LE MOTEUR

Le cœur de l’automobile est constitué par son moteur.

Il est indispensable d’en comprendre le fonctionnement et d'aborder les évolutions envisagées à plus ou moins long terme au regard de l'ensemble des enjeux, plus particulièrement ceux afférents à l'environnement et ceux liés à l'accroissement de la demande de transport.

Dans ce cadre, seront étudiés successivement le fonctionnement du moteur 4 temps, puis les améliorations en cours et à venir, concernant le couple moteur-carburant, et enfin les alternatives envisageables à ce moteur conventionnel.

 

Fonctionnement du moteur 4 temps

 

Moteur 4 temps

 

La plupart des voitures sont équipées d’un moteur dit "alternatif" à quatre temps. Les moteurs alternatifs sont composés de cylindres dans lesquels un piston se déplace afin de générer de l’énergie. Les quatre temps du moteur sont les suivants : admission, compression, explosion, échappement.

Examinons de plus près ces quatre étapes du cycle. Durant la première, l’admission, la soupape d’admission s’ouvre juste avant que le piston atteigne son "point mort haut", sa position la plus haute dans le cylindre, à proximité de la culasse. Pendant la descente du piston vers sa position basse, le mélange air – essence est aspiré à travers l’orifice libéré par la soupape d’admission. Lorsque le piston rejoint sa position la plus basse dans le cylindre, la phase d’admission s’achève pour laisser place à la compression durant laquelle toutes les soupapes sont fermées et la remontée du piston comprime le mélange air – essence dans le cylindre.

Dès que le piston a rejoint sa position la plus haute dans le cylindre (comprimant le mélange air – essence), une étincelle est déclenchée sur la bougie, faisant exploser le mélange air – essence comprimé à sa valeur maximale. Il s’agit de la phase d’explosion pouvant porter la température du cylindre à 2000°C et la pression à 200 atmosphères. Cette combinaison de température et de pression très élevées renvoie le piston vers le bas, faisant ainsi tournée le vilebrequin et créant une énergie mécanique rotative.

 La phase d’échappement débute lorsque le piston atteint de nouveau sa position basse. La soupape d’échappement s’ouvre alors afin de permettre aux gaz brulés de quitter le cylindre. Ces gaz ne s’évacuent pas sous l’effet de la remontée du piston, mais grâce à la chaleur et la pression générée. A la remontée du piston, la soupape d’échappement se referme et le cycle se renouvelle à la fin du temps d’échappement.

Un moteur reproduit ce cycle plusieurs centaines de fois par minute au ralenti et plusieurs milliers de fois par minute à régime élevé, afin de continuer à générer l’énergie capable de déplacer la voiture.

 

Améliorer les moteurs conventionnels et développer des carburants alternatifs

La recherche et l'industrie automobiles ont d'ores et déjà ouvert plusieurs voies pour répondre aux besoins énergétiques croissants d'un secteur qui doit maîtriser son impact sur l'environnement, tout en continuant à satisfaire les besoins de mobilité auxquels l'homme moderne s'est habitué. Moteurs et carburants forment un couple indissociable. Le volet carburant est donc une composante à part entière pour contribuer efficacement à l'amélioration de la qualité de l'air et à un meilleur contrôle des rejets de gaz à effet de serre. De même, certaines améliorations des carburants ont un impact bénéfique sur le comportement du moteur, notamment la combustion.

Dans les prochaines décennies, d'un point de vue technologique, les véhicules qui circuleront sur les routes seront sans doute proches de ceux que l'on connaît aujourd'hui, mais ils seront plus efficaces, plus propres et économes. Avant de pouvoir passer le relais à des solutions alternatives applicables en série, le moteur classique doit continuer de s'améliorer pour maîtriser les nuisances  qu'il occasionne. Il va bénéficier de plusieurs innovations technologiques majeures et ce, même si la pollution urbaine a déjà bien été réduite.

Pour les moteurs diesel, le véritable enjeu sera de respecter les futures normes d'émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de particules, en s'appuyant en particulier sur  une optimisation des chambres de combustion et des catalyse à 4 voies qui permettent d'éliminer simultanément 4 polluants (oxydes d'azote, hydrocarbures imbrûlés, CO et particules).

Le système de post-traitement des émissions polluantes étant, sur les véhicules d'aujourd'hui, déjà très performant, l'enjeu pour les moteurs à essence porte sur la réduction des émissions de CO2 et donc sur l'amélioration du rendement énergétique, grâce, entre autres, à  l'injection directe du carburant dans la chambre qui permet des gains potentiels de consommation de 10 à 15 % et de nouveaux procédés de combustion.

Pour contribuer à diversifier les sources d'énergie dans les transports – lesquels dépendent, il convient de le rappeler, à 97 % du pétrole - et réduire les émissions de gaz à effet de serre, des "carburants alternatifs" offrent un réel potentiel. Aujourd'hui, les plus utilisés au niveau mondial sont l'éthanol, le biodiesel, le Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL) et le Gaz Naturel pour Véhicules (GNV). A moyen terme, on devrait assister à la montée en puissance des carburants de synthèse produits à partir du gaz naturel, du charbon et de la biomasse (dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie). L'électricité devrait voir progressivement son poids s'accroître. Enfin à plus long terme, l'hydrogène pourrait être envisagé comme un carburant de substitution.

Il existe aujourd'hui deux grands types de biocarburants produits à grande échelle à partir de matières premières végétales :  l'éthanol pour le moteur à essence et le biodiesel destiné au moteur diesel. Les biocarburants peuvent être mélangés directement aux carburants actuels à des teneurs variables et sans adaptation particulière des moteurs, ils n'ont pas vocation à se substituer entièrement au pétrole.

A plus long terme, des biocarburants dits de 2éme génération, valorisant des constituants du végétal qui ne sont pas utilisés par ailleurs (résidus de bois, algues, …), présentent un potentiel intéressant.

Mélange de butane et de propane, le GPL présente de bonnes performances environnementales : pas (ou peu) de rejets de soufre, plomb ou benzène, peu d'évaporations et des émissions de polluants réglementés réduites. Au niveau mondial, le parc de véhicules l'utilisant progresse régulièrement.

Le GNV utilisé pour les véhicules est une voie qui offre de nombreux avantages, parmi lesquels, une réelle aptitude à réduire l'effet de serre (-20 à -30 % d'émissions de CO2 par rapport à l'essence), des réserves importantes et une répartition géographique plus homogène à l'échelle de la planète que le pétrole. Toutefois, il s'agit d'une énergie fossile non renouvelable.

Les carburants liquides de synthèse sont des carburants essence ou gazole de bonne qualité et qui ne nécessitent pas d'adaptation particulière des véhicules. On peut les produire à partir de biomasse cellulosique (bois ou paille) - ce qui offre le double avantage de réduire la dépendance énergétique vis-à-vis du pétrole et de diminuer les émissions de gaz à effet de serre - ou à partir d'autres énergies fossiles (charbon liquide/CTL ou gaz liquide/GTL).

 

Les alternatives au moteur conventionnel

Par motorisation alternative, on entend soit des moteurs dédiés à un nouveau type de carburant tel que gaz naturel, biocarburant ou hydrogène, soit une remise en cause profonde de l'architecture des moteurs actuels.

Les moteurs à gaz naturel sont souvent issus de la conversion de moteurs diesel ou à essence existants. Mais des moteurs spécialement conçus pour le gaz naturel sont en cours de développement et permettent une réduction des émissions de CO2 de l'ordre de 5 à 10 % par rapport à un moteur diesel. Le gaz naturel pourrait atteindre encore de meilleurs résultats sur un véhicule hybride (électricité/GNV). Ce type de moteur est certainement appelé à se développer.

L'électrification des véhicules présente un potentiel important pour réduire la consommation de carburant, limiter l'impact sur l'environnement et diversifier les sources d'énergie.

Le véhicule purement électrique présente de nombreux atouts : aucune émission polluante directe,  une chaîne de traction à haut rendement, des sources d'énergie primaire variées et des émissions de CO2 potentiellement très faibles si l'électricité est produite à partir d'énergie renouvelable, nucléaire ou fossile avec captage et stockage du CO2. Les verrous technologiques restent néanmoins nombreux, parmi lesquels les batteries qui posent des problèmes tant en termes d'autonomie que de coût et de temps de recharge. Des solutions de motorisation tout électrique avec une autonomie de 100 à 200 km sont envisagées, notamment en usage urbain et péri-urbain.

Les véhicules hybrides qui associent un moteur thermique, une machine électrique et leurs stockages d'énergie respectifs (réservoir de carburant et batterie) présentent un potentiel élevé pour optimiser la gestion de l'énergie à bord du véhicule et donc en termes de réduction des émissions de CO2. En fonction de la gamme de véhicule et des performances visées, le taux d'hybridation, c'est à dire la puissance électrique disponible à bord du véhicule, va être augmenté avec l'introduction de fonctionnalités complémentaires telles que la récupération de l'énergie de freinage, l'accroissement du couple moteur, l'optimisation de la gestion de l'énergie à bord ou l'hybridation rechargeable '"plug in". L'hybridation n'est pas limitée à l'essence, puisque l'on peut également marier l'électricité avec le diesel, les biocarburants ou encore le gaz naturel.

Sans autres émissions que de la vapeur d'eau à l'échappement, le véhicule fonctionnant à l'hydrogène peut apparaître comme une solution inépuisable et propre. Mais c'est oublier que l'hydrogène doit être produit à partir d'une source d'énergie et que le bilan CO2 de la filière est complètement dépendant de son mode de production. Si un réseau de distribution d'hydrogène devenait disponible, on pourrait envisager son utilisation dans des moteurs à combustion interne dédiés à l'hydrogène. Cette solution est souvent imaginée comme une étape vers la pile à combustible (PAC). C'est sur un véhicule à motorisation électrique équipé d'une telle pile, qui offre un meilleur rendement énergétique que celui des moteurs traditionnels, alimentée à l'hydrogène que les constructeurs automobiles misent, même si de nombreuses difficultés demeurent pour sa mise en œuvre à grande échelle. La PAC reste donc une option sur le long terme : une production en série de véhicules à piles à combustible n'est pas envisageable avant les années 203X.

 

TPE 2010\2011

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