(Article de Guillaume Kalmbach).

Qu’est ce qu’un moteur thermique ?

Votre voiture en a un, celle de votre voisin en a un, et même votre tondeuse à gazon en a un. Le moteur thermique, aussi connu sous le nom de moteur à combustion et explosion crée de l’énergie, ou plutôt une force de rotation, grâce à la combustion d’air et d’essence (ou d’hydrogène, nous verrons cela plus tard). Jusqu’à présent, tous les moteurs à explosion fonctionnent comme cela. Cependant, le moteur d’une Ford T de 1908, et celui d’une Ford Fiesta de 2017 diffèrent en de nombreux points. Si l’on considère le moteur de la Ford T comme étant le premier téléphone portable ayant existé (ceux sous forme de mallette que l’on devait transporter avec une sangle), celui de la Fiesta serait l’équivalent de l’iPhone. En effet le premier téléphone était lourd, encombrant, et avait des capacités très limitées, tandis que l’iPhone (ou n’importe quel autre smartphone) est aujourd’hui une version très évoluée qui utilise la technologie la plus avancée à notre disposition. Sauf qu’entre le premier téléphone à nos jours, il y a environ 45 ans, mais entre le premier moteur à combustion utilisé dans une voiture et aujourd’hui, il y a un écart de près de 150 ans !

Avant d’expliquer les multiples innovations depuis sa création, vous devez comprendre comment fonctionne un moteur à explosion. Tout d’abord, l’essence est un liquide très inflammable. Sauf que pour qu’il y ait feu, il faut de l’air. Ainsi, le moteur allume à l’aide de bougies (qui sont bien entendu très différentes de celles décorant votre maison) et fait exploser un mélange d’air et d’essence à l’intérieur d’une chambre appelée un cylindre. Au fond de ce cylindre se trouve un piston qui est déplacé vers le haut et vers le bas par l’explosion du mélange air/essence. Ce piston est attaché à un vilebrequin qui est tout simplement un axe qui tourne sur lui-même grâce aux mouvements de haut en bas des pistons. Les rotations du vilebrequin sont récupérées par la transmission qui transmet (comme son nom l’indique) la puissance de rotation vers les roues.

C’est simple non ?

On ne peut faire plus simple que cette image

Ainsi, c’est comme ça que fonctionnent les voitures à essence. Mais vous vous en doutez, l’explication du fonctionnement du moteur est beaucoup plus simple que sa conception. Aujourd’hui les utilisateurs sont préoccupés par la consommation d’essence, la puissance, le taux d’émission de CO2, etc. Avant, les voitures étaient lentes, basiques, drastiquement dénuées de mesures de sécurités. Aujourd’hui les voitures sont conçues pour aller sur l’autoroute, sont beaucoup plus lourdes à cause des multiples renforts de sécurité protégeant l’habitacle. Ainsi, les moteurs des voitures modernes tractent un poids beaucoup plus important, et nécessitent donc d’être plus puissants et d’atteindre des vitesses plus élevées tout en maintenant une consommation respectable.

Reprenons pour exemple la Ford T. Son poids était d’environ 700 kg sans le plein d’essence, elle développait 20 chevaux et atteignait une vitesse maximale de 70 km/h. Son moteur était un 4 cylindres ayant une cylindrée de 3,0 L (il s’agit de la taille du moteur calculée à partir du volume total des cylindres). La consommation de ce moteur était de 18 Litres / 100km.

Aujourd’hui, la Ford Fiesta, dotée du moteur “ecoboost”, a battu le record de la plus petite consommation d’essence au monde avec seulement 2,3 Litres / 100km. Son moteur ? Un 3 cylindres de 100 ch, d’une cylindrée de 1,0 L, tractant un poids total de 1150kg. Le plus étonnant est que la vitesse maximale de cette auto est de 185 km/h.

Alors comment se fait-il qu’un moteur plus petit, avec moins de cylindres, devant tracter un poids supérieur de 400kg par rapport à celui d’une Ford T, soit capable de produire 70 chevaux de plus et atteindre une vitesse aussi grande ?

 

 

 

 

 

 

 

 

Ci-dessus une Ford T, et une Ford Fiesta, on peut voir les progrès de l’aérodynamisme !

Les constructeurs ont tout d’abord compris qu’il n’est pas nécessaire de fabriquer un plus gros moteur pour avoir davantage de puissance, mais qu’il s’agissait de rendre les moteurs plus efficaces. Un moteur à essence n’est pas si efficace qu’on ne le pense, beaucoup d’énergie se perd entre l’explosion dans le cylindre et les roues. Cette énergie s’évapore sous forme de chaleur ou par les frottements des composants du moteur. Ainsi des technologies comme l’injection directe, le turbo, ou encore la cartographie variable, sont utilisées pour réduire cette perte d’énergie et de rendre le moteur le plus efficace que possible. Bien entendu, il va de soit que l’hybridation d’un moteur contribue aussi largement à l’économie de carburant, mais nous nous concentrerons ici que sur les évolutions des moteurs à essence.

Commençons par l’injection directe : il s’agit d’un procédé qui utilise un injecteur sur chaque cylindre qui diffuse directement l’essence dans le cylindre sans le mélanger au préalable. Ce procédé remplace l’injection multipoints, encore utilisée par beaucoup de marques automobiles, qui au lieu d’injecter directement dans le cylindre, mélangeait l’air et l’essence dans un collecteur d’admission. L’injection directe est un procédé qui existe depuis longtemps mais qui n’a émergé que récemment grâce aux avancées technologique permettant de le rendre plus efficace que n’importe quel autre système. Depuis le début des années 2000, toutes les Audi bénéficient de ce système, et de plus en plus de constructeurs font cette transition. Cette configuration est plus chère à fabriquer et plus bruyante que l’injection multipoints, mais crée un écart de consommation très significatif.

À gauche l’injection multipoints, à droite l’injection directe

 

Le Turbo, est une méthode de suralimentation du moteur utilisée au départ pour améliorer la performance des autos. En effet avec son arrivée en Rallye et en Formule 1, le turbo a eu un grand succès, et est d’ailleurs responsable des nombreuses victoires de Renault en F1 de 1977 à 1989. Mais aujourd’hui, le turbo est utilisé dans les moteurs à des fins différentes : l’économie de carburant. Réintroduit en Formule 1 depuis 2014, le turbo remplace le moteur atmosphérique qui consomme plus et est plus bruyant. Il s’agit d’une turbine qui utilise les gaz d’échappement du moteur, les compresses et les réinjecte dans le moteur, ce qui mène à une explosion plus puissante à l’intérieur du cylindre. Ainsi il contribue énormément à la réduction de la taille des moteurs : là ou un moteur 6 cylindres était nécessaire, un 4 cylindres turbo suffira, car à une vitesse stable l’auto n’a pas besoin de toute la puissance du moteur, ainsi seuls 4 cylindres fonctionneront au lieu de 6, et dès que le conducteur accélèrera, le turbo se mettra en marche et mettra à disposition toute la puissance du moteur. Ce procédé est en quelque sorte un boost de puissance sur commande, qui permet également de réduire la consommation tout en augmentant la puissance.

Ouvrez le capot de votre voiture et essayer de trouver le turbo, il est facile à trouver

Enfin, une technologie plus récente qui en principe utilise le même procédé que le turbo, est la cartographie variable. Il s’agit littéralement de couper un ou plusieurs cylindres de manière automatique dès que ces cylindres ne sont pas nécessaires. Ainsi même les dernières Bentley, lorsqu’elles sont utilisées sur autoroute à vitesse stable de 130 km/h par exemple, coupent automatiquement 4 cylindres de leurs V8 et ne fonctionnent donc qu’avec 4 cylindres sur les 8. Et dès que le conducteur a besoin de plus de puissance, les 4 cylindres éteints se réactivent, et libèrent ainsi les quelques 600 chevaux du moteur.

Donc vous l’aurez compris, les constructeurs automobiles mettent tout en oeuvre afin de garder en vie le moteur à explosion qui semble en fin de course en vue de l’hybridation et de l’électrification, voir même de l’autonomisation des automobiles à venir.

Ces 3 techniques sont les procédés qui sont de plus en plus démocratisés et répandus dans nos autos sans parfois même qu’on le sache. Ces techniques vont de pairs avec l’évolution exponentielle de l’aérodynamisme permettant un meilleur taux de pénétration dans l’air et donc moins de frottements, l’introduction des boites de vitesses à double embrayage plus efficaces, des systèmes de Start and Stop, des systèmes de récupération d’énergie cinétique (surtout chez BMW) et encore plein d’autres techniques d’hybridation des moteurs utilisées en vue de réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 tout en augmentant la puissance.

Ainsi le moteur à essence a encore de beaux jours devant lui avec ces multiples innovations, car il est aujourd’hui encore le mode de propulsion le plus efficace et le plus rentable sur le marché de l’automobile mais aussi sur une multitude d’autres plateformes.

 

Guillaume  Kalmbach

 

 

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