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COMMENT RENDRE LE MOTEUR PROPRE

Thierry Mahé

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- C'est peut-être la dernière ligne droite pour nos bons vieux moteurs à explosion. Mais ce sera un sprint ! Avant de passer le relais aux énergies alternatives, le moteur à "pétrole" va devoir inventer le transport individuel non polluant.

Paradoxe. Alors que l'épuisement des ressources fossiles semble condamner le moteur à explosion d'ici à moins d'un demi-siècle, on lui demande de se surpasser. Pourquoi pousser dans ses derniers retranchements une technologie plus que centenaire, alors que s'offrent aujourd'hui des alternatives "propres", hydrogène en particulier ? Une réponse, une seule réponse suffit : le parc actuel de véhicules (au moins 500 millions aujourd'hui) va doubler dans les deux ou trois prochaines décennies, en particulier sous la pression de la Chine. Et le transport routier est, dès aujourd'hui, responsable, en Europe du moins, de plus de 20 % de la production de CO2, parmi les premiers responsables de l'effet de serre. Or, ce n'est qu'à partir de 2020 que les plus optimistes espèrent voir se déployer la filière hydrogène... Si jamais elle se déploie ! Car, quitte à transporter du gaz, l'hydrogène se trouvera alors un sérieux rival dans le gaz naturel, aujourd'hui principalement utilisé dans les bus verts. Non seulement le méthane ne remet pas fondamentalement en cause le moteur à explosion, mais il a cet avantage d'être abondant (des ressources répertoriées pour deux siècles), peu polluant et géographiquement bien réparti sur la planète.

D'énormes travaux en recherche et industrie

À vrai dire, le seul carburant alternatif appelé à se développer durant la prochaine décennie est le biocarburant, car d'origine végétale (ester méthylique, surtout, provenant du colza). Non comme substitutif, mais mélangé en faible proportion au gazole : Bruxelles souhaite un mixte de 6 % en 2010.

Bref, nos motoristes "traditionnels" ont du grain à moudre pour au moins les vingt ans qui viennent !

Ces ultimes efforts pour un moteur à explosion propre et économe vont requérir d'énormes travaux, tant en recherche qu'au plan industriel. De fait, dans la connaissance actuelle du modèle physico-chimique qui régit la combustion interne, on touche aux limites de ce qui est industriellement acceptable. C'est-à-dire sur la voiture de M. Dupont, et pas sur un banc d'essai de laboratoire !

La dernière grande révolution technologique a consisté dans l'injection directe haute pression et dans l'explosion du contrôle électronique. Pour aller plus loin, il faut peut-être reconsidérer le problème avec un regard neuf. D'où l'appel du pied à une recherche plus fondamentale, auquel a répondu le CNRS avec la création de son pôle Carburants et moteurs. D'où aussi les technologies hypersophistiquées de modélisation, de visualisation, de contrôle commande auxquelles les motoristes se plient désormais.

Hybridation des moteurs

La modélisation tridimensionnelle de la chambre de combustion est l'un de ces outils phare. Des codes de calcul, qui tiennent compte à la fois de l'aérodynamique du spray et de sa combustion, sont recadrés par des mesures 3D très fines où un rayon laser balaie la chambre de combustion. « En utilisant la fluorescence induite du mélange, on peut visualiser dans le temps les zones de séparation entre liquide et gaz », précise Gaétan Monnier, directeur de recherche moteur à l'Institut français du pétrole (IFP). Ou encore des cartographies thermiques de la chambre de combustion à l'aide de lignes de thermocouples. Ou des modèles fort complexes de "l'effet paroi"... dont les industriels s'étaient jusqu'alors peu souciés.

Car le moteur tel que nous le connaissons est né d'une accumulation de petites améliorations et doit fort peu à l'Académie. Hormis bien sûr les fondamentaux de la thermodynamique - établis par Beau de Rochas et Otto à la fin du xixe siècle.

Cette politique des "petits pas" apparaît dans l'hybridation des moteurs : compromis entre la propulsion électrique, idéale en ville, et la motorisation thermique sur longue distance. Ainsi, là où Toyota propose la rupture technologique sur sa Prius, PSA vient d'étrenner son astucieux alterno-démarreur "Stop & Start", solution modeste (10 % d'économie en cycle urbain) mais considérable au plan global, au simple regard des volumes en jeu.

L'automobile, il est vrai, est un monde très conservateur. Un monument d'inertie. Pour la simple raison des investissements colossaux qu'elle met en jeu. Un développement lourd, un outil industriel conséquent s'amortissent sur vingt ou trente ans. On ne change pas de cap tous les jours ! On ne se toque pas de la technologie dans l'air du temps ! En automobile, la mode touche l'aspect, peu l'ossature. Encore moins le moteur.

Vers des carburants de synthèse

Ajoutons que la motorisation est l'un des derniers prés carrés des constructeurs. Peut-être l'ultime barrage devant la vague normalisante des grands équipementiers. Les Renault, Nissan, PSA, Ford et consorts concluent-ils des accords en fabrication, ils partagent bien rarement leur savoir-faire en développement.

Pour ne rien arranger, la tendance hégémonique du diesel (moins cher et moins consommateur) se poursuit en Europe - et s'amorce aux États-Unis. Ainsi, le rapport actuel 53/47, encore en faveur de l'essence, devrait rapidement s'inverser. Or, fondamentalement, le diesel est plus difficile et plus cher à dépolluer, en parti-culier sous l'angle des NOx - quand bien même l'on suppose le problème des particules résolu par les filtres de dernière génération.

Ajoutons que le moteur forme un couple indissociable avec le carburant. Certes, dès l'an prochain, les industriels européens vont bénéficier d'un premier pas décisif vers sa désulfuration. Ce qui, au regard de la combustion, comme du post-traitement, ne présente que des avantages. En premier lieu, une formation de particules réduite d'un tiers, des possibilités accrues en matière d'EGR (recirculation des gaz), d'injection essence stratifiée... Il n'en reste pas moins qu'au-delà d'un certain seuil de sophistication dans le pilotage des moteurs, la dispersion des carburants actuels (leur composition varie d'un jour à l'autre, à la même pompe, en fonction des provenances) va se révéler problématique. Ainsi, Michel Machabert, directeur commercial du Moteur Moderne, estime que les futurs modes de combustion, pouvant être considérés comme mixtes entre le diesel et l'essence (AIC, HCCI), vont certainement faire usage de carburants spécifiques, plus précis dans leur composition. Une réflexion est menée en ce sens à l'IFP. Cette tendance vers des carburants de synthèse s'accompagnera nécessairement d'un surcoût... et de sérieux casse-tête en termes de distribution.

Par ailleurs, « ce n'est pas un moteur qui passe les normes antipollution, c'est un véhicule ! », plaisante Michel Machabert. Un véhicule qui ne cesse de prendre de l'embonpoint... Mais la voilà, la solution ! Alléger. Réduire le poids de 100 kg, n'est-ce pas réduire la consommation de 0,4 l/100 km ? Proposition qui suscite la réponse goguenarde des constructeurs... Et le commentaire d'Yves Maroger, de Renault : « Évidemment, comme motoriste, je serais le premier à vilipender tous ces "affreux" qui alourdissent les voitures !... Mais qui achèterait aujourd'hui un véhicule sans airbag, sans quelques étoiles sécurité à l'EuroNCap, et qui soutiendrait que le confort sonore ne se paie au détriment de la légèreté ! » Car c'est la sécurité et le confort sonore qui grèvent la consommation : on leur attribue 150 kg de matière depuis dix ans. Quant aux matériaux de substitution, intrinsèquement plus légers, ils ont un coût, tant en termes de matière que d'industrie.

En dépit de ces contraintes, les constructeurs européens ont réussi ce pari, depuis dix ans, de se plier à des normes d'environnement et de sécurité toujours plus draconiennes, tout en gagnant 20 % de consommation (donc de CO2). Ainsi, la moyenne des gammes (diesel comme essence) des constructeurs français se situe-t-elle déjà en deçà de 148 g de CO2/km. En fait, comme on va le voir, les constructeurs sont plutôt sereins devant le durcissement des normes environnementales. Car les solutions existent, généralement validées sur des niches (luxe, sport). Il suffit d'une nouvelle équation économico-industrio-environnementale pour qu'elles diffusent sur l'ensemble des gammes. Qu'on se rassure, le quatre-temps en garde un peu sous la pédale.

SOMMAIRE

1. Raffinage Désulfurer les carburants P. 56 2. Combustion Réinventer le cycle à quatre-temps P. 60 3. Contrôle-commande Ajouter de "l'intelligence" P. 64 4. Post-traitementFiltrer... ce qui reste P. 68

LA MÉTHODE CALIFORNIENNE

- L'Europe a ses normes. La Californie a son Air Resources Board qui tire en avant l'automobile propre, rapidement suivie par d'autres États comme le Massachusetts ou le New Jersey. Et vite imitée par le Canada. Mais avec une stratégie très différente de celle de l'Europe : des normes plus exigeantes en matière de polluants locaux, une politique de quotas avec pénalités côté constructeur, d'incitations côté client, plus que d'obligations réglementaires, et un total laisser-aller pour ce qui concerne le CO2 - qui n'est tout simplement pas considéré comme un polluant. - C'est donc en toute logique qu'un quart des émissions de CO2 sont dues aux États-Unis. En plus de la mesure des rejets classiques (CO, NOx, HC et particules), la hiérarchisation de véhicules propres (LEV, ULEV, SULEV, de Low Emission à Super Ultra-Low Vehicle) tient compte des rejets de formaldéhydes et de gaz organiques non-méthaniques (GONM), qu'en Europe on regroupe encore sous le label "polluants non-réglementés".

RÉGLEMENTATION

Les normes européennes > POUR LE CO2 L'ACEA (l'Association des constructeurs européens d'automobiles) a finalisé son accord en 1999 de réduire les émissions moyennes des voitures mises sur le marché à 140 g de CO2/km en 2008 (soit une diminution du quart depuis 1996) et 120 g en 2012. > POUR LES POLLUANTS Euro 4 est la norme fixée par Bruxelles pour les valeurs d'émission des polluants. Elle entrera en vigueur en janvier 2005. La norme précédente, Euro 3, datant de 2000. (VOIR TABLEAU) Euro 5 (2009) est encore en réflexion. Elle devrait aligner le taux de CO diesel sur celui de l'essence version Euro 4, soit 0,08 g/km, porter l'essence et le diesel à un taux d'imbrûlés (HC) de 0,05 g/km, et surtout réduire par un facteur dix la masse de particules. Euro 6 (au-delà de 2010), quant à elle, fera définitivement un sort au NOX...

LE CNRS CARBURE POUR LE MOTEUR PROPRE ET ÉCONOME

En juin dernier s'est constitué le PNIR, Pôle de recherche national à implantation régionale "carburants et moteurs". Tout tient dans l'intitulé : il s'agit de regrouper une vingtaine de laboratoires français du CNRS autour des grandes problématiques que soulèvent les normes européennes antipollution. La constitution de ce pôle pluridisciplinaire vient à point nommé pour "injecter" du fondamental dans la recherche plus souvent empirique des motoristes.

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