antipollution Euro 4 (recyclage des gaz d'échappement haute pression)

La version Euro 4 est dotée d'un recyclage des gaz d'échappement haute pression avec soupape de recyclage des gaz d'échappement refroidie et radiateur de recyclage des gaz d'échappement. Le radiateur du recyclage des gaz d'échappement possède un volet de by-