Pour un usage automobile, on demande aux moteurs de varier rapidement dans une large plage de vitesse et de puissance. Les moteurs ne peuvent donc pas être optimisés pour une puissance donnée. Le rendement à faible charge est très réduit. Dans une automobile, compte tenu des pertes liées à la transmission, du fait que l’on fonctionne généralement à une puissance de l’ordre de 10 à 20 % de la puissance maximale, des périodes d’arrêt, de l’alimentation des accessoires, des périodes de mises en chauffe, le rendement moyen aux roues ne dépasse guère 12 %1. Il existe donc une importante marge de progression.
Plusieurs solutions sont possibles pour améliorer le rendement global des voitures :
Les voitures à transmission hybride ‘série’ ou un groupe électrogène à puissance généralement fixe, donc fonctionnant au meilleur point de rendement alimente une batterie qui délivre une puissance variable à un moteur électrique.
Les voitures à transmission hybride ‘parallèles’ ou un moteur de puissance modérée entraîne les roues. Ce moteur est complété par un moteur/alternateur électrique qui apporte un complément de puissance quand nécessaire ou au contraire recharge la batterie quand la demande est faible. Ce moteur étant plus proche de sa charge maximum a un meilleur rendement.
En créant des moteurs à combustion dont le rendement aux diverses charges est amélioré. Il y a de nombreuses solutions en cours d’études depuis parfois des décennies, qui sont abordées au chapitre suivant.
Amélioration du rendement des moteurs
Les embiellages à roulements à aiguille
Les paliers à aiguille ont moins de frottement que les paliers lisses, mais les bielles ne sont pas démontables et il faut assembler le vilebrequin et les bielles ensembles. Ce n’est pas adapté pour des manetons de gros diamètre. Les bielles étant plus légères, ceci facilite aussi les régimes rapides.
C’est une technologie courante en moteur moto, l’une des rares applications en automobile a été le moteur des Panhard des années 1960 et1970, qui comportait deux cylindres à plat.
Les moteurs à désactivation d’une partie des cylindres
On cesse de faire fonctionner les soupapes sur certains cylindres quand la demande est faible. De ce fait, les cylindres restants fonctionnent à plus forte charge donc à meilleur rendement. C’est un peu compliqué et malheureusement il y a toujours quelques pertes par frottement sur les cylindres désactivés. La gestion de l’équilibre thermique du moteur est délicate. Cela s’utilise sur des voitures de haut de gamme de forte cylindrée, généralement à plusieurs rangées de cylindres.
Les moteurs à compression Variable (VCR)
Par des systèmes mécaniques on peut adapter la compression suivant la charge du moteur. La majorité des systèmes utilisés comportent des déplacements de parties importantes du moteur ce qui crée des contraintes mécaniques ou de transmission. Une des exceptions est le moteur MCE-5, donc le bloc moteur reste d’un seul tenant. Ce moteur est proche de l’industrialisation.
La compression variable faciliterait la réalisation d'un moteur HCCI.
Les soupapes à levée variable
Article détaillé : distribution variable.
Il existe des systèmes de levée variables mécaniques ou d'autres sans arbres à cames à commande pneumatique, hydraulique ou électrique ditcamless. On peut faire varier le remplissage du cylindre en utilisant le cycle d'Atkinson, améliorant le rendement à charge partielle. On modifie aussi les avances et retard d’ouverture en temps réel en fonction des paramètres instantanés du moteur. L’un des objectifs est notamment de ne plus avoir de papillon d’admission, limitant ainsi les pertes d’écoulement. Ceci faciliterait aussi la réalisation d'un moteur HCCI.
Avec les soupapes électriques, en plus de la levée variable on diminue les pertes de la distribution car la consommation électrique pour la levée des soupapes demande moins de puissance qu’un arbre à cames traditionnel. Les premiers moteurs à soupapes électriques doivent sortir en2009 sur la Fiat 500. Les soupapes à levée pneumatique sont utilisées sur certains moteurs de camions.
Les pistons sans efforts latéraux
Le moteur Revetec propose un système remplaçant le système bielle/vilebrequin par une double came annulant totalement les efforts latéraux. Les pistons étant entraînés par des roulements roulant sur la came, il y a aussi un gain sur la transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif car il n’y a pas de paliers lisses. Le rendement maximum du dernier prototype atteint 38 % pour un moteur à allumage dont la distribution et les culasses sont relativement primitives. Ce moteur en est à sa deuxième génération de prototypes.
Le moteur MCE-5, dont l’objectif principal est d’être un moteur à compression variable, offre comme avantage complémentaire l’annulation des efforts latéraux sur les pistons par un système d’engrenage oscillant. Il comporte un vilebrequin et des bielles.
La récupération de l’énergie d’échappement avec une turbine
Les turbocompresseurs utilisent l’énergie de l’échappement pour comprimer les gaz d’admission. Il est aussi possible de coupler la turbine à l’arbre de transmission de façon à récupérer une partie de la puissance (moteurs turbo-compound (en)). Le train de réduction est complexe et ceci ne fonctionne correctement que pour une plage de puissance limitée. Ceci a été développé sur des moteurs d’avions à la fin des années 1940 et est utilisé actuellement sur des moteurs de camion Detroit Diesel (en) et Scania2.
La récupération de l’énergie de refroidissement
Le moteur Crower à six temps récupère la chaleur de refroidissement par injection d’eau dans le cylindre, ce qui crée de la vapeur dans un cycle moteur complémentaire à vapeur en plus du cycle à explosion. Il n’y a pratiquement pas de données sur les prototypes existants et le développement semble arrêté.
Le moteur Bajulaz3 à six temps récupère la chaleur de refroidissement d'une chambre de combustion qui est séparée du cylindre. Cette chaleur est utilisée pour préchauffer de l'air dont l'expansion sera utilisée lors d'un cinquième temps.
Le moteur Velozeta4 récupère la chaleur de refroidissement et d'échappement par injection directe d'air dans le cylindre lors de l'échappement. Il présente l'avantage additionnel de diminuer la pollution du fait d'un meilleur balayage du cylindre.
Le moteur thermique à récupération d'énergie: C'est le principe d'un moteur thermique couplé au principe d'un moteur à air chaud de type Ericson, la liaison entre les deux systèmes est réalisée par un piston multifonctions. Il est espéré un rendement global de 65%5,6.
Combiner diverses solutions
Il faut noter que certaines des solutions exposées sont combinables, les effets de ces combinaisons étant plus ou moins cumulatifs. Par exemple un moteur Revetec à faibles frottements bénéficierait pleinement d’un système de soupapes à levées variables. La combinaison d’un moteur à compression variable et de soupapes à levée variable est positive, mais les avantages ne s’additionnent pas complètement.
ecofute.net
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