Paris, le 26 Avril 2001
Moteur HDi 1,4 litre : le moteur poids-plume
Une coopération exemplaire entre
PSA Peugeot Citroën et Ford Motor Company
Le nouveau moteur 1,4 l diesel common rail, dénommé HDi 1,4 l pour PSA Peugeot
Citroën, et Duratorq TDCi 1,4l chez Ford Motor Company, constitue le premier résultat
des accords de coopération signés entre les deux groupes le 29 septembre 1998 et
élargis une année plus tard, le 8 octobre 1999, par la signature d’un vaste programme
de coopération sur les moteurs diesel.
Cette coopération prévoit l’étude et la production en commun de quatre familles de
moteurs diesel injection directe common rail :
Moteur 1,4 litre et 1,6 litre
Moteur 2 litres 2ème génération
Moteur V6 de 2,7 litres
Nouvelle famille de moteurs pour véhicules utilitaires légers
Cette coopération amènera à court terme les deux groupes à la première place des
constructeurs mondiaux de moteurs diesel. Elle portera en 2005 sur la production en
commun de plus de 9000 moteurs par jour et aura nécessité au total des dépenses de
développement et d’industrialisation de 1,22 milliard d’euros.
Le common rail pour tous
Lancé dès 1998, le concept HDi (High Pressure Direct Injection) développé par PSA
Peugeot Citroën a connu un important succès commercial fondé sur :
- une économie de consommation de 20% par rapport à un moteur diesel à pré-
chambre, induisant une diminution équivalente des émissions de CO2
- un agrément de conduite obtenu par un couple disponible à bas régime, dans
un environnement sonore et vibratoire feutré qui n’a plus rien à envier au moteur
essence
- un excellent bilan environnemental obtenu par la maîtrise précise de la
combustion que permet le common rail et par l’utilisation de systèmes de dépollution
très performants.
Petit mais performant
Les moteurs 1,4l diesel common rail reprennent tous ces acquis et associent une taille
et un poids réduits à des prestations et des performances inédites à ce niveau de
cylindrée.
L’accroissement de performances sur des moteurs diesel de faible cylindrée apporté
par un common rail de nouvelle génération, par une meilleure maîtrise de la
combustion et par l’allègement, permet, à prestations véhicule équivalentes, d’offrir
au client un gain significatif en consommation et en émission de CO2.
Cette ambition de « downsizing », a guidé l’ensemble des concepteurs de ces moteurs
performants qui équiperont des voitures de taille petite et moyenne des deux groupes
Ainsi, désormais l’ensemble des voitures Peugeot et Citroën pourront bénéficier de la
technologie HDi, poursuivant le mouvement de généralisation des moteurs diesel
injection directe turbo compressés entamé il y a trois ans. Ford disposera, pour sa
part, d’une offre de petits moteurs diesel common rail modernes complétant ses
récents moteurs TDCi qui équipent déjà les véhicules de gammes moyenne et haute.
Un moteur « plug and play »
Une interface moteur - véhicule unique
La famille de moteurs à laquelle appartient le moteur 1,4l diesel common rail équipera
des véhicules des plates-formes 1 et 2 de PSA Peugeot Citroën et des véhicules de
taille petite et moyenne de Ford Motor Company. Il s’agit donc bien d’un premier
moteur authentiquement inter plates-formes et multi-constructeurs.
Cette coopération débouchera sur des volumes de production très importants de
l’ordre de 6000 moteurs/ jour à terme pour l’ensemble de cette famille.
Dans les dix-huit mois suivant le premier lancement en série, ce sont au total 23
applications de cette nouvelle famille de moteurs qui verront le jour sur des véhicules
des deux groupes.
Pour ce faire, l’équipe projet a conçu une architecture de moteur facilement adaptable
à différents types de véhicules reposant sur un principe de conception et de production
de type « plug & play ».
Il s’agissait, pour des véhicules différents, de développer des interfaces moteur -
véhicule uniques. Ainsi, l’alimentation en air, en eau, en carburant, la connexion
électrique et les liaisons mécaniques sont identiques quels que soient le véhicule hôte
et la version de moteur montée.
Une conception modulaire
Pour concevoir des interfaces uniques une forte communauté de pièces (plus de 60 %
des pièces sont communes) a été recherchée entre les différentes versions des
moteurs. Ainsi, l’ensemble des moteurs de la famille utilise une seule et même base
(carter cylindre, vilebrequin, bielle, coussinets, pompe à huile, pompe à eau…).
Par ailleurs, l’équipe projet a travaillé sur une conception modulaire en constituant des
sous-ensembles homogènes.
A titre d’exemple, l’ admission est constituée d’un seul ensemble multifonctions
réunissant : le filtre à air, le débit mètre d’air, le silencieux du turbo compresseur, le
répartiteur d’air d’admission, le système de traitement des gaz de carter, le couvre
culasse et la filtration du gazole. Une démarche similaire a été appliquée à
l’alimentation en eau, en carburant, à la connexion électrique et aux liaisons
mécaniques.
Une conception nouvelle au service de trois priorités
Le cahier des charges de cette nouvelle famille de moteurs fixait trois priorités :
- réduire les consommations
- atteindre un agrément de conduite exceptionnel
- contribuer notablement à la sécurité passive des véhicules
Réduire les consommations
Les moteurs HDI 1.4 et Duratorq TDCi 1.4 seront déclinés selon plusieurs niveaux de
puissance (60 à 92 Ch) et de couple (150 à 200 mN).
Avec ces moteurs, les petites voitures des deux groupes auront des consommations
moyennes mesurées sur le cycle réglementaire MVEG (cycle Europe urbain + extra
urbain) comprises entre 3,4 l aux 100 km (90 gr CO2 / km) et 4,1 aux 100 km (110
gr CO2 / km). Les voitures de taille moyenne atteindront 4,5 litres aux 100 km (120
gr CO2/ km).
Un moteur « poids plume »
Maîtriser les consommations, c’est avant tout réduire la masse du véhicule et de ses
organes.
Avec une masse totale de 98 kg, soit 50 kg de moins que le moteur de cylindrée 1,9l à
préchambre, le plus comparable en performances, ce moteur est un véritable « poids
plume ».
Cette performance a été atteinte grâce à la généralisation de l’utilisation d’alliages
d’aluminium et de matériaux composites.
Le carter cylindre et son carter chapeau en aluminium sont coulés sous pression, avec
des paliers et des chemises en fonte insérés à la coulée. La culasse également en
aluminium est en deux parties : une partie inférieure coulée par gravité et une partie
supérieure portant l’arbre à cames réalisées en coulée sous pression.
L’arbre à cames réalisé par emmanchement de cames frittées sur un tube permettra
un gain de 1,3 kg soit de 30 %.
D’autres pièces telles que le silencieux du turbo compresseur, le répartiteur d’air
d’admission, le système de traitement des gaz de carter, le couvre culasse sont
entièrement réalisées en matériaux composites. Les pièces essentielles du circuit
d’eau et d’huile ont également été réalisées avec la même technologie : couvercle de
pompe à eau, boîtier d’entrée et de sortie d’eau et crépine de pompe à huile.
L’ensemble des pièces mobiles a été spécialement étudié afin d’en réduire la taille et la
masse.
A titre d’exemple, Les tiges de soupapes ont un diamètre de 5,5 millimètres, une taille
rencontrée plus communément dans les moteurs essence de faible cylindrée à haute
performance ou dans les moteurs de moto. Cet allègement des pièces mobiles
contribue également au brio du moteur en ce qu’elles permettent une montée en
régime rapide à l’instar d’un moteur essence.
Des frottements réduits
La réduction des pertes par frottement est un autre facteur majeur de la diminution
des consommations. Le recours à des linguets à rouleaux pour la commande des
soupapes permet un gain de consommation de 1,5 à 2 % selon le régime moteur.
Un agrément de conduite exceptionnel
Une technologie utile pour davantage de plaisir de conduite
Les choix technologiques effectués (conception des culasses, de la suralimentation et
de l’injection directe) offrent un brio du moteur à bas régime et un silence de
fonctionnement jusqu’alors réservés aux véhicules haut de gamme.
Deux culasses disponibles : 8 et 16 soupapes
Dès l’origine du projet, deux culasses 8 et 16 soupapes sont disponibles pour
permettre à ce moteur d’une cylindrée de 1,4l de couvrir une plage de performances
très étendue, de 60 à 92 ch (43 à 66 kW) et de 150 à 200 mN.
Deux turbocompresseurs
Les turbocompresseurs de petite taille et de faible inertie participent également à
l’agrément de conduite par leur faible temps de réponse.
Deux types de turbo équipent les moteurs :
Le moteur 8 soupapes est équipé d’un turbocompresseur à géométrie fixe, le moteur
16 soupapes est équipé d’un turbocompresseur à géométrie variable et de technologie
multi-vannes. Ce dernier bénéficie de lois de commande adaptatives permettant
d’optimiser sa réponse en fonction de la sollicitation de la pédale d’accélérateur.
Ces turbos de nouvelle génération atteignent des vitesses de rotation de 280.000
tours- minutes qui permettent un excellent remplissage en air du moteur.
Des systèmes common rail de nouvelle génération
Les systèmes d’injection installés sur ce nouveau moteur permettent une amélioration
notable de la précision du moment et volumes d’injection, plus particulièrement de
l’injection pilote (clé de la maîtrise des émissions sonores). Par ailleurs,
l’augmentation des pressions d’injection contribuent à l’amélioration des performances
spécifiques.
Un bénéfice acoustique et toujours plus de fiabilité
La compacité et la légèreté du moteur 1,4l diesel common rail ont été obtenues sans
compromettre les performances acoustiques et vibratoires essentielles pour un moteur
diesel de nouvelle génération.
Aussi, et malgré une pression de combustion de 160 bars qui impose à la structure du
moteur de fortes contraintes la conception réunit légèreté, robustesse et performances
acoustiques.
Le choix de l’aluminium plutôt que la fonte pour le carter cylindre s’est donc imposé
naturellement, par sa densité favorable (2,8 comparativement à 7,2), en vue de
réduire la masse de l’ensemble.
En outre, la conception et la géométrie du carter garantissent une fiabilité, une
longévité et des performances acoustiques haut de gamme.
La coulée sous pression de cette pièce permet :
- l’insertion de fines chemises et de paliers de vilebrequin en fonte renforçant la
fiabilité
- l’obtention de gravures extérieures très ouvragées participant à la résistance
du carter aux contraintes thermomécaniques, tout en réduisant le rayonnement
acoustique des parois
La structure de « type coque » de la partie inférieure du carter cylindre confère à
l’ensemble une remarquable rigidité, gage d’une maîtrise des émissions sonores et
vibratoires du moteur.
Un moteur très compact pour plus de sécurité
La compacité du moteur permet des architectures sous capot garantes de bonnes
performances des véhicules en matière de sécurité passive. Le judicieux agencement
des périphériques moteur, accessoires et échappement a permis de réduire
l’encombrement de telle sorte que la déformation du bloc avant en cas de choc soit
favorable à la sécurité des occupants de la voiture.
En outre, un certain nombre d’éléments du moteur contribuent, par leur déformation
programmée, à l’absorption de l’énergie en cas de choc. Tel est le cas en particulier du
filtre à air et du répartiteur d’air d’admission.
Une famille de moteurs respectueux de l'environnement
Qualité de l’air et maîtrise de l’effet de serre, au cœur du projet
Un traitement efficace des gaz d’échappement
Afin d’améliorer les performances des systèmes de traitement des gaz de combustion,
ceux-ci ont été implantés au plus près du turbo compresseur afin de bénéficier des
températures d’échappement les plus élevées. A cette fin, l’échappement se fait vers
l’avant du véhicule ce que permet le dessin de type cross-flow des culasses huit et
seize soupapes.
Les injecteurs comportent 6 ouvertures de 118 microns, c’est-à-dire l’équivalent du
diamètre d’un cheveu, qui permettent une pulvérisation encore plus fine du gazole et
donc un mélange très homogène. La combustion est alors plus complète entraînant un
niveau d’émissions d’imbrûlés à l’échappement très faible.
Si le moteur est aujourd’hui présenté dans une version respectant les normes EURO3,
il est directement adaptable, avec ou sans FAP (filtre à particules), aux normes
EURO4.
Une réduction des émissions de CO2 pour maîtriser l’effet de serre
L’ apparition de cette nouvelle famille de moteurs contribuera de manière significative
à l’atteinte de l’ambitieux objectif que se sont fixés les constructeurs européens de
réduction des émissions de CO2 , de 140 gr en 2008.
Les petits moteurs diesel performants, en se substituant aux moteurs essence,
constituent une l’arme la plus efficace pour diminuer les émissions de gaz à effet de
serre.
Les voitures équipées de ces moteurs auront des émissions de dioxyde de carbone
très faibles, variant de 90 grammes à 120 grammes par kilomètre selon les modèles.
A titre de comparaison, la moyenne des émissions de CO2 du parc européen de
voitures neuves vendues en 2000 était de 171 grammes.
Une approche industrielle innovante et économique
La croissance rapide et continue des motorisations diesel en Europe (14 % en 1990,
32 % en 2000) impose de disposer d’un outil industriel capable d’évolutions rapides
face à l’accélération de la demande.
Un outil industriel flexible
Le moteur 1,4l diesel common rail est produit à l’usine de Douvrin (Pas de Calais) où
un nouvel atelier de production a été mis en place. Celui-ci produira des moteurs pour
les besoins des deux groupes PSA Peugeot Citroën et Ford Motor Company.
Des unités modulaires et flexibles de production
La taille de l’unité de production a été fixée à 2500 moteurs/jour. Ce seuil constitue un
compromis idéal entre les impératifs de flexibilité industrielle, de maîtrise de la
diversité et de rentabilité.
Cette unité comporte l’usinage des quatre pièces maîtresses du moteur - carter
cylindre, culasse, vilebrequin et bielles - et l’assemblage du moteur.
Les lignes carter, vilebrequin et bielles permettent indifféremment l’usinage de
moteurs diesel et essence.
Les lignes de culasses sont constituées de centres d’usinage grande vitesse
programmables qui permettent d’intégrer facilement les évolutions techniques
attendues dans les prochaines années.
Toutes les machines sont simplement posées au niveau du sol sans infrastructures en
sous-sol afin de permettre des adaptations faciles du parc en fonction des évolutions
des gammes et des quantités.
Un assemblage sur le mode FIFO (First In First Out)
L’assemblage moteur est conduit selon un concept FIFO (First in First Out), qui
n’autorise aucune retouche en ligne, afin de tendre vers l’objectif « 0 défaut » ; le
principe est celui d’auto-vérification poste par poste – processus de qualité verrouillé -
sous la responsabilité de chaque opérateur pour les postes manuels et du système
pour les postes automatiques.
Le moteur qui ne satisfait pas les standards de qualité à un moment quelconque du
process reçoit un « carton rouge » ; il ne sera pas retouché dans le flux garantissant
ainsi la continuité de celui-ci et un très haut niveau de qualité.
Enfin, les critères de propreté actuellement requis au poste de montage du common
rail ont été étendus à l’ensemble de l’atelier de montage.
Le schéma industriel décrit pourra être dupliqué à l’identique afin de faire face à
l’accroissement des besoins.
Des dépenses limitées à 470 millions d’euros
Le coût global de développement et d’industrialisation de la première tranche de cette
famille de moteurs 1,4l diesel common rail est de 470 millions d’euros.
Les coûts de conception du moteur s’élèvent à 155 millions d’euros alors que l’
investissement industriel global atteint pour sa part 315 millions d’euros, la majorité
de cette dernière enveloppe étant consacrée aux nouvelles installations et lignes de
montage à l’usine de Douvrin dans l’est de la France.
Une gestion de projet originale et internationale
Une conception réalisée en 32 mois
L’équipe projet, constituée de 400 ingénieurs et techniciens est installée au centre
technique de PSA Peugeot Citroën de La Garenne Colombes en région parisienne. Elle
a mis en œuvre les techniques modernes d’ingénierie simultanée et d’ingénierie
système.
Une équipe d’ingénieurs de Ford Motor Company a participé à la conception du moteur
1,4l diesel common rail. La complémentarité des expériences techniques des deux
groupes a été un facteur essentiel de progrès dans le développement de cette nouvelle
famille de moteurs.
La diversité des origines des ingénieurs et de leurs méthodes de travail a nécessité la
mise en place d’un processus très rigoureux de formalisation qui a bénéficié au projet.
A titre d’exemple, les méthodologies qualité des deux groupes ont été croisées afin
d’aboutir à une synthèse garante de la meilleure satisfaction du client.
Tous les métiers concernés – conception du produit, process, achats etc. – ont été
réunis sur un seul plateau physique afin de permettre la conception simultanée du
moteur et de son outil de production. De nombreux fournisseurs ont été intégrés très
en amont du processus.
Grâce à l’utilisation simultanée du maquettage numérique dans l’environnement
véhicule des deux groupes, du calcul scientifique et du prototypage rapide, le délai de
développement a été réduit à la durée record de 32 mois.
La famille de moteurs HDi 1.4 / Duratorq TDCi 1.4 en un clin d’œil
Cylindrée : 1398 cm3
Alésage x course : 73,7 x 82 mm
Puissance maxi à 4000 tours : de 43 à 66 kW ou 60 à 92 ch
Couple maxi : de 150 à 200 mN ou 15,5 à 21 mkg à 1750 tr/mn
Couple à 1250 tr /min : de 120 à 145 mN ou 12,5 à 15 mkg
Carter cylindre en alliage d’aluminium coulé sous pression
Culasses en alliage d’aluminium à 2 et 4 soupapes par cylindre
Common rail Bosch, Siemens et Delphi
Turbocompresseur à géométrie fixe et à géométrie variable
Avec et sans refroidisseur d’air de suralimentation
Dépollution Euro 3 puis Euro 4 avec ou sans filtre à particules (FAP)
Ces moteurs équiperont progressivement à partir de l’été 2001, les véhicules de petite
taille et de taille moyenne des groupes PSA Peugeot Citroën et Ford Motor Company.
Ce sont au total 23 applications (moteurs, boîtes de vitesses, dépollution, véhicules)
qui seront lancées dans les dix huit mois après le premier lancement en série.
Evolutions ultérieures :
La famille sera complétée par des versions 1600 cm3 à 4 soupapes par cylindre en
2003.