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Les moteurs conventionnels

Depuis son invention, l’automobile fonctionne majoritairement à l’aide d’un moteur thermique à combustion interne, à 4 temps, qui peut être alimenté à l’essence (moteur à allumage commandé) ou au gazole (moteur Diesel).

Des progrès technologiques importants ont permis d’augmenter le rendement de ces moteurs conventionnels en vue de réaliser des économies d’énergie.

La préoccupation écologique est, elle aussi, au cœur de la recherche sur le développement des moteurs.

circulation véhicules

+ Comment fonctionne un moteur ?
 + Pourquoi l’appellation "moteur à 4 temps" ?
 + Indice de cétane/indice d'octane
 + Qu'est-ce que la combustion ?
 + Qu’est-ce que le rendement d’un moteur ?
 + Quelles émissions font l’objet d’une réglementation européenne ?
 + Le post-traitement des émissions

 

Comment fonctionne un moteur ?
Fonctionnement moteur

Un moteur automobile conventionnel est constitué, en général, de plusieurs chambres de combustion. Chacune d'entre-elles est délimitée par la culasse, le cylindre et le piston. L'architecture du moteur repose également sur une cinématique bielle - manivelle qui permet de transformer un mouvement rectiligne alternatif (déplacement du piston) en un mouvement rotatif (rotation du vilebrequin).

La combustion du mélange carburé (mélange air-essence) dans la chambre se traduit, à chaque cycle, par une élévation de pression des gaz qui permet de mettre en mouvement le piston et le système bielle-manivelle. Le vilebrequin est, ensuite, connecté aux organes mécaniques de transmission (boîtes de vitesses, arbres de transmission, etc.) afin d'entraîner les roues du véhicule. La boîte de vitesses permet d'adapter la vitesse de rotation des roues à celle du moteur.

Les performances d'un moteur dépendent, en premier lieu, de la quantité d'énergie dégagée par la combustion, donc de la quantité de mélange carburé présente dans la chambre de combustion. Celles-ci sont ainsi directement liées au volume de la chambre (cylindrée unitaire) et au nombre de chambres ou cylindres du moteur (cylindrée totale).

 

Architecture moteur

Pourquoi l’appellation "moteur à 4 temps" ?
Véhicule 4 temps

Ce sont les 4 temps nécessaires au cycle de transformation de l'énergie chimique contenue dans le carburant en énergie mécanique. Chaque temps correspond à un demi-tour de rotation du vilebrequin (une montée ou une descente du piston). Les temps 1 et 4 sont des temps consacrés aux transferts des gaz (admission des gaz frais et échappement des gaz brûlés), les temps 2 et 3 sont les temps nécessaires à la préparation et à la réalisation de la combustion et à sa transformation en énergie mécanique.

  Pour un moteur à essence, les 4 temps se décomposent ainsi :

- 1er temps : Admission (Remplissage du cylindre)
 Le piston descend et aspire le mélange air-essence.
 - 2e temps : Compression
 Le piston remonte comprimant le mélange air-essence, une étincelle est générée pour enflammer le mélange.
 - 3e temps : Combustion - Détente
 C’est celui qui correspond au développement de la combustion et à l'expansion des gaz brûlés : le piston est repoussé vers le bas, l’énergie chimique est transformée en énergie mécanique.
 - 4e temps : Echappement (Vidange des gaz brûlés du cylindre)
 Le piston remonte et évacue les gaz brûlés.

 

Principes de fonctionnement

 Pour un moteur diesel, les 4 temps se déroulent de la même façon à deux différences près :

- 1ère différence :
 C'est de l'air pur qui est admis et comprimé lors des temps 1 et 2, puis le carburant est introduit directement dans le cylindre (par injection) en fin de compression.
 - 2ème différence :
 Le mélange s’enflamme spontanément, sans étincelle, du fait de l'élévation de la température de l'air liée à sa compression.

 

Indice de cétane/indice d'octane

L'indice de cétane caractérise l'aptitude du gazole à s'auto-inflammer spontanément. L'indice d'octane caractérise l'aptitude de l'essence à résister à l'auto-inflammation afin de se préserver de combustions non contrôlées par l'étincelle électrique (combustions anormales, cliquetis).

Qu'est-ce que la combustion ?
Combustion moteur

Pour réaliser une combustion complète d'1 g de carburant conventionnel (essence ou gazole), il faut, en théorie, environ 14,6 g d'air. Ce mélange idéal est appelé mélange stœchiométrique.

- Les moteurs à essence actuels fonctionnent en grande majorité à la stœchiométrie. Après introduction d'un mélange homogène d'air et d'essence dans le moteur, la combustion (inflammation du mélange) est initiée par une étincelle (allumage commandé). La combustion se traduit par la propagation d'un front de flamme qui balaye toute la chambre.

- Les moteurs Diesel fonctionnent avec un excès d'air. Le gazole est injecté sous pression dans une masse d'air préalablement comprimée. La combustion s'initie par auto-inflammation (allumage par compression). La combustion est dite stratifiée ou hétérogène car elle a lieu dans un milieu constitué à la fois de zones très riches en carburant (situées notamment près du nez d'injecteur) et de zones très pauvres, voire sans carburant (près de la paroi du cylindre).

Qu’est-ce que le rendement d’un moteur ?
rendement moteur

Le moteur est un transformateur d'énergie chimique en énergie mécanique. Le rendement d’un moteur est le rapport entre l’énergie fournie au moteur (énergie chimique contenue dans le carburant) et l’énergie mécanique restituée. Il est important d’optimiser ce rendement pour éviter la déperdition d’énergie, particulièrement dans un contexte de développement durable.

Dans des conditions optimales de fonctionnement, un moteur automobile offre aujourd'hui un rendement maximal de l'ordre de 36 % pour un moteur à essence et de 42 % pour un moteur Diesel. C’est-à-dire, qu'en moyenne, un peu plus d'un tiers de l'énergie fournie par le carburant est transformée en énergie utile pour faire avancer le véhicule, le reste étant principalement dissipé en chaleur dans l'atmosphère. Ces conditions optimales correspondent cependant à une utilisation du moteur à charge élevée.

La puissance maximale que doit fournir le moteur est déterminée par la masse du véhicule, sa vitesse maximale et son agrément d'utilisation (lutte contre l’inertie liée au poids, résistance à l'avancement dans l'air, potentiel d'accélération). Or, en règle générale, les véhicules automobiles sont utilisés sur de petits parcours en agglomération, ce qui se traduit finalement par une sollicitation des moteurs à faibles charges. Dans ces conditions, le rendement se trouve dégradé avec des valeurs n'atteignant que 15 %.

De gros efforts de recherche et développement sont engagés dans ce domaine afin d'améliorer les rendements des moteurs dans toutes les conditions d'utilisation des véhicules. Une des voies d'amélioration repose sur le concept d'éco-suralimentation (ou downsizing). Celui-ci consiste à réduire la cylindrée du moteur (donc sa taille et son poids), en conservant un niveau de performance équivalent à un moteur de plus forte cylindrée au moyen de la technique de suralimentation (turbocompresseur). Ce procédé permet de diminuer substantiellement les pertes énergétiques du moteur.

 

Quelles émissions font l’objet d’une réglementation européenne ?
Réglementations émissions

Il s’agit principalement du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures imbrûlés (HC), de l’oxyde d’azote (NOx) et des particules pour les moteurs Diesel. Le dioxyde de carbone (CO 2) n'est pas réglementé au niveau des transports mais fait l'objet d'un engagement d'objectif de réduction de la part des constructeurs européens.

Le post-traitement des émissions
Post-traitement des émissions

C’est l’étape qui consiste à transformer les gaz d'échappement, entre le moteur et le pot d’échappement, pour obtenir des émissions de gaz moins polluants.

Le moteur Diesel produit à la base moins d'émissions de CO et de HC mais occasionne, contrairement à l’essence, des émissions de particules et de fumées. Le post-traitement des moteurs Diesel et des moteurs à essence présente, par conséquent, certaines différences.
 Actuellement, il existe 2 principaux moyens pour réaliser le post-traitement des émissions :

- le pot catalytique qui convertit principalement le CO, les HC et les NOx, et qui permet de réduire également les particules de suie (fraction organique soluble présente sur les particules),
 - le filtre à particules (diesel seulement) qui stocke les particules puis les brûle périodiquement (tous les 500 km environ) dans des conditions parfaitement maîtrisées.

De nouvelles technologies sont en cours de développement pour améliorer encore le traitement des émissions, parmi lesquelles on peut citer, les pièges à oxyde d'azote et la catalyse "SCR" (avec injection d'un agent réducteur spécifique, l'urée).

La réduction de la pollution à la source
Réduction pollution

Il s’agit de procédés en amont, le traitement se faisant à la source au sein de la chambre de combustion. Deux voies sont possibles :

- optimisation des combustions traditionnelles au travers de la mise en œuvre de nouvelles technologies (injection, suralimentation, etc.)
 - mise en œuvre de nouveaux modes de combustion homogène (voir chapitre "les évolutions des moteurs et carburants classiques").

 

+ Les grands débats > Quel avenir pour l’automobile ? > Améliorer les moteurs et carburants conventionnels

 

+ Axes de recherche > Mobilité durable

 

Liens utiles :

>> ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie)
 >> CCFA (Comité des Constructeurs Français d'Automobiles)
 >> PSA-Peugeot-Citroën
 >> Renault

Liste de liens externes
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Chiffres clés

132,8 g/km
Émissions de CO2 des voitures neuves vendues en 2009 : la France au 1er rang en Europe.

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