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Le moteur à explosion : un bicentenaire qui se porte bien !

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Edito : Le moteur à explosion : un bicentenaire qui se porte bien !

Jeudi, 16/02/2017 - 23:00 1 commentaire
Le moteur à explosion : un bicentenaire qui se porte bien ! zoom

On le sait peu mais le premier brevet concernant un moteur à explosion remonte à …210 ans. C’est en effet en 1807, cinq ans avant la toute première locomotive à vapeur et alors que Napoléon remporte la sanglante victoire d’Eylau contre l’armée russe, que fut déposé par le Suisse François Isaac de Rivaz le brevet du premier moteur à explosion, également nommé moteur à combustion interne. En 1860, L’ingénieur belge Étienne Lenoir met au point un moteur à deux temps. Celui-ci, bien que fonctionnant au gaz d'éclairage, intègre un nouvel élément déterminant : une bougie électrique qui produit l'étincelle nécessaire à l'explosion du gaz.

Deux ans plus tard, en 1862, l'ingénieur français Alphonse Beau de Rochas dépose un brevet sur le cycle théorique d'un moteur à quatre temps, transformant l'énergie thermique en énergie mécanique. Mais à la fin du XIXème siècle, ce sont surtout les inventeurs et ingénieurs allemands, comme Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach et Nikolaus August Otto qui développent des moteurs légers et performants. Cette effervescence technique aboutira en 1867 au premier moteur à quatre temps tout à fait accompli (1867) qui sera rapidement amélioré et commercialisé en Europe dés1876.

Le 12 février 1884, le Français Édouard Delamare-Deboutteville dépose le premier brevet concernant une automobile. Il s'agit d'un véhicule de transport équipé d'une banquette avant et d'une plate-forme arrière, il est équipé de quatre roues, d'un moteur bicylindre horizontal fonctionnant au gaz de pétrole, d'une transmission aux roues arrière par chaîne, d'un arbre de transmission et d'un différentiel. Le 28 février 1892, l’ingénieur allemand Rudolf Diesel dépose devant l’Office impérial de Berlin le brevet d’un moteur dont la pression de fonctionnement est assez élevée pour que l’allumage s’effectue spontanément.

En 1900, Diesel présente son premier moteur commercialisé à l'occasion de l’Exposition universelle de Paris. Ce moteur a une cylindrée de 1 960 cm3 tournant à 172 tr/min et développe une puissance de 14,7 kW. Grâce à l’invention en 1924 de la pompe à injection par le Français Lucien-Eugène Inchauspé (1867-1930), le moteur diesel devient vraiment performant et les premières voitures particulières à moteur Diesel, fabriquées par Mercedes et Peugeot, arrivent sur le marché à la veille de la seconde guerre mondiale.

La suite est connue : de 1939 à nos jours, le nombre total de véhicules en circulation dans l’Hexagone explose, passant de moins de deux millions à 39 millions, dont 6,5 millions de camions et de véhicules utilitaires. Pourtant, fait remarquable, grâce à des moteurs de plus en plus performants et économes, et en dépit de cet accroissement continu du parc d’automobiles et de camions, la consommation globale de carburants (essence et diesel) a diminué de 7 % en 15 ans, passant de 51,3 à 47,7 milliards de m3 par an. Il faut également souligner que, particularité unique en Europe, les deux tiers des véhicules qui sillonnent notre pays sont équipés de moteurs diesel.

Aujourd’hui, la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur des transports est devenue un enjeu majeur et une condition incontournable pour atteindre les objectifs énergétiques et climatiques définis à la fois au niveau européen et international et fixés par l'Accord mondial de Paris sur le climat en décembre 2015. L'enjeu est d'autant plus important pour la France que les transports représentent 29 % des émissions en 2015, soit 130 millions de tonnes de CO2 (MtCO2), dont plus de la moitié pour les véhicules particuliers. En outre, sous l’effet de l’augmentation du parc, les émissions globales dues aux transports routiers ont augmenté de près de 10 % au cours des 25 dernières années.

Certes, les voitures électriques et hydrides (moins de 200 000 au total en France), pourraient représenter, selon les dernières prévisions, 20 % du parc européen de véhicules en 2030. Mais cette montée en puissance ne suffira pas à nous mettre sur la trajectoire de réduction très ambitieuse de nos émissions de GES que nous devons atteindre : - 40 % d’ici 2030 (par rapport à 1990) et - 75 % d’ici 2050. Pour parvenir à tenir ces nouveaux engagements en matière environnementale et climatique, l’Union européenne va donc très probablement adopter, d’ici la fin de l’année, une nouvelle norme draconienne de consommation pour les véhicules thermiques : 2 l/100km pour des véhicules neufs vendus à partir 2030 et 50 grammes de CO2 par km (gCO2/km).

Dans un tel contexte politique, on comprend mieux pourquoi tous les grands constructeurs redoublent d’efforts pour développer des nouveaux moteurs à la fois plus performants, moins polluants et moins gourmands en carburant. En août 2016, le constructeur japonais Nissan-Mitsubishi a annoncé qu’il serait le premier à commercialiser un moteur à compression variable. Après plus de 20 ans de développement, ce nouveau moteur révolutionnaire a été présenté à l’occasion du dernier Mondial de l’automobile de Paris.

Baptisé VC-T (Variable Compression – Turbocharged), ce moteur possède la capacité d’augmenter ou d’abaisser la course des pistons, ce qui permettra au moteur d’avoir un taux de compression variable pouvant passer de 8:1 à 14:1. Cet avantage décisif lui confère une puissance accrue, ainsi que 25 % d’autonomie supplémentaire. Le premier moteur à jouir de cette technologie sera un bloc à quatre cylindres de 2,0 litres turbocompressé. Il équipera dès 2018 la prochaine génération de l’Infiniti QX50.

En octobre 2016, une firme israélienne, Aquarius Engines, a pour sa part présenté un étonnant moteur développé par deux ingénieurs, Shaul Yaakoby et Gal Fridman. Selon cette entreprise israélienne, ce nouveau type de moteur pourrait révolutionner l'industrie automobile. Aquarius Engines affirme que son moteur est beaucoup moins cher à fabriquer que les moteurs classiques et qu’il offre de surcroît une autonomie-record de de 1600 km avec un seul plein.

Présenté comme une véritable innovation de rupture, ce moteur ne compte qu’une vingtaine de pièces. Mais surtout, au lieu de recourir à plusieurs pistons à poussée verticale, il n’utilise qu’un seul piston à poussée latérale qui se déplace entre deux chambres de combustion, sans vilebrequins, ni bielles. Résultat : ce moteur, qui a été testé par la société d'ingénierie allemande FEV, serait deux fois plus performant qu’un moteur traditionnel. Selon son inventeur, Gal Fridman, "Ce moteur a les plus faibles émissions (de CO2) et le meilleur rapport puissance-poids." De nombreux constructeurs automobiles s’intéressent à ce nouveau moteur, notamment Peugeot. Ce moteur pouvant également produire un courant électrique par le biais d'un aimant se déplaçant à l'intérieur d'une bobine électromagnétique, il pourrait également être utilisée pour rendre beaucoup plus performantes et moins chères les voitures hybrides de prochaine génération.

En novembre dernier, le chinois Qoros a également présenté un moteur révolutionnaire. Ce moteur QamFree possède un couple de 320 Nm et une puissance de 240 ch, le tout pour une consommation réduite. Au lieu d’utiliser une culasse, dont la distribution actionne les soupapes par le biais d'arbres à cames, ce moteur utilise un système pneumatique, ce qui lui permet d’être allégé de 20kg. De par sa conception, ce moteur permet également de combiner de manière optimale la vitesse, l’amplitude et le moment de chaque soupape, ce qui en fait un moteur à la fois puissant, souple, sobre et peu polluant.  

Il faut enfin évoquer une autre avancée tout à fait remarquable, issue de la Formule1, qui devrait donner au moteur thermique un nouvel élan : le moteur à préchambre. Depuis les origines, le moteur à essence est intrinsèquement plus propre et puissant que le diesel mais il souffre d’une limitation de puissance inhérente à sa conception car il ne peut pas fonctionner avec un mélange air-essence pauvre. En outre, le taux de compression maximal de ce type de moteur – déterminant son efficacité thermodynamique - est inférieur à celui d'un moteur diesel car il ne peut plus fonctionner correctement au-delà d'un certain niveau de pression, à cause du phénomène de détonation spontané du mélange air-essence qui risque de détruire le moteur.

Mais ce nouveau type de moteur parvient à supprimer ces deux obstacles technologiques en ayant recours à une préchambre de combustion comme dispositif de diffusion de l'allumage du mélange. La préchambre de combustion permet d’utiliser quelques gouttelettes d'essence dosées précisément par un injecteur pour obtenir le rapport air-essence optimal à l’aide d’une bougie classique. Grâce à ce saut technologique, le mélange air-essence peut être considérablement appauvri : de 14,7 g, la proportion d'air peut monter à presque 40 pour 1 g d'essence. On obtient, in fine, un moteur aux caractéristiques remarquables, dont le rendement peut atteindre 45 %, contre 35 % pour les moteurs conventionnels et 42 % pour les moteurs diesel les plus récents. Cet excellent rendement permet par ailleurs de réduire la consommation d’un tiers, tout en diminuant sensiblement les émissions d'oxydes d'azote (NOx), un polluant automobile très néfaste pour la santé dont les émissions globales peinent à diminuer depuis 20 ans.

A la lumière de ces remarquables avancées, on peut dire sans exagérer que le bon vieux moteur à explosion est véritablement en train de connaître une révolution technologique qui va lui donner un nouveau souffle et lui permettre d’atteindre au cours de ces 10 prochaines années une efficacité, une fiabilité et une sobriété que l’on aurait à peine pu imaginer il y a seulement une génération. Grâce aux progrès combinés dans les matériaux composites et dans la modélisation informatique, il n’est à présent plus utopique d’imaginer des voitures thermiques qui atteindront les objectifs très ambitieux définis au niveau européen en matière énergétique et environnementale et ne consommeront pas plus de 2 litres aux 100 km en 2030.   

Si ces véhicules intègrent en outre l’hybridation et utilisent de nouvelles générations de carburants issus de sources naturelles renouvelables (comme le bois, les algues ou peut-être demain le CO2), on peut alors construire un scénario dans lequel il deviendra possible de produire en masse des voitures combinant une très grande sobriété, une autonomie record et une très faible empreinte environnementale, le tout pour un prix probablement beaucoup plus attractif que celui des véhicules tout électriques, sans parler des voitures à pile à combustible.

Sachant qu’il y aura au moins un milliard et demi de véhicules en circulation dans le monde d’ici 20 ans, il faut bien comprendre que si nous voulons viser l’efficacité énergétique tout en réduisant massivement la pollution et les émissions de gaz à effet de serre liées au transport, il est préférable d’avoir un parc automobile mondial où coexisteront voitures thermiques à très basse consommation, voitures hybrides de nouvelle génération et voitures entièrement électriques, plutôt que de tout miser sur le véhicule tout électrique, sachant que ce dernier n’offrira pas avant longtemps, à prix comparable, les mêmes performances et la même autonomie que celles des voitures qui vont bénéficier rapidement de ces nouveaux moteurs thermiques d’une extrême efficacité.  

S’agissant de cette question si essentielle pour notre avenir de la transition énergétique et environnementale dans le secteur des transports, nous ne devons pas nous enfermer dans une vision dogmatique et idéologique de l’avenir qui ignore les réalités économiques, mais au contraire apprendre à intégrer et à combiner de manière pragmatique et intelligente les ruptures technologiques en cours pour parvenir à réconcilier définitivement l’usage de la voiture individuelle et la lutte contre la pollution et le changement climatique.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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  • J.T.

    17/02/2017

    Le plus raisonnable serait la solution légère Aquarius, doublée de capteurs solaires photovoltaïque, (si la pile à combustible en osmose à l'eau salée suisse ne donne pas mieux...), à la fois pour la voiture au sol et la voiture volante.
    Car, en ce qui concerne les embouteillages, eux augmenteront !
    Il faudra inévitablement repenser la concentration urbaine et le nombre d'humains viables (et en forme...) sur Terre !

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