Présentation moteur: Volkswagen 1.5l TSI

Avec la baisse significative des ventes de motorisations diesel, le 1.5l TSI (famille EA211 Evo) est appelé à jouer un rôle important pour le groupe automobile allemand grâce à sa cylindrée intermédiaire. Le 1.5l TSI est disponible selon deux niveaux de puissance: 130 chevaux et 150 chevaux. Bien que proches en matière de performance, les deux versions présentent une philosophie distincte et des différences techniques significatives.

Architecture

Le 1.5l TSI (famille EA211 Evo) est intimement dérivé du 1.4l TSI (famille EA211 s’articulant autour de moteurs de 1,0 litre à 1,4 litre de cylindrée). Il s’agit d’un moteur à 4 cylindres, turbocompressé et à injection directe. Cette famille de moteurs a été développée spécifiquement pour la plateforme MQB (plateforme à moteur transversal du groupe du groupe Volkswagen) utilisée par de nombreux modèles, du plus compact (Volkswagen Polo) au plus vaste (Skoda Kodiaq).

L’EA211 Evo s’articule autour d’un bloc en aluminium. Comme ce matériau supporte mal les frictions et la chaleur que cela engendre, une chemise en fonte grise est insérée dans chaque fût de cylindre. Dans le cas de la version 110 kW, ces chemises reçoivent un traitement additionnel par projection plasma (donnant un effet miroir) afin d’améliorer l’état de surface des cylindres pour réduire les frictions entre le cylindre et le piston. La culasse et les pistons sont, eux-aussi, en aluminium.

Le 1.5l TSI a conservé l’alésage du 1.4l TSI (74,5 mm). L’augmentation de la cylindrée est donc faite par l’allongement de la course: 80 mm pour le 1.4l TSI contre 85,9 mm pour le 1.5l TSI. Ainsi, le 1.5l TSI est encore plus typé longue course que son prédécesseur, une architecture qui favorise le couple à bas régime plutôt que les performances à haut régime.

Le taux de compression atteint 12.5:1 dans le cas de la version 96 kW (130 chevaux). Pour la version atteignant 150 chevaux, le taux de compression est abaissé à 10.5:1. Le 1.4l TSI atteignait un taux de compression de 10,0:1.

Performances

Dans sa version 130 chevaux (96 kW), le 1.5l TSI propose une puissance de 130 chevaux de 5.000 tr/min à 6.000 tr/min et un couple de 200 N.m entre 1.400 tr/min et 4.000 tr/min. Dans le cas de la version 150 chevaux (110 kW), la puissance atteint 150 chevaux de 5.000 tr/min à 6.000 tr/min et dispose d’un couple de 250 N.m entre 1.500 tr/min et 3.500 tr/min.

Cycle Miller

Le cycle Miller s'applique uniquement au 1.5l TSI 96 kW (130 chevaux). Le cycle Miller peut être réalisé selon deux variantes: soit en fermant tardivement les soupapes d'admission lors de la remontée du cylindre (phase de compression), soit en fermant prématurément les soupapes d'admission pendant la phase d'admission.

Dans les deux cas, la philosophie est la même: la phase de compression est plus courte que la phase de détente afin d'améliorer le rendement. Outre un rendement supérieur au classique cycle Beau de Rochas (permettant de réduire sensiblement la consommation d’essence), le cycle Miller a aussi pour avantage de réduire significativement la température des gaz d’échappement.

Pour ce qui concerne le 1.5l TSI, Volkswagen a pris le parti de fermer les soupapes d’admission de manière anticipée, avant que le piston n’ait atteint le point mort bas durant la phase d’admission. A cet effet, la levée des soupapes est moindre dans le cas de la version 96 kW (levée des soupapes de 7,2 mm contre 9,0 mm pour la version 110 kW), réduisant ainsi notamment la durée d’ouverture des soupapes.

Grâce à cette technique, lorsque les soupapes d’admission se ferment, les gaz frais admis se détendent jusqu’à ce que le piston ait atteint le point mort bas. Cela permet d’abaisser la température des gaz dans le cylindre.

Les soupapes d’admission étant ouvertes sur une courte durée, il est nécessaire de prendre des mesures spécifiques de manière à optimiser le remplissage du cylindre en air frais. Notamment, il est important que le turbocompresseur soit réactif dès les plus bas régimes.

Enfin, ce mode de fonctionnement a une autre répercussion: pour admettre plus d’air dans un court laps de temps, il est nécessaire d’ouvrir plus largement le papillon d’accélérateur, ce qui permet de réduire les turbulences dans le conduit d’admission et d'améliorer, par conséquence le rendement.

Au contraire de la génération 3B de la famille de moteurs EA888 (1,8l et 2,0l TSI), le changement de mode entre le cycle Beau de Rochas et le cycle de Miller ne se fait pas en basculant sur un profil de came différent, mais plutôt en ajustant le calage (le moment où les soupapes s’ouvrent) des soupapes.

Turbocompresseur

Le 1.5l TSI de 96 kW est équipé d’un turbocompresseur à géométrie variable (TGV). Si ce type de turbo est couramment utilisé dans le cas des moteurs diesel, les TGV sont encore rares dans le cas des moteurs essence à cause de la forte température des gaz d’échappement.

Dans le cas de la version la moins puissante, Volkswagen a limité cette température grâce au fonctionnement selon le cycle Miller. De fait, la température maximale atteinte par le 1.5l TSI de 130 chevaux est inférieure à 900 °C contre près ou plus de 1.000 °C en règle générale pour un moteur essence.

Le turbo à géométrie variable permet d'obtenir une pression de suralimentation significative dès les plus bas régimes (à l'image d'un petit turbo à faible inertie) tout en optimisant le couple maximal à haut régime.

Le turbocompresseur de la version 110 kW est, quant à lui, plus classique: il s’agit d’un turbo à simple entrée et à géométrie fixe. La soupape de décharge est actionnée électriquement (principe repris du 1.4l TSI de précédente génération).

Distribution

L’EA211 Evo compte quatre soupapes par cylindre. L’entraînement des arbres à cames se fait à l’aide d’une courroie crantée. Le 1.5l TSI est équipé du calage variable en continu des soupapes à l’admission et à l’échappement.

Le déphasage est commandé à l’aide d’actionneurs hydrauliques. Côté admission, la vanne de régulation de pression d’huile est directement intégrée dans l’actionneur plutôt que déportée, ce qui permet une mise en action plus rapide du déphaseur.

Le calage des arbres à cames se fait sur une amplitude d’environ 70° pour les soupapes d’admission contre 40° pour les soupapes d’échappement. Les soupapes sont actionnées à l’aide de linguets à rouleaux. Dans le cas de la version délivrant 150 chevaux, les soupapes d’échappement sont remplies de sodium.

Selon le régime et la charge moteur, le croisement des soupapes évolue grâce au calage variable afin de privilégier le rendement moteur ou la puissance.

A faible régime, l’avance à l’ouverture des soupapes d’échappement (AOE) est maximale (les soupapes s’ouvrent le plus tôt possible), tout comme le retard à la fermeture des soupapes d’admission (RFA), le croisement des soupapes (moment où les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes simultanément) est important.

A faible charge, cela permet d’augmenter la recirculation des gaz d’échappement dans le cylindre pour abaisser notamment les émissions d’oxyde d’azote. Lorsque la charge moteur devient élevée, la pression des gaz frais à l’admission est plus élevée que la contrepression des gaz d’échappement. Un croisement de soupapes élevé permet de garantir l’expulsion des gaz brûlés présents dans le cylindre pour maximiser le couple moteur.

Lorsque le moteur fonctionne à moyen et haut régime, le croisement des soupapes est réduit pour favoriser les performances du moteur: l’AOE est donc réduite, tout comme le RFA.

Lorsque la demande en couple est faible, le 1.5l TSI désactive automatiquement les cylindres 2 et 3 (système ACT - Active Cylinder Management). Cette désactivation se fait grâce au déplacement le long de l'arbre à cames de 2 blocs coulissants indépendants sur lesquels sont usinées les 2 profils de cames des cylindres 2 et 3 (profil d'ouverture normale des soupapes et soupapes constamment fermées).

La désactivation partielle des cylindres se produit entre 1.350 et 3.200 tr/min lorsque la demande de couple n’excède pas 75 N.m (version de 130 chevaux) ou 85 N.m (dans le cas de la version de 150 chevaux).

Echappement

Afin de traiter au mieux les émissions de gaz polluants, le collecteur d’échappement est intégré dans la culasse. Cette technique permet non seulement de réduire la distance entre la sortie moteur et les dispositifs de dépollution, mais aussi de mieux conserver la chaleur des gaz au sein de la ligne d’échappement car le collecteur bénéficie du système de refroidissement de la culasse.

Ces deux points permettent d’atteindre rapidement des températures élevées au niveau des systèmes de dépollution, un avantage certain pour ces derniers qui donnent leur pleine efficacité à haute température. A pleine charge, les gaz d’échappement sont refroidis dans le collecteur d’échappement.

Jusqu’au printemps 2018, la dépollution des gaz d’échappement était assurée à l’aide de deux catalyseurs 3 voies classiques: l’un monté juste après le turbo et le second un peu plus loin dans la ligne d’échappement, après le flexible de découplage.

Depuis l’été 2018 et afin de satisfaire aux normes Euro 6c et Euro 6d temp, le premier catalyseur 3 voies a été remplacé par un filtre à particules, ce dernier conservant de plus les fonctions d’un catalyseur 3 voies classique. Le second catalyseur est maintenu.

Injection

L’injection de carburant se fait directement dans les cylindres. Les injecteurs comptent 5 trous et la pression d’injection de carburant peut atteindre 350 bar. Selon les conditions de fonctionnement, jusqu’à 5 injections peuvent être réalisées par cycle moteur, ceci afin d’améliorer l’homogénéité du mélange air/carburant pour limiter le risque de cliquetis et diminuer les émissions de gaz polluants.

Multiplier les injections permet d’éviter d’injecter une grande quantité de carburant en une seule fois, ce qui conduirait une part significative de carburant à se retrouver sur les parois du cylindre (réduction, entre autres, des émissions de carburant imbrûlé).

Lors des démarrages à froid, une ou deux injections tardives ont lieu afin de retarder une partie de la combustion et ainsi de distribuer plus de chaleur au pot catalytique pour accélérer sa mise en température.

Gestion de la température

La pompe à eau est entraînée par l’arbre à cames des soupapes d’échappement à l'aide d'une courroie sans entretien. Elle est intégrée dans un boîtier central de gestion de la température, à l’image de la troisième génération des moteurs 1.8l / 2.0l TSI de la famille EA888.

Ce module de gestion de la température permet, d’une part, d’accélérer la mise en température du moteur et de gérer ensuite finement la température du liquide de refroidissement et du moteur.

Au démarrage, il n’y a pas de circulation du liquide de refroidissement, ce qui permet une mise en température rapide du bloc moteur. Une fois que la température du liquide de refroidissement dans le bloc moteur atteint environ 80 °C, une première vanne s’ouvre partiellement afin d’assurer une circulation minimale du liquide de refroidissement vers le radiateur. Une seconde vanne s’ouvre progressivement afin de refroidir la culasse, de fournir de la chaleur pour l’habitacle (si nécessaire) et de chauffer l’huile moteur.

Lorsque la température du liquide de refroidissement atteint 85 °C en moyenne, la seconde vanne reste ouverte, tandis que la première vanne va contrôler le débit de liquide de refroidissement passant à travers le radiateur en continu. A faible et moyenne charge, ce débit sera faible et le module laissera la température du liquide de refroidissement atteindre jusqu’à 105 °C. Lorsque le moteur est sollicité (forte charge), la première vanne s’ouvre complètement afin d’abaisser la température du liquide de refroidissement à 85 °C.

Enfin, le moteur s’appuie sur un circuit de refroidissement secondaire indépendant, aidé par une pompe à eau électrique additionnelle, afin de refroidir l’air compressé par le turbo dans la partie admission et le turbocompresseur. Ainsi, la température du turbocompresseur reste maîtrisée même après la coupure du moteur.

Production

La production du 1.5l TSI Evo a débuté fin 2016. Il est actuellement produit majoritairement en Allemagne dans les usines moteurs de Salzgitter et Chemnitz. D’ici à 2020, l’EA211 Evo sera produit dans plus de 10 usines pour en faire un moteur mondial: en Allemagne (Salzgitter et Chemnitz), en Hongrie (site de Györ), en République Tchèque (site de Mladá Boleslav), en Chine (Changchun, Quingdao, Chengdu et Loutang), au Mexique (Silao), au Brésil (Sao Carlos) et en Russie (Kaluga).

1.5L TSI EVO2

En juillet 2022, Volkswagen a introduit une évolution du 1.5L TSI dénommée EVO2. Cette mise à jour a essentiellement pour but de préparer le moteur aux futures normes d'émissions Euro 7 et d'accroître la période de fonctionnement du système de désactivation des cylindres.

Concernant les systèmes de dépollution, Volkswagen a désormais regroupé le catalyseur 3 voies et le filtre à particules dans un seul et même module accolé au turbocompresseur (au lieu du filtre accolé au turbo et du catalyseur positionné sous le plancher).

D'une part, rapprocher les systèmes de dépollution du moteur permet d'obtenir des températures plus élevées au niveau de ces composants, ce qui permet au catalyseur de monter en température plus rapidement pour diminuer les émissions polluantes lors des démarrages à froid (séquences où les émissions polluantes sont significativement plus élevées que la moyenne).

D'autre part, cela permet de minimiser l'utilisation de métaux précieux (platine, palladium et rhodium) nécessaires au bon fonctionnement des systèmes de dépollution, ceci dans un contexte où le prix de ces matières premières a significativement augmenté ces 5 dernières années, en particulier pour le palladium et le rhodium.

Enfin, en éliminant le catalyseur sous plancher, le constructeur dégage un espace supplémentaire, espace qui pourra être utilisé à nouveau pour ajouter un volume de dépollution dans l'optique des futures normes Euro 7 ou pour loger des composants additionnels nécessaires à des versions hybrides légères et hybrides rechargeables (le 1.5 TSI prendra alors la relève du 1.4 TSI des hybrides rechargeables du groupe).

Concernant la désactivation des cylindres, Volkswagen a optimisé le fonctionnement du système (désormais dénommé ACT+) afin que la transition entre le mode 4 cylindres et le mode 2 cylindres soit quasiment imperceptible dans l'habitacle (meilleur confort de marche) et d'améliorer le rendement du moteur (optimisation de la combustion) lorsqu'il fonctionne en mode 2 cylindres.

A cet effet, le profil des cames des cylindres 1 et 4 est désormais différenciée entre le mode 4 cylindres et le mode 2 cylindres. Lorsque le moteur fonctionne sur 2 cylindres, le profil des cames d'admission est déphasé de 30° (au profit de l'admission d'air durant la phase de transition) et la levée des soupapes d'admission sera légèrement plus grande (plus d'air admis dans le cylindre).

A l'échappement, le profil des cames des cylindres 1 et 4 est élargi afin que la soupape reste grande ouverte plus longtemps, ceci dans le but de faciliter l'évacuation des gaz en mode 2 cylindres. 

De cette manière, le mode 2 cylindres peut être enclenché plus souvent : dès 1.250 tr/min (au lieu de 1.350 tr/min avec l'ACT standard) et jusqu'à 3.500 tr/min (au lieu de 3.200 tr/min). Aussi, le mode 2 cylindres peut être enclenché jusqu'à ce que la demande en couple n'excède pas 90 N.m (au lieu de 85 N.m avec le 1.5l EVO de 150 ch). 

Le fonctionnement selon le cycle de Miller est généralisé sur toutes les motorisations de la génération EVO2. A cet effet, le taux de compression atteint désormais 12.0:1 sur la version 150 chevaux et cette dernière s'appuie aussi désormais sur un turbocompresseur à géométrie variable, à l'image de la version 130 ch.

Finalement, le 1.5 TSI EVO2 peut accepter des proportions d'agrocarburant plus élevées qu'actuellement (par exemple, pour des carburants de type E20 - contenant 20% d'équivalent éthanol - contre le E10 tel qu'imposé par les normes européennes).

Crédits photos: Volkswagen / Audi / Skoda / Seat
Illustrations et tableau: Guillaume Darding