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Le véhicule thermique : d’importants gains apportés par le downsizing du moteur


Aujourd’hui, les motorisations thermiques sont les plus répandues. Elles concernent globalement deux familles utilisant toutes le concept du moteur à 4 temps : le moteur à allumage commandé, fonctionnant à l’essence le plus souvent et parfois au gaz naturel ou au gaz de pétrole liquéfié, mais aussi, depuis quelques années, au bioéthanol ou ses dérivés ; et le moteur à allumage par compression (dit diesel), utilisant du gazole et du biodiesel (ou du DME). Ces moteurs ont pu largement se développer depuis plus d’un siècle du fait des très bonnes propriétés du carburant utilisé : très haut contenu énergétique par unité de masse et de volume, liquide à température et pression ambiante, pouvant être versé rapidement dans un réservoir, sans précautions importantes. Mais c’est surtout la séparation des paramètres de puissance (définie par le moteur) et d’autonomie (définie par le volume du réservoir) qui a permis aux motorisations thermiques de s’imposer. Par ailleurs, l’autonomie de ces motorisations a largement augmenté depuis quelques années grâce aux progrès sur le rendement du moteur. Ainsi, malgré la hausse du coût des énergies fossiles ou renouvelables et des contraintes environnementales de plus en plus fortes, ces motorisations devraient largement se maintenir dans les 30 à 40 ans à venir.



De nombreux progrès sont toutefois possibles pour améliorer les motorisations thermiques (diesel ou essence). Ces évolutions technologiques porteront sur trois aspects : le downsizing, la convergence des méthodes de combustion diesel et essence, et la commande électronique des soupapes ; autant d’innovations qui devraient promettre au moteur thermique un bel avenir.

Le downsizing, qui consiste à réduire la cylindrée d’un moteur sans en détériorer les performances dynamiques, est en cours de développement depuis une dizaine d’années. Avec des matériaux plus performants, des avancées technologiques sur l’admission d’air (suralimentation) et de carburant (injection directe), le moteur est devenu plus léger et plus petit, d’où une réduction de la consommation de carburant. Ce concept permet d’obtenir des réductions de consommation allant jusqu’à 25 % à performance égale. À plus long terme, on peut même envisager un fort développement de moteur à 2 et 3 cylindres (au lieu de 4 actuellement). Les difficultés à surmonter sont alors celles du bruit, des vibrations et de la tenue en température et pression. Les constructeurs français comme Renault et PSA sont évidemment concernés par ces questions.

On notera cependant que le nouveau cycle d’homologation (WLTP) favorise les véhicules à forte accélération et à vitesse maximale plus élevée. Cela va d’un point de vue réglementaire à l’encontre du développement de moteurs bénéficiant de downsizing. Mais pour des raisons économiques (gains de carburant), le downsizing devrait toutefois continuer à se répandre dans une large gamme de véhicules

Avec le développement du procédé HCCI pour le moteur diesel et le procédé CAI pour le moteur essence, on assistera dans les années à venir à une convergence des méthodes de combustion (déjà initiée depuis les années 2000 par le moteur diesel, plus adapté que le moteur essence). Le procédé HCCI commercialisé à court terme (1-3 ans) permettra une réduction des émissions de NOX du moteur et le procédé CAI conduira à une diminution de la consommation du véhicule allant jusqu’à 15 % selon l’IFPEN. Ce dernier devrait être commercialisé plus tard, vers 2020.

La commande électronique des soupapes permettra de contrôler de manière indépendante l’ouverture et la fermeture des soupapes pour déterminer l’activation ou non d’un cylindre (et de moduler la durée d’ouverture de chacune des soupapes). La commercialisation de ce système est prévue à court terme (1-3 ans). Il pourra conduire à une réduction de consommation du véhicule estimée à 10 % (voire 15 % à 20 % pour Valeo pour sa e-valve). Par ailleurs, d’autres innovations sur le pilotage du cycle de combustion sont en cours de développement : le pilotage des pistons permettant un taux de compression variable (6 % de réduction de consommation) et l’optimisation de la gestion thermique du moteur (4 % de réduction).

Outre ces trois aspects majeurs, on peut citer les innovations concernant la gestion de la production et de l’utilisation de l’électricité dans un véhicule thermique : le développement d’un système de conversion des gaz d’échappement en courant électrique par effet thermoélectrique (influence minime), l’utilisation d’un alternateur à haut rendement (2 % de réduction de consommation) et la mise en place d’un système de gestion de la charge de la batterie (2 % de réduction).

Le downsizing combiné aux autres technologies décrites ci-dessus conduira à une réduction de la consommation d’un véhicule thermique allant de 20 % à 40 % au cours de la décennie 2010-2020. À terme, les progrès sur la motorisation thermique (downsizing et hybridation douce) permettront de réduire les émissions de CO2 de ces véhicules pour atteindre environ 50-60 gCO2/km (Véhicule à motorisation thermique bénéficiant de downsizing et équipé d’un système stop & start et d’un récupérateur d’énergie au freinage) . Celles-ci peuvent être encore réduites de 20 % à 30 % en utilisant un moteur au gaz naturel (GNV) par rapport à un moteur à essence à allumage commandé. Il est toutefois important de noter que pour ce type de véhicules, du méthane peut se dégager si la combustion du carburant est incomplète. Or ce gaz possède un pouvoir radiatif 21 fois plus élevé que celui du CO2.

Enfin, pour descendre en deçà de ce seuil d’émissions, il faudra hybrider fortement la motorisation.