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LE 4 CYLINDRES TURBO MERCEDES-AMG M139

Le moteur M139 produit par Mercedes-AMG n'a beau être qu'un 4 cylindres en ligne, il est assurément hors du commun. En effet, ce 2.0 turbo est à ce jour le plus puissant du monde parmi les moteurs de série de sa catégorie, avec une puissance spécifique de 211 ch par litre !

Texte : Sébastien DUPUIS
Photos : D.R.

Certains pensent que la technologie des moteurs à combustion interne vit sa dernière décennie pour laisser place au moteur électrique, plus efficient. Pour autant, chaque jour les ingénieurs s'emploient à perfectionner et améliorer une invention qui remonte aux origines de l'automobile, repoussant sans cesse plus loin les limites du possible. Crédité d’une puissance spécifique de 155 kW par litre de cylindrée (211 ch/L) et 105 ch par cylindre, le 2.0 L turbo conçu par AMG est un étalon absolu dans sa catégorie. Un chef d'oeuvre d'ingénieurs dont la banale architecture à 4 cylindres en ligne lui permet pourtant de surpasser la plupart des supercars. Ce moteur, c'est aussi celui que Lotus a choisi pour propulser sa nouvelle Emira, dernière Lotus thermique nous dit-on. A ce titre, le M139 méritait bien un dossier spécifique pour compléter notre essai de la A 45 S AMG dans laquelle il a été introduit en première mondiale.

Conception générale

Le nouveau 4 cylindres turbo d'AMG est entièrement monté à la main dans la manufacture de moteurs d'AMG à Affalterbach, sur une nouvelle ligne de fabrication où on perpétue le principe du « One Man, One Engine » tout en y intégrant la modernité de notre époque. Remplaçant le 4 cylindres M133 qui équipait la première A 45 AMG (W176), ce nouveau moteur qui ne pèse que 160 kg à sec se distingue par une multitude de détails intelligents. Ainsi, contrairement au modèle précédent, ou au moteur 2.0 L des A 35 AMG, également monté transversalement, la disposition du M139 pivote de 180 degrés dans la baie moteur. Le turbocompresseur et le collecteur d’échappement se retrouvent donc placés à l’arrière du bloc tandis que le système d’admission est par conséquent, placé à l’avant. Cette nouvelle disposition offre un avantage du point de vue aérodynamique. Elle a en outre permis d’améliorer considérablement le guidage d’air en réduisant les distances et les coudes - aussi bien côté admission que côté échappement.

Avec jusqu’à 421 ch (310 kW) de puissance, le tout nouveau moteur de 2,0 litres est le plus puissant moteur turbo à quatre cylindres au monde fabriqué en grande série. Mercedes-AMG obtient ainsi un gain de puissance de 40 ch (30 kW) par rapport au modèle précédent. Le couple maximal a aussi augmenté de 475 à 500 Newton-mètres.

Bloc-cylindres

Le 2.0L turbo M139 est basé sur le moteur Mercedes-Benz M260 équipant, entre autres, le modèle A 35 AMG. Il en partage le bloc et les dimensions d'alésage (83 mm) et de course (92 mm) pour une cylindrée totale de 1991 cm3. Ce bloc-cylindres en aluminium intégral est fabriqué selon un procédé de moulage en coquille et se distingue par ses excellentes propriétés matérielles. L’aluminium liquide est versé dans le moule permanent (coquille) sous l’effet de la pesanteur. La coquille refroidie à l’eau assure un refroidissement et une prise rapides de la matière grâce à sa bonne conductibilité thermique. Il en résulte une structure dense et à grain fin, qui garantit une très haute résistance mécanique. Des noyaux en sable permettent d’obtenir des géométries internes complexes.

La construction Closed-Deck – empruntée au sport mécanique - garantit une rigidité extrême pour un faible poids et permet des pressions de combustion de pointe pouvant atteindre 160 bars. Les zones autour des cylindres sont majoritairement fermées, et la plaque de recouvrement est uniquement traversée par de petits canaux pour le liquide de refroidissement et l’huile moteur. L’embiellage, avec vilebrequin en acier léger forgé et piston forgé en aluminium avec segments optimisés, allie de faibles frottements et une grande solidité. Le régime moteur maximum permis par cette conception est de 7 200 tr/min, la puissance maximum étant atteinte à 6 750 tr/min. Le carter d’huile est doté de déflecteurs. Ainsi, il reste toujours suffisamment d’huile moteur pour la lubrification, y compris lors des fortes accélérations transversales.

Afin de réduire le coefficient de friction entre le piston et le cylindre, les surfaces des cylindres sont revêtues avec la technologie brevetée NANOSLIDE. Cela leur confère un fini poli garantissant des frottements minimaux et les rend deux fois plus dures que les chemises en fonte grise, et donc beaucoup plus résistantes. La technologie NANOSLIDE a été mise au point par Daimler AG et est protégée par plus de 90 familles de brevets et plus de 40 brevets. Ce revêtement a été utilisé pour la première fois dans le mythique V8 AMG 6.2L M 156. Il améliore depuis de nombreuses années d’autres moteurs AMG et on le trouve également dans le moteur de Formule 1 de Mercedes AMG Petronas Motorsport.

Culasse

Au niveau de la culasse, les soupapes d’échappement ont pu être nettement agrandies par rapport au M133 précédent grâce à la nouvelle position légèrement coudée des injecteurs et des bougies. Les sections d’échappement élargies permettent aux gaz d’échappement de ressortir de la chambre de combustion sans aucune perte et réduisent l’effort global d’expulsion du piston. Deux arbres à cames en tête gèrent les 16 soupapes via des culbuteurs à rouleau allégés. Le calage des arbres à cames d’admission et d’échappement garantit de très bonnes réactions et optimise le balayage des gaz, quelles que soient les conditions de fonctionnement.

S’y ajoute la distribution variable CAMTRONIC côté échappement, avec deux cames par soupape. Les cames possèdent différentes géométries : elles peuvent ouvrir les soupapes d’échappement brièvement ou longuement, selon leur position, qui varie en fonction de la situation de conduite – pour des réactions encore plus spontanées à bas régime, une conduite confortable et basse consommation dans les plages de régime moyen et un déploiement de puissance maximal à régime élevé.

Turbocompresseur

Le turbocompresseur twin-scroll utilisé sur le bloc M139 allie une réponse optimale à bas régimes et un gain de puissance conséquent à régimes élevés. Pour ce faire, le carter de turbine est divisé en deux canaux d’écoulement parallèles. Cette configuration, associée aux deux canaux du collecteur d’échappement, permet de diriger séparément les gaz vers la roue de la turbine. L’objectif est d’éviter une influence mutuelle négative des différents cylindres lors de l’alternance de charge et d’améliorer le balayage des gaz. L’arbre de la roue de compresseur et de turbine est en outre pour la première fois monté sur des paliers à roulement - comme dans la version la plus puissante du moteur V8 AMG 4,0 litres de l’AMG GT. Le montage sur roulement permet de réduire au minimum les frottements mécaniques dans le turbocompresseur. Le compresseur répond de manière encore plus spontanée et monte plus rapidement à son régime maximum de 169 000 tr/min.

Avec une pression de suralimentation maximale de 2,1 bars, le 4 cylindres 2.0L turbo AMG se positionne également en tête dans cette discipline. La wastegate (soupape by-pass des gaz d’échappement) à commande électronique régule la pression de suralimentation de manière encore plus précise et flexible et optimise le temps de réponse, notamment lors des accélérations en charge partielle. Elle tient compte d’une multitude de paramètres. Les principaux signaux d’entrée du calculateur de la régulation par soupape by-pass sont la pression de suralimentation, la position du papillon des gaz et la tendance au cliquetis. Parmi les signaux de correction, on compte la température d’air d’admission, la température du moteur, le régime et la pression de l’air environnant. Elle permet également d’augmenter brièvement la pression de suralimentation à l’accélération (Overboost).

Le turbocompresseur est refroidi à l’huile, à l’eau et à l’air frais. L’air est dirigé de la calandre au compresseur via le cache moteur, qui est conçu comme un élément de guidage d’air, et les canaux situés sous le capot moteur. Ce concept repose sur les principes et les enseignements du refroidissement des turbocompresseurs internes des actuels V8 AMG de 4,0 litres. Le carter de turbine est en outre intégralement isolé.

Injection

La suralimentation par turbocompresseur et l’injection directe à jet dirigé garantissent non seulement des performances élevées, mais augmentent également le rendement thermodynamique et réduisent ainsi la consommation de carburant et les émissions polluantes. Le nouveau quatre cylindres AMG est doté pour la première fois d’une injection directe biétagée. Dans le premier niveau, des injecteurs piézoélectriques particulièrement rapides et précis injectent le carburant dans les chambres de combustion avec une pression pouvant atteindre 200 bars. Cette opération est répétée plusieurs fois, en fonction des signaux envoyés par la gestion moteur. Dans le deuxième niveau, ce processus est complété par une injection dans le canal d’admission avec des électrovannes. Cette injection permet d’atteindre la puissance spécifique du moteur. L’alimentation en carburant à commande électronique fonctionne avec une pression de 6,7 bars.

Refroidissement

La puissance élevée requiert un système de refroidissement sophistiqué. Celui-ci est conçu de manière à ce que la culasse et le bloc-cylindres puissent être refroidis à des températures différentes. Cette mesure novatrice permet de refroidir la culasse pour obtenir une puissance maximale au point d’allumage efficient et de garder un bloc-cylindres chaud pour réduire les frottements internes au moteur. Une pompe à eau mécanique assure le refroidissement de la culasse ; le refroidissement du bloc-cylindres est quant à lui confié à une deuxième pompe à eau à entraînement électrique. Après un démarrage à froid, cette pompe reste passive jusqu’à ce que le moteur soit à température de service. Elle est régulée par le calculateur moteur de manière à ce que le bloc soit toujours refroidi en fonction des besoins.

La pompe peut également être enclenchée ou désactivée en fonction des besoins lorsque la puissance est moindre, ou à bas régimes. La pompe à eau électrique garantit en outre la puissance maximale du moteur et une dissipation optimale de la chaleur sur toute la plage de régime. Elle protège également le moteur contre les surchauffes au ralenti en présence de températures extérieures très élevées. Le moteur possède en outre une gestion de la température de l’huile qui pilote la mise en température et régule la température de l’huile moteur de manière flexible. Le moteur parvient ainsi plus vite à la température de service, ce qui réduit les frottements et l’usure. Autre conséquence optimale pour l’environnement : la consommation de carburant et les émissions lors des démarrages à froid s’en trouvent également réduites. Un radiateur additionnel intégré au passage de roue complète le grand élément situé à l’avant du module principal. S’y ajoute un circuit basse température pour le refroidissement d’air de suralimentation par air et par eau. De cette manière, l’air de suralimentation fortement comprimé est parfaitement refroidi et aide le moteur à déployer sa puissance maximale. Par ailleurs, le débitmètre d’air est assisté par la climatisation du véhicule (condensateur avant le refroidisseur d’air de suralimentation). Les fonctions telles que la gestion d’alternateur, la fonction Stop/Start ECO avec redémarrage rapide, le mode croisière et le filtre à particules essence font également partie du pack technologique du nouveau quatre cylindres AMG.

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