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Réinventer le cycle à quatre-temps

Thierry Mahé

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- Avec sept technologies, déclinées en de multiples variantes et pouvant parfois se conjuguer. Comme toujours dans l'automobile, ce sont les grosses cylindrées qui les étrenneront.

On ne peut vouloir une chose et son contraire... et c'est pourtant le quotidien des motoristes ! Pour citer quelques "tartes à la crème" : les mélanges pauvres améliorent la consommation mais rendent problématique la réduction des oxydes d'azote. Ou bien encore : les hautes températures de combustion sont favorables à une bonne réduction des hydrocarbures imbrûlés, mais génèrent encore une fois des NOX...

Cette recherche de compromis est d'autant plus alambiquée qu'elle doit s'appliquer à une plage d'utilisations énorme : d'un cycle urbain à un parcours à forte charge, d'un pays chaud à une région scandinave. Et aussi que les paramètres d'un véhicule dérivent tout au cours de sa vie.

Fort heureusement, les motoristes disposent aujourd'hui du "filet de secours" du post-traitement et peuvent donc en partie se recentrer sur le rendement, c'est-à-dire la consommation.

Parmi les sept technologies aujourd'hui à la disposition des motoristes, quatre, déjà initiées par les uns, surveillées par les autres, sont considérées comme mûres. Elles vont à coup sûr entrer en fonctionnement, comme les étages d'une fusée, au rythme de l'échéancier des normes antipollution.

1. Le "downsizing" et la suralimentation

C'est la tendance de fond des motorisations depuis quelques décennies : diminuer la cylindrée pour accroître la puissance spécifique. Philippe Pinchon de l'Institut français du pétrole (IFP) estimait, dans une conférence en mai dernier, qu'un moteur 3 l essence pouvait voir sa cylindrée ramenée à 1,8 l, sans réelle dégradation des performances mais avec une consommation réduite de 20 %. Car ce sous-dimensionnnement, c'est au final une réduction des pertes par pompage, par frottement et par échange thermique.

Pour cela, la voie royale est de suralimenter le moteur. On n'évoque pas ici les GTI Turbo des années 1980, mais des systèmes sophistiqués d'écosuralimentation. En effet, si le seul but est la recherche de puissance, on dégrade simplement le taux de compression afin d'éviter le cliquetis, et peu importe la consommation ! Les solutions d'écosuralimentation, elles, passent par un abaissement de la température de la chambre. Ce qui redonne une nouvelle vigueur à l'injection directe d'essence en mélange pauvre. Elles sont compatibles avec la commande variable des soupapes. Et pourraient peut-être précipiter l'avènement du taux de compression variable (VCR).

2. La distribution variable à l'admission

Traditionnellement, les soupapes d'admission s'ouvrent et se ferment mécaniquement dans le cycle du moteur à essence, par le biais de l'arbre à cames lui-même solidaire du vilebrequin. La tentation est forte de piloter librement les soupapes en fonction du mode moteur, selon que l'on privilégie le couple ou la puissance à moindre consommation. Ce que certains constructeurs ont réalisé de façon purement mécanique - Honda, le premier avec son Vtec. L'acmé étant bien sûr un pilotage électromagnétique comme sur le système Valvetronic de BMW. Ce dernier revendique un gain de consommation de 10 %.

Siemens, lui, travaille depuis longtemps à une commande piézo-électrique plus rapide et moins consommatrice. La commande indépendante des soupapes ouvre un champ de possibilités infini aux motoristes. Comme celui de désactiver des cylindres à faible charge, ce que fait déjà Mercedes. Un jeu sophistiqué des soupapes d'admission et d'échappement permettrait même de créer un "balayage" d'air dans le cylindre afin d'en abaisser la température. Le frein réside, comme toujours, dans une mécanique plus complexe, ou dans l'introduction d'actionneurs électromagnétiques, coûteux et sensibles à la panne.

3. L'injection directe en mélange pauvre (ou mode stratifié)

On dit "richesse 1" ou stoechiométrique, un mélange optimal au regard de la réaction chimique de combustion, où le rapport air/essence est de 14,7. Afin d'abaisser la température de la chambre (pour éviter l'autocombustion, et permettre de suralimenter), les motoristes injectent le mélange en plusieurs fois de telle façon que la flamme se propage depuis la bougie où la richesse est de 1, vers des couches plus pauvres, dont la dernière provient même éventuellement d'un recyclage des gaz d'échappement (EGR). L'avantage théorique repose sur une diminution des pertes de pompage (en excès d'air, le papillon est grand ouvert), donc de consommation : entre 15 et 20 %.

En Europe, PSA et Volkswagen ont défriché cette technologie. Qui, pour autant, peine à percer. Parce que ses gains sont en partie contrebalancés par la production de NOX (mélange pauvre), eux même justifiant un post-traitement consommateur d'énergie. Gaétan Monnier directeur de recherche moteur à l'IFP, ajoute : « Sur des véhicules de moyenne cylindrée, la zone d'utilisation du stratifié demeure trop faible. Ce mode se justifie surtout aujourd'hui sur des véhicules puissants. » De fait, BMW prépare une annonce en ce sens pour 2006, sur un moteur 3 l.

4. Le post-traitement

Le problème des particules ayant été brillamment résolu par PSA, le prochain gros chantier est celui du traitement des NOX. En mode par à-coup, aujourd'hui, en mode continu demain (voir p. 68).

Les trois autres cartes que peuvent jouer les constructeurs sont pour demain ou... après-demain. Car, bien qu'elles présentent des avantages conséquents, elles remettent en cause soit la conception même du moteur (les usines de moteurs, parmi les plus robotisées, n'aiment pas le changement !), soit le carburant lui-même.

5. Le taux de compression variable

La VCR (Variable Compression Ratio, ou taux de compression variable) est la technologie indiscutable. Porteuse d'une économie de carburant de 40 %. Mais aujourd'hui, seulement sur le papier !

Back to basic. Le rendement du moteur est directement lié au rapport volumétrique de la chambre entre le point haut et le point bas du piston : plus l'on allonge la course de ce dernier et plus l'on comprime le mélange, et meilleure est l'efficacité. En pratique, les motoristes sont limités dans le taux de compression par l'auto-allumage de l'essence, potentiellement destructeur. Donc, on fixe le taux de compression dans les conditions de charge les plus pénalisantes. Et l'on maintient ce taux... sur du plat, à faible vitesse. Conséquence, en ville où l'on pourrait monter à un taux de compression de 17, on plafonne bêtement à 10. D'où l'idée, bien élémentaire, d'adapter la course du piston à la charge. Las ! Tous les constructeurs s'y seront essayés, et tous se sont cassé les dents sur d'infinis problèmes mécaniques.

Par nature, un moteur est une masse la plus rigide possible. Ce qui s'oppose, dans les termes, à une géométrie variable ! Saab, le premier, promeut un système "accordéon" où la culasse adopte un angle variable par rapport au bloc moteur. Malheureusement, la culasse est solidaire de l'échappement (problème de connectique) et de plus, les actionneurs doivent fournir un gros effort en un temps très bref, d'où des composants de forte puissance, grands dissipateurs d'énergie.

Autre solution, jouer sur la hauteur du vilebrequin grâce à un excentrique (solution de l'allemand FEV Motorentechnik). Ou encore laisser inchangée la course du piston, mais introduire des cylindres dans la chambre... Toutes ces variantes s'accompagnent de défauts (vibrations, frottement, combustion médiocre), fragilisent le moteur et induisent de toute façon un surcoût conséquent.

La dernière solution en date est française et semble fort bien positionnée (voir encadré p. 60). Bonne chance !

Pour autant, certains experts se montrent moins enthousiastes quant à la nécessité même d'un taux variable. Car les constructeurs n'ont cessé d'améliorer le compromis d'un meilleur taux de compression fixe. Comme l'un d'eux : « On atteint aujourd'hui des taux de 11, contre 9 précédemment. Le compromis idéal se situant certainement vers 14-15, le jeu en vaut-il la chandelle ? D'autant que l'essentiel du bénéfice d'un taux de compression élevé a été atteint au moment du passage de 9 à 10. Après, les bénéfices deviennent asymptotiques. »

6. L'allumage par compression à charge homogène

L'HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), qui n'est pas attendu avant 2015-2020, concerne les moteurs Diesel. Le gazole est un carburant lourd, qui se mélange moins facilement à l'air que l'essence. Et, surtout, « intrinsèquement, le mélange gazole est inhomogène car l'injection se fait dans un temps très court », indique Michel Machabert du Moteur Moderne. Or l'accumulation de gouttelettes de gazole en certains points de la chambre occasionne des pics de température (au-delà de 2 000 °C) qui oxydent l'azote présent dans l'air ambiant. D'où production de NOX, par où pèche le Diesel.

Jusqu'à présent, le principal palliatif consistait en la recirculation des gaz d'échappement (EGR), lesquels jouent un rôle d'inhibiteur de combustion et abaissent donc la température. Ou dans l'utilisation de buses d'injecteurs de plus en plus fines. Pour aller plus loin, les constructeurs reprennent le mal à la racine. En jouant sur au moins trois aspects. Injecter le gazole plus tôt avant l'allumage : c'est la méthode de prémélange. Optimiser le parcours du carburant dans la chambre, toujours pour une meilleure répartition. Et utiliser les turbulences (swirl) comme facteur d'homogénéisation.

Ainsi, le procédé Nadi (Narrow), développé par l'Institut français du pétrole (IFP), innove par une nouvelle méthode d'injection, le spray s'effectuant sous un angle réduit, pour être sûr que le gazole s'enflamme avant de toucher la paroi.

Selon les auteurs du concept, les tests seraient concluants au point de pouvoir se passer de tout post-traitement des NOX. Nadi est actuellement en test chez plusieurs constructeurs. Gaétan Monnier, de l'IFP, précise : « Le système Nadi fonctionnera très certainement en bimode : il n'interviendra que lorsqu'il est vraiment utile, à faible charge. »

7. La combustion à auto-allumage

Pour aller vite, l'AIC (Auto Ignition Combustion), c'est du cliquetis (auto-allumage)... précisément contrôlé. En effet, ici, le mélange à essence s'allume du simple effet de la pression dans le cylindre, à l'instar d'un moteur Diesel. L'auto-allumage peut être aidé par la rétention de gaz chaud générés par la précédente combustion. Comme la température est à la fois très rapide et moins chaude, elle procure un meilleur rendement théorique. De même, le mélange étant appauvri, on assiste à une chute des NOX.

Le problème fondamental de l'AIC réside peut-être dans une nécessaire reformulation du carburant...

Solution d'avenir... mais certainement pas avant 2020.

ENFIN UN TAUX VARIABLE « FIABLE ET VIABLE » ?

- « Nous nous sommes affranchis des problèmes qui condamnaient depuis toujours la VCR [taux de compression variable] », se félicite Frédéric Dionnet, directeur du Certam. De fait, le Centre d'étude et de recherche technologique en aérothermique et moteur (Rouen) a peut-être développé avec la PME lyonnaise MCE-5 l'une des meilleures solutions pour adapter le taux de compression à la charge du véhicule. « Ici, le bloc moteur est fixe, de même que la culasse. On ne modifie que l'équipage mobile, sans remettre en cause la cinématique du groupe vilebrequin, bielles, pistons, et sans soulever de problèmes de connectivité avec la boîte ou le pot d'échappement, puisque le bloc est rigide », souligne Frédéric Dionnet. La technologie de MCE-5 repose sur un système à engrenage qui règle continûment la hauteur du piston. Système dont on se doute qu'il est d'une précision et d'une solidité à toute épreuve. Le mécanisme de VCR est couplé à une suralimentation du moteur. Le prototype qui a déjà tourné plus de 400 heures au banc d'essai, affiche un gain de consommation jusqu'à 45 % selon la charge.

LES EXIGENCES

- Obéir à des normes de polluants locaux (diminution de moitié des CO et des imbrûlés, du tiers des NOX) qui se rapprochent des objectifs californiens, tout en satisfaisant aux engagements des constructeurs européens sur le CO2 (120 g/km en 2012). Le tout, sans remettre en cause l'outil industriel.

LES SOLUTIONS

Gazole - Le carburant le plus économe est aussi le plus problématique à dépolluer. Le post-traitement va devenir la règle. - La désulfuration progressive du gazole va favoriser ces solutions de post-traitement, type piège à NOX et filtre à particules. - Enfin le mariage parfait avec l'air. Le gazole fournira un mélange homogène... à la façon de l'essence. Essence - Baisse des cylindrées des moteurs conjuguée à la suralimentation. - Commande indépendante des soupapes ou adaptation du taux de compression grâce à la mécatronique. - Suppression du carcan de la "richesse 1" grâce aux techniques de mélange pauvre stratifié... - Adieu, bougie ! L'essence s'enflammera... à la façon du gazole.

Le point de vue de...Yves Maroger Directeur de l'amont, des prestations et de l'environnement de la mécanique, chez Renault

- Jusqu'en 2010, nous n'avons pas d'inquiétudes particulières face aux normes réglementaires de pollution. - Le diesel, plus problématique, va nous amener à déployer la technologie SRC [voir p. 68]. - Nous misons sur la technologie HCCI (mélange homogène), mais pas avant 2010. - Nous pensons faire l'impasse sur les moteurs à taux variable. - Parmi les technologies candidates à court terme, nous pensons voir se développer l'injection directe essence en mode stratifiée. - La tendance "downsizing + suralimentation" va se répandre. - Le parc diesel va passer en totalité en mode turbo. - Les technologies d'admission continûment variable sont d'excellentes candidates.

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