13 mars 2012 ... Le moteur de la nouvelle Citroen DS3 Racing - ... Une des nouvelles orientation
du Groupe PSA Peugeot Citroën est de revenir dans la ...
CNAM - 13ÈME CYCLE DE CONFÉRENCES UTILISATION RATIONNELLE DE L’ÉNERGIE ET ENVIRONNEMENT 13 Mars 2012
Le moteur de la nouvelle Citroen DS3 Racing Le downsizing appliqué aux véhicules sportifs Thierry CHAUVET 13 Mars 2012
Plan de la présentation Contexte général – Cahier des charges Prestations moteur Travaux de calibration moteur Architecture moteur Prestations véhicule Industrialisation moteur Conclusions 2
Contexte général Une des nouvelles orientation du Groupe PSA Peugeot Citroën est de revenir dans la catégorie prémium: la nouvelle ligne DS en est le parfait exemple et plus particulièrement la nouvelle DS3 avec un positionnement résolument urbain chic. Il est très intéressant de souligner l’évolution des attentes de la nouvelle génération de la clientèle Power vs. CO2? premium: celle-ci a nettement élevé son niveau d’exigences en ne souhaitant plus aucun compromis entre sportivité, agrément et CO2. L’automobile restant un vecteur d’image très fort vers l’extérieur, ce dernier item est devenu prioritaire car il est le symbole d’une prise de conscience écologique / développement durable. Les leviers techniques pour réduire les émissions de CO2 sont connus: parmi lesquels le downsizing (réduction des cylindrées) et le down-speeding (réduction des régimes de rotations) au premier abord ceux-ci semblent éloignés de toute notion de sportivité 3
Cahier des charges - Produit L’objectif de la nouvelle Citroën DS3 Racing est d’être une « super DS3 » en exaltant toutes ses qualités premières: « Super » puissance dans sa catégorie plus de 200cv « Super » niveau de CO2 inférieur à 150 g/km (sans malus en France à sa commercialisation) « Super » agrément de conduite utilisable 24h/24, 7 jours/7 D’être en ligne avec la tradition sportive de Citroën Racing en Championnat du Monde des Rallyes
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Cahier des charges - Début de réponse technique Pour répondre à ce cahier des charges, la DS3 THP 156 fut choisie comme base de développement et le développement d’un moteur spécifique fut lancé.
Le challenge technique a consisté à optimiser un moteur (EP) initialement conçu autour de la réduction du CO2: Down-sizing : • 4-cyl. en ligne • 1,6l de cylindrée • longue course, donc faible alésage, donc « petites » soupapes
Down-speeding : rapports de boites vitesses « longs »
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Prestations moteur (1/3) Les augmentations de performances (couple, puissance) font toujours appel aux mêmes principes: Augmentation des débits d’air et d’essence Optimisation de la combustion en pleine charge: réduction de la sensibilité au cliquetis
Augmentation du débit d’air Pour augmenter le débit d’air de 450 à 640kg/h (en conditions nominales), la définition du turbo a été optimisée DS3 156
DS3 Racing
Compressor 2068
2074
Turbine
304.98
304.92
Technical definition from Borgwarner
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Prestations moteur (2/3) Augmentation du débit d’air (suite) Les validations menées lors des émissions en altitude et par climat chaud ont montré que l’utilisation du nouveau turbo n’avait pas d’incidence sur le risque de pompage compresseur: • Acoustique • Durabilité
Lâchers de pied pleine charge
Il était bien évidemment envisageable de recourir à un turbo « plus gros », privilégiant la puissance, mais nous avons estimé que cela aurait trop affecté l’équilibre entre Puissance (Vmax) et Transitoires (montée en couple ressentie) 7
Prestations moteur (3/3) Optimisation cliquetis: Afin de désensibiliser le moteur vis-à-vis du cliquetis, 2 voies furent retenues: Utilisation de carburant à fort RON (~Super Plus avec un RON de 99-100). NB: tous les autres moteurs PSA ont une calibration de base en RON 95 ou inférieur.
Réduction des taux d’IGR dans la chambre de combustion : réduction de la contre pression échappement. Pour y parvenir, il a été décidé de supprimer le silencieux intermédiaire sur la DS3 Racing: • Gain CPE de 60mbar @ 550kg/h de gaz • Typage sonore basse fréquence
Remarque importante: Le rapport volumétrique de compression reste inchangé (10,5) afin de ne pas dégrader la prestation CO2.
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Travaux de calibration moteur (1/2) Les activités de calibrations furent menées selon deux axes: Calibration de base au banc moteur pour augmenter les performances: cliquetis (yc Rumble), protection composants, boucle de haute pression carburant, adaptation du contrôle de suralimentation DS3 Racing- grid measurement AIQ50 [°KW] customer:
person in charge: Hödicke
engine management: MED17.4
PSA Racing
test bench
date
engine
05
10.06.2010
793182
fuel
TBox
ambient press. program version
ROZ 98 25 °C
1014 mbar
7G140F
data set
comment
5c
w/o orig. exhaust; backpressure 595mbar550kg/h 24.8
30.9
30.2
29.2
27.5
24.6
31.5
30.6
29.6
29.1
25.6
23.4
22.4
22.3
22.6 22.4
30.8
31.6
30.8
30.3
23.3
22.1
22.0
22.5
20.6
20.0
25.9
24.2
22.2
20.1
20.0
21.0
20.5
19.6
21.0
20.5
17.9
18.0
17.4
19.0
19.8
19.0
19.1
21.5
16.9
18.0
17.6
19.0 20.0
2.2 2.1 2.0
26.4
1.8 1.7 1.6
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
21.3
18.6
17.3
16.7
16.2
15.8
14.7
15.7
19.2
16.4
14.8
14.5
13.7
13.1
13.7
13.2
14.1
15.9
16.9
14.4
13.1
12.1
12.4
11.9
12.0
10.1
11.8
13.8
16.0
17.8
22.4
19.2
16.1
13.7
12.1
10.0
12.1
11.0
10.5
10.0
12.9
16.5
16.1
20.4
16.5
14.8
13.8
10.9
9.8
13.3
12.4
10.2
13.6
15.7
18.0
15.1
14.5
11.4
9.3
9.3
11.7
10.8
8.7
15.8
16.3
16.9
14.4
12.1
10.9
9.9
8.7
11.3
10.3
15.3
16.3
13.8
11.7
10.0
9.8
8.4
9.8
9.7
9.0 9.4
11.8 11.1
13.9
14.3
13.4
12.0
9.2
9.1
9.8
7.7
9.9
9.6
8.5
11.6
12.2
10.8
7.1
8.1
9.3
7.2
8.9
9.2
7.9
21.4
0.8
24.5
21.4 19.7
18.1
1.1 0.9
23.0
21.5
23.3
1.3
1.0
28.4
25.0
1.4 1.2
27.1
22.2
26.4 25.3
1.5
we [kJ/l]
Les calages de combustion à fortes charges bas régimes sont sous contrôle pour limiter au maximum les risques de « rumble »
1.9
22.6
8.2 8.3
9.6
12.5
7.4
9.3
6.8
8.9
11.2 11.2
8.5
8.7
11.5
10.8
10.1
9.5
12.4
12.3
9.4
9.8
12.2
8.4
9.8
13.1
7.1
10.0
10.4
9.1
9.1
10.5
7.1
7.5
9.8
6.7
8.6
9.1
9.3
6.8
6.8
9.1
6.9
6.9
10.8
7.4
8.6
9.0
9.8
6.6
6.1
6.9
6.5
6.9
9.8
7.4
8.5
9.7
10.1
7.5
9.7
8.7
7.5
7.4
7.5
10.4
9.9
9.2
6.5
9.6
12.0
11.0
8.9
10.2
11.7
6.0
6.2
8.0
10.2
7.7
5.5
6.3
12.1
8.5
7.3
9.6
10.0
5.6 11.5
5.6 30.3
9.8 35.2
10.1 33.8
15.2 33.1
15.7 32.4
12.5 29.1
9.4 26.5
7.3 11.3
9.4 9.0
10.2 10.6
10.4 10.8
13.4
14.6
14.5 13.3
11.7
11.8
12.4 11.4
11.6 12.2
10.6
13.0
12.4
11.1
15.4
9.4 9.3
10.0 10.7
10.6 9.5
0.0 500
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 6000 6250 6500 6750 N_Mot [1/min]
9
Travaux de calibration moteur (2/2) Calibration véhicule pour émissions et agrément: • Efforts limités sur les émissions du fait de la compatibilité €uro 5 de la DS3 THP de base (reprise du système de catalyse)
300
300
250
250
Clutch Torque [Nm]
Clutch Torque [Nm]
• Afin d’atteindre un typage sportif du véhicule, les caractéristiques de la cartographie pédale furent optimisées, plus particulièrement la dosabilité à forte charge et les tip in / tip out pour accroître les transferts de charge sur le train avant.
200 150 100 50 0
200 150 100 50 0
7000 100
90
6000 80
5000 70
Ped
60
al V a
4000 50
lue
40
[%]
3000 30
2000 20
10
1000 0
0
DS3 THP
e gi n En
eed Sp
in] [1/m
7000 100
90
6000 80
5000 70
60
Ped al V
4000 50
40
alue [%]
3000 30
2000 20
10
1000 0
0
E
i ne ng
Sp
eed
in] [1/m
La cartographie pédale de la DS3 Racing est le résultat direct de l’implication de Ph. Bugalski (champion de France des Rallyes 1998, 1999 & 2000, Pilote de développement de la DS3 WRC)
DS3 Racing
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Architecture moteur (1/3) La conduite prolongée à forte charge n’est pas sans solliciter fortement la base mécanique du moteur. C’est pourquoi le moteur de la DS3 Racing reçoit un lot de pièces adaptées:
NB: on note que grâce à la conservation du RVC, les niveaux de Pcyl maxi n’augmentent pas mais la plage de fortes sollicitations est plus large. Nouvelle définition bougie: • Même écartement électrode, même pénétration chambre, • Mais indice thermique plus froid et un pion platine plus gros pour offrir une meilleure durabilité vis-àvis des hautes tensions. • La bougie DS3R est également caractérisée par un hexagonal pour la différencier de la bougie de la version 156cv (bi-hex): fonction de détrompage en après vente. 11
Architecture moteur (2/3) Nouvelle définition piston: • En conséquence de la plus grande plage de pressions cylindre maxi, les pistons du moteur Racing sont caractérisés par une première gorge de piston anodisée. Ceci permet d’être compatible avec la durabilité standard PSA (240 000km)
DS3 THP
DS3 Racing Pictures from Mahle
• Le reste du design piston est reconduit (hauteur de premier segment, fond de piston, face flamme…)
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Architecture moteur (3/3) D’un coté, le fonctionnement à fortes charges induit une forte sollicitation thermique de la face échappement qui est limitée par l’enrichissement de la combustion.
De l’autre, nous savons qu’une richesse trop forte induit des troubles à l’initiation de la combustion ( instabilité de combustion).
Voilà pourquoi la température échappement (T3) est limitée à 920°C sur toute la plage de fonctionnement moteur, hormis sur le point de puissance où elle est accrue à 950°C. Ceci permet de: Accroître localement la stabilité de combustion à Pmax, Sans aucun impact sur la durabilité de la face échappement (collecteur fonte) 13
Adaptation moteur Les besoins de refroidissement d’air moteur série ne sont pas dimensionnés par les contraintes en Vmax, mais bien par certains cas de remorquages sur de longues montées. Ainsi, en condamnant toute possibilité de remorquage sur la Citroën DS3 Racing, il a été possible d’exploiter tout le potentiel du RAS série pour la performance pure. Des mesures réalisées en conditions extrêmes montrent cependant une dégradation des performances bas régimes (régime d’accrochage + 500tr/min maxi)
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Prestations pleine charge - moteur Nous avons vu que le développement du moteur de la DS3 Racing a porté sur plusieurs points. Nous pouvons résumer ainsi les gains apportés à cette version:
Le moteur Racing offre ainsi : Un couple maxi de 275Nm dès 2000 tr/min Une puissance maxi de149kW @ 6000 tr/min
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Prestations véhicule CO2 : En reconduisant les rapports de boîte de la DS3 THP (renforcée ici) En ayant une mise en actions de la catalyse 3 voies plus agressive La DS3 Racing propose un niveau de CO2 inférieur. Sur ce marché, la concurrence propose: 195g de CO2 sur un moteur 2,0 MPI atmosphérique 165g sur une autre version de moteur 1,6 turbo mais avec des rapports de BV plus court pour compenser la plus grosse inertie turbo
Dynamique véhicule: Toutes les prestations sont améliorées par rapport à la DS3 THP de série: -0,7s sur le 400m DA Au delà des chiffres bruts, ces améliorations -1,7s sur le 1000m DA transforment le comportement véhicule - 0,8s sur le 0 à 100km/h 16
Production moteur – process industriel La nouvelle Citroën DS3 Racing étant produite en édition limitée (2000veh/an), un process industriel spécifique a été mis en place notamment pour la production du moteur. Les moteurs de la famille EP sont généralement produits sur le site de la Française de Mécanique (640 000 moteurs/an) à Douvrin – France. Dus au très faibles volumes considérés, la production du moteur Racing est réalisée à Hérimoncourt – France. Hérimoncourt est le berceau de l’aventure industrielle Peugeot. C’est sur ce site qu’étaient notamment produits les fameux moulins à café Peugeot qui ont contribués à construire l’image de qualité de la marque Peugeot. Le site d’Hérimoncourt est maintenant spécialisé dans la production de moteurs et boites de vitesses en petites séries nécessitant un réel savoir faire. Dans le cas du moteur Racing, une équipe dédiée de 18 ouvriers qualifiés a été mise en place pour assurer la production du moteur au plus haut niveau de qualité.
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Conclusions Les ingénieurs ont développé une version très spéciale de la Citroën DS3 qui est cohérente avec l’image du Citroën World Rally Team. Le développement d’un moteur spécifique à la Citroën DS3 Racing a rendu le véhicule encore plus dynamique et distinctif grâce à ces prestations: Performance : 202 Cv (149kW) & 275Nm CO2 : 149g/km Agrément
Pour atteindre les objectifs fixés, un travail global a été mené sur tous les aspects du moteur: conception, production, relation fournisseurs. La nouvelle Citroën DS3 Racing est un bon exemple de concrétisation de la montée en gamme du groupe PSA Peugeot Citroën.
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Série Spéciale DS3 Racing « Sébastien Loeb »: 200 ex.
Merci pour votre attention
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Annexes
Publicité télévision DS3 Racing – septembre 2010 http://www.youtube.com/watch?v=9KxdoNmGO3c
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