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PROBLEMATIQUE DE CONCEPTION

1. Quelques constats 2. Sources d'énergies utilisables sur un véhicule 3. architecture hybride 4. Cahier des charges

Nous ne revenons pas ici sur la nécessité d’utiliser une source d’énergie à base d’hydrocarbures dans une architecture hybride. Il faut maintenant s’interroger sur ce que suppose une architecture hybride au sein d’un véhicule terrestre.


3. Quel type de moteur à combustion interne dans une architecture hybride ?

3.a) Caractéristiques principales d’une architecture hybride

            L’utilisation de plusieurs sources d’énergie implique pour chaque source la présence :

-         d’un réservoir au sens large du terme, par exemple :

o       réservoir d’essence/gasoil et/ou cuve étanche de GPL pour le moteur à combustion interne

o       batteries contenant l’électrolyte pour le moteur électrique

o       chambre sous pression pour les moteurs pneumatique/hydraulique

o       cuve sous pression pour la pile à combustible (contenant du diydrogène sous très haute pression)

-         d’un moteur : on remarque que le moteur électrique peut être commun à plusieurs réservoirs ; par exemple, le même moteur électrique peut théoriquement être alimenté soit par la pile à combustible, soit par les batteries. Signalons ici l’intérêt des moteurs électriques à fonctionnement réversible, c’est à dire ayant la capacité de se transformer en génératrices électriques s’ils reçoivent une énergie mécanique. De même, certains moteurs hydrauliques sont conçus pour se transformer quasi instantanément en pompes et vice-versa : par exemple, certaines pompes à pistons axiaux à plateaux inclinables.

            L’utilisation simultanée de toutes les formes d’énergie précédemment évoquées sur un même véhicule semble fortement improbable :

-         d’un point de vue technologique

o       Toutes ces sources d’énergie impliquent du poids qui augmente la consommation et surtout du volume qui sera alloué au détriment de l’espace accordé aux passagers et au coffre.

o       La coordination de chaque moteur est complexe et n’est efficace que depuis peu avec les progrès de la commande électronique des actionneurs. La complexité croît exponentiellement avec le nombre d’actionneurs à gérer. Il faut par ailleurs prévoir des dispositifs à division de puissance relativement coûteux et encombrants comme des trains épicycloïdaux pour accoupler plusieurs moteurs et envoyer leur puissance vers un même récepteur mécanique (architecture parallèle), même si ce n’est pas toujours une obligation (architecture série ou découplage des moteurs de type « 1 moteur par essieux » voire « 1 moteur par roue » si chaque moteur est suffisamment petit et puissant (Cf. Fig. 4.)).

Fig. 4. Architectures hybrides possibles

 
                               En haut, architectures à un seul groupe motopropulseur (GMP) hybride                           à gauche : conception parallèle                      à droite : conception série

                               En bas, conception à plusieurs GMP hybrides ou non (Cf. N.B.)                                         A gauche, un GMP par essieu                        A droite, un GMP par roue

 N.B. : Beaucoup de combinaisons sont possibles : un GMP purement thermique sur un essieu, un GMP purement électrique sur l’autre, de même pour le cas d’un GMP par roue, bien qu’une certaine symétrie doive être respectée par rapport au plan de symétrie longitudinal de la voiture.

-         d’un point de vue économique

o       L’acheteur d’un véhicule, aussi écologiste soit-il, n’est pas prêt à payer 2 à 3 fois le prix d’une automobile classique parce que le véhicule en question possède 3 modes de propulsion qui lui permettent de polluer très peu.

o     Les subventions accordées par l’Etat pour l’achat de véhicules propres sont d’ores et déjà insuffisantes pour absorber le surcoût de tels véhicules, et si de tels véhicules se généralisent (ce qui est peu probable dans l’immédiat), elles disparaîtront purement et simplement.

3.b) Conséquence : caractéristiques du moteur à combustion interne

            Comme on l’a vu, le principal problème des architectures hybrides est l’encombrement. Le moteur à combustion interne doit donc être le plus petit possible. C’est là une idée extrêmement forte des architectures hybrides. Ceci explique d’ailleurs que les industrialisations de véhicules hybrides récemment réussies se sont toujours limitées à des moteurs essence de faibles cylindrées (moins de 1400 cm3), les Diesel étant plus massifs. Le problème est que les architectures actuelles des moteurs à combustion interne (piston-bielle-manivelle, Wankel…) sont incompatibles avec une forte puissance si le volume moteur est trop restreint. Nous y reviendrons longuement car résoudre ce problème est la clef-de-voûte du développement des véhicules hybrides : leur champ d’application est actuellement limité aux seuls véhicules citadins de faible puissance (moins de 80 Ch), ce qui les marginalise malgré les bienfaits qu’ils pourraient apporter sur le plan de la pollution.

            En réalité, un véhicule hybride a même potentiellement des performances supérieures à celles du même véhicule uniquement équipé du moteur à combustion interne par l’action concertée de tous ses actionneurs jusqu’à épuisement de ses sources d’énergie autres que celles de type hydrocarbures.

            On pourrait même envisager des véhicules hybrides à tendance sportive – même si l’idée paraît saugrenue pour quelqu’un qui n’y a pas assez réfléchi –, présentant en plus l’avantage d’avoir la même consommation qu’une petite citadine actuelle s’ils ne sont pas trop sollicités alors que les sportives purement thermiques consomment beaucoup, même au ralenti ! Des propositions récentes existent dans ce domaine dans le grand luxe (Lexus hybride, 4x4 hybrides...)

          Pour nous résumer, les caractéristiques idéales d’un moteur à combustion interne implanté dans une architecture hybride sont par ordre d’importance décroissant: 

-         un volume réduit au maximum

-         une puissance maximale au moins égale à celle d’une voiture moyenne d’aujourd’hui, c’est à dire environ 100 Ch.

-       une puissance modulable : comme on l’a vu, la puissance maximale est rarement utilisée. L’idéal serait donc de pouvoir exploiter le moteur partiellement afin de réduire sa consommation sans pour autant porter atteinte au rendement du moteur.

            Nous avons là les 3 idées maîtresses qui vont guider par la suite toute la conception d’une architecture nouvelle de moteur à combustion interne. Tout ce que SYCOMOREEN a évoqué jusqu’à maintenant n’a en effet rien de révolutionnaire, mais il faut rassembler de façon ordonnée et cohérente les données essentielles du problème.

            A partir de maintenant, nous allons rentrer au cœur du sujet en introduisant des contraintes supplémentaires que les moteurs SYCOMOREEN devront respecter et l'exposé va devenir plus technique. Par ailleurs, alors que l’exposé a jusqu’ici été plutôt qualitatif, quelques aspects quantitatifs vont être introduits dans le but d’élaborer un cahier des charges général pour ces moteurs.

3.c) Défauts des moteurs à combustion interne actuels

            Le cahier des charges devra bien évidemment respecter ce qui précède, mais à cette étape de la conception, nous nous devons d’être encore plus exigeants. Pour cela, nous allons nous intéresser aux principaux défauts des moteurs à combustion interne actuels. Chacun de ces défauts limite leur efficacité de façon plus ou moins sérieuse et nous tenterons de dégager des idées importantes visant à atténuer chacun des défauts des moteurs actuels, en nous appuyant parfois sur des exemples et quelques rappels historiques.

-         Défaut n°1 : leur équilibrage est difficile

Il n’est en général assuré que par l’ajout d’arbres tournants volontairement déséquilibrés  n’ayant aucune utilité pour transmettre une quelconque puissance aux roues, mais compensant l’inertie des pièces mobiles du moteur (Cf. fig. 5.). C’est en quelque sorte un rajout disgracieux et volumineux qui ressemble à du bricolage d’un point de vue conceptuel. C’est malheureusement un mal nécessaire pour pratiquement tous les moteurs connus actuellement dès que leurs vitesses de rotation deviennent élevées (plus de 4000 tr/min) parce qu’ils ne sont pas intrinsèquement équilibrés. Les vibrations qu’ils engendrent sont évidemment néfastes pour la longévité des pièces, pour la transmission des mouvements et pour le confort des passagers. Elles obligent également à monter le moteur sur des blocs anti-vibrants qui dissipent de l’énergie, donc créent indirectement de la pollution, en plus d’occuper un volume perdu pour des fonctions « plus nobles ».

Fig 5.                                                                       fig. 6.

En ce qui concerne les moteurs à architecture pistons-bielles-vilebrequin (les plus répandus), les vibrations ont 2 origines : le mouvement de va-et-vient des pistons et le mouvement de balancier des bielles. Même si sur certains types de moteurs, des symétries équilibrent partiellement voire totalement les forces d’inertie de ces pièces (par exemple, les moteurs 6 cylindres en ligne, que BMW affectionne tant), on n’atteint généralement jamais un équilibrage complet sans l’ajout d’arbres tournants déséquilibrés (Cf. fig. 6. et 7.). Pour les moteurs Wankel, dont seul Mazda continue avec succès l’industrialisation, le rotor possède un mouvement épicycloïdal qui est également difficile à équilibrer.


-         Défaut n°2 : leur cylindrée n’est pas aisément variable

Le volume engendré par le mouvement des pistons au sens large du terme est généralement fixe. Rendre ce volume variable est quasi impossible sur les moteurs à pistons/cylindres (ceci revient à modifier l’excentricité des paliers de vilebrequin). Sur les moteurs Wankel, ceci est impossible car leur cinématique y est trop contrainte.

On peut toutefois faire varier la cylindrée du moteur en supprimant l’action d’un ou plusieurs cylindres (ou rotors sur un Wankel à rotors multiples) afin de n’utiliser qu’une fraction de la puissance totale du moteur, ce qui est somme toute suffisant à condition d’avoir suffisamment de chambres de combustion : par exemple, des moteurs haut de gamme comportant un grand nombre de cylindres (ou rotors), comme la Cadillac Sixteen, qui, comme son nom l’indique, comporte 16 cylindres en V, peuvent fonctionner en mode 4, 8, 12 ou 16 cylindres (Cf. fig. 8.). Cette technique est également utilisée chez les V12 allemands de certaines Mercedes ou BMW. On peut ainsi théoriquement faire varier la cylindrée par paliers de V/n où V désigne la cylindrée totale et n le nombre de chambres de combustion. Bien évidemment, si n est grand, la cylindrée varie presque continûment. Mais, pour des raisons d’équilibre, les cylindres sont généralement éteints par 4, plus rarement par 2, et aussi régulièrement que possible tout au long du vilebrequin pour limiter sa torsion. De plus, si n est petit, la liberté de réglage est de plus en plus restreinte, le cas limite du monocylindre étant équivalent à éteindre le moteur complet !

Fig. 8. : moteur à cylindrée variable par désactivations de cylindres.

-         Défaut n°3 : le calage variable des soupapes n’est pas indépendant d’un cylindre à l’autre

Le calage variable des soupapes d’admission et d’échappement est extrêmement important pour réduire les émissions de polluants. Il consiste à avancer ou à retarder les ouvertures et les fermetures des soupapes, qu’elles soient d’admission ou d’échappement, et ceci selon des lois mathématiques complexes pilotées électroniquement. Le calage variable consiste parfois, en plus de déphaser les ouvertures et les fermetures, à régler l’amplitude de mouvement des soupapes.

La plupart du temps, le calage variable est réalisé par le déphasage d’un arbre (souvent à cames) par rapport à un autre, ceci concerne donc la totalité des cylindres dont l’arbre déphasé gère l’admission (ou l’échappement). On ne peut plus gérer chaque cylindre indépendamment, ce qui est gênant si l’on veut en désactiver certains (soupapes d’admission et échappement fermées en permanence). Ce n’est pas réellement un problème dans le cas contraire.

Plusieurs technologies réalisant ce déphasage existent : roues à dentures hélicoïdales très inclinées poussées dans un pas de vis de même inclinaison (fig. 9.), pression d’huile déphasant un rotor (Toyota Yaris, système BMW Vanos, fig. 10. et 11.). Elles ont en commun d’avoir des amplitudes de déphasage limitées, relativement fixes (la fréquence des réglages doit être faible devant la vitesse de rotation du moteur), et d’être toutes utilisées sur des moteurs essence, soit haut de gamme, soit destinés à des citadines, les 2 ayant un souci commun de limitation de la consommation.

 

Signalons l’existence de projets de système « camless » - ou, en bon Français, « sans cames » - (fig. 12.) : chez Renault par exemple, chaque soupape serait commandée indépendamment par un actionneur électromagnétique qui réaliserait à volonté de grands déphasages indépendants d’un cylindre à l’autre et une ouverture de soupape variable. Mais ils n’ont pas abouti pour l’instant car ils nécessitent une puissance électrique élevée ; il faudrait passer à « l’architecture 42V » permettant d’abaisser l’ampérage, et donc les pertes Joule électriques, pour que le système soit réellement efficace. Cette architecture, annoncée il y a quelques années comme une nécessité à court-terme (indépendamment du système Camless), se heurte à la résistance des « standards 12V », pour lesquels bon nombre d’accessoires sont conçus. Il ne faut donc pas trop compter sur des systèmes 42V dans les années qui viennent, sauf à moyen-terme.

Fig. 12. : principe du système Camless

 Enfin, un des rares mécanismes de déplacement piloté de soupapes qui soit industrialisé est le BMW Valvetronic (Cf. fig. 13).
 

Fig. 13. : principe de fonctionnement du système de déplacement piloté de soupapes BMW Valvetronic

 

-         Défaut n°4 : leur rapport volumétrique n’est pas aisément variable

 
Le rapport volumétrique (ou taux de compression) est le rapport entre le volume de la chambre de combustion au point mort bas et celui de cette même chambre au point mort haut – les notions de points mort haut et bas, au départ associées aux moteurs à piston-bielle-manivelle, pouvant être généralisées à tout moteur à chambre de combustion déformable –.

 
Le rapport volumétrique est un paramètre très important dans la conception des moteurs puisque leur rendement thermodynamique théorique en dépend directement. Ce rapport doit dans l’idéal être élevé, mais on est limité technologiquement par des phénomènes de fuites de l’air trop fortement comprimé et/ou de cliquetis (ou détonation) dans le cas des moteurs à essence (auto-inflammation incontrôlée du mélange au cours de la combustion). Le cliquetis est un phénomène à proscrire car il détériore à court-terme les parois de la chambre, les pieds de soupapes ainsi que leurs sièges. Les ordres de grandeur de ce rapport volumétrique sont compris :

o       entre 8 et 10 pour les moteurs à allumage commandé (essence)

o       entre 14 et 24 pour les moteurs à allumage spontané (Diesel)

Les rapports volumétriques des moteurs Diesel sont nettement plus élevés que ceux des moteurs essence. Ceci est justifié puisqu’au début du XXème siècle, Rudolf Diesel souhaitait une inflammation spontanée du carburant dès son injection dans le cylindre pour s’affranchir de tout système d’allumage commandé. Ceci nécessitait une forte pression pour que l’air aspiré soit suffisamment chaud afin d’enflammer instantanément un carburant, qui, de surcroît était peu explosif pour des raisons d’économie : il s’agissait d’huiles lourdes et de poussière de charbon ! Le corollaire de cette démarche est la structure bien plus massive de ce type de moteur – pour supporter de fortes températures et pressions – qui a longtemps freiné l’implantation de moteurs aussi lourds sur les automobiles. L’utilisation du gasoil, plus inflammable, et l’amélioration de la résistance des matériaux utilisés résolurent ce problème : dans les années 60, le Diesel fit réellement son apparition pour les automobiles. Depuis les années 1990, la grande maîtrise de l’injection Diesel, à l’aide d’injecteurs et de pompes haute pression dont Bosch est actuellement le leader – après avoir racheté les brevets à Fiat ! – , a permis aux moteurs Diesel de supplanter le moteur à essence pour les automobiles ! C’est une incroyable revanche quand on sait qu’ils ont longtemps été réservés aux engins de chantier, camions et tracteurs et que les jeunes amateurs de GTi (essence) des années 80, qui regardaient d’un air méprisant la berline Diesel de leur père, trouvent maintenant l’agrément de conduite qu’ils recherchent dans les TDi allemands !

Toutefois, les rapports volumétriques connaissent des variations importantes d’un moteur à l’autre, en particulier pour les Diesel fortement suralimentés : on abaisse parfois ce rapport jusqu’à 7 pour limiter la pression maximale dans le cylindre. Il en va de même pour des moteurs essence turbo dans des proportions moins importantes. Les constructeurs sont d’ailleurs plus frileux pour suralimenter des moteurs essence car ceux-ci supportent moins facilement les pressions et températures élevées, alors que les moteurs Diesel sont d’emblée conçus dans cette optique. D’autre part, le phénomène de détonation des moteurs essence complique un peu plus leur suralimentation. Aussi, peu de constructeurs  industrialisent la suralimentation essence (on peut citer les moteurs Audi 1.8T 150 Ch. et Saab 2L Turbo 210 Ch.).

La suralimentation consiste, à l’aide d’une pression de suralimentation, à insuffler dans la chambre de combustion une quantité d’air supérieure à celle qui y pénètrerait sans cette pression, c’est à dire à la pression ambiante à l’extérieur du moteur (environ 1 Bar selon l’altitude). La pression de suralimentation est généralement obtenue à l’aide d’une turbine aspirant l’air extérieur au moteur et le refoulant dans les chambres de combustion au moment où les soupapes d’admission leur correspondant s’ouvrent. La présence de cette turbine a donné la dénomination de « moteurs turbo » aux moteurs suralimentés.

 

fig. 14                                                                       fig. 15

 La puissance mécanique fournie à la turbine est le plus souvent récupérée sur l’énergie cinétique et thermique des gaz d’échappement lorsqu’ils sont refoulés hors de la chambre de combustion. Toutefois, d’autres procédés sont envisageables : certains équipementiers comme Visteon proposent par exemple un compresseur électrique 12V pouvant transformer un moteur atmosphérique en moteur turbo, les gains annoncés en puissance étant de l’ordre de 10% et – 27% en consommation (fig. 14.). Pendant longtemps, les turbos ont été utilisés pour accroître la puissance des moteurs au détriment de leur consommation : l’introduction d’une quantité d’air plus grande permet d’injecter plus de carburant, donc de dégager plus d’énergie pour un même cycle moteur. Mais depuis quelques années, avec des normes anti-pollution de plus en plus strictes, la montée politique des mouvements écologiques et des limitations de vitesse plutôt à la baisse, les turbo ont plus une vocation anti-consommation et c’est d’ailleurs la base de leur fonctionnement puisqu’ils parviennent à récupérer une énergie dans les gaz d’échappement qui serait totalement perdue autrement. Un autre avantage des turbos est l’augmentation franche du couple moteur à bas régime (fig. 15.), ce qui est apprécié pour les « reprises » car ceci évite de rétrograder trop fréquemment et permet d’abaisser la valeur moyenne du régime moteur avec comme corollaire une économie de carburant. De nos jours, certains véhicules sont même équipés d'un double turbo: l'un efficace à faible régime, l'autre à haut régime, ce qui conduit soit à la stratégie du downsizing (moteur Volkswagen TSI : 170 Ch pour 1,4L de cylindrée), soit à la stratégie de l'hyper puissance (moteur BMW V10 destiné à la M5).

Mais nous avons vu que les turbos, en fonction de la pression de suralimentation, imposent un rapport volumétrique variable pour utiliser tout leur potentiel ; c’est une des difficultés d’exploitation des moteurs suralimentés actuels. A la connaissance de SYCOMOREEN, Saab développe  un moteur à rapport volumétrique variable (le SVC) basé sur un basculement des cylindres par rapport à l’axe du vilebrequin via une excentrique. Ce moteur est à mi-chemin entre le prototype et l’industrialisation et nécessite des pièces supplémentaires (bielles, pivots…) probablement coûteuses. De même en France, MCE-5 tente une aventure avec une cinématique différente, mais au même stade que le SVC de Saab. Le plus souvent, les moteurs turbo ont un rapport volumétrique fixé une fois pour toutes, qui est un compromis entre une utilisation non suralimentée du moteur (au ralenti par exemple) et un fonctionnement à pleine puissance (dans le cas d’un dépassement, d’une forte côte…). 

-         Défaut n°5 : le couple instantané sur l’arbre de sortie du moteur est très fluctuant

Ceci est inhérent au cycle 4 temps (admission, compression, explosion/détente, échappement) qu’utilisent la plupart des moteurs actuels. En ce qui concerne les moteurs à cylindres et pistons, chaque cylindre ne présente qu’un seul temps moteur – le 3ème – sur 2 tours de vilebrequin, ce qui est très peu si l’on souhaite avoir une bonne régularité de fonctionnement pour le moteur. Les moteurs 2 cylindres parviennent à 1 temps moteur par tour de vilebrequin, et ainsi de suite (n cylindres, n/2 temps moteurs/tr). Pour le moteur Wankel monorotor, la situation est un peu moins mauvaise puisqu’il y a 1 temps moteur/tr, soit pour n rotors, n temps moteurs/tr.

Cependant, seule une faible variation de la valeur du couple moteur autour de la moyenne temporelle du couple permet de tracter efficacement le véhicule car le moteur s’étouffera moins entre 2 temps moteurs. Pour une cylindrée donnée, il vaut donc mieux avoir de nombreuses chambres de combustion si l’on souhaite avoir un couple régulier, qu’une seule et grande chambre de combustion. Le moteur ne consommera pas plus et aura pourtant un pouvoir tracteur supérieur sous l’action d’une forte charge. Par ailleurs, comme on l’a vu lors de l’analyse du défaut n°2, ceci est aussi intéressant sur le plan d’une variation pilotée de cylindrée.

On peut ici évoquer les moteurs 2 temps, utilisés sur les mobylettes, certains motoculteurs ou tondeuses. Une fraction de la course du piston y est utilisée pour les transferts d’air frais avec l’extérieur et pour le balayage, c’est à dire l’évacuation des gaz brûlés par l’air frais. Ces moteurs présentent 1 temps moteur par tour – analogue au Wankel monorotor de ce point de vue –, ce qui est avantageux par rapport aux moteurs 4 temps. Ils présentent toutefois 2 inconvénients majeurs :

o       Le balayage n’est jamais parfait ; des gaz brûlés restent dans une proportion imprécise dans le cylindre, ce qui gêne l’admission d’air frais.

o       La quantité de chaleur à évacuer par le circuit de refroidissement est pratiquement doublée par rapport au même moteur qui fonctionnerait avec 4 temps.

Pour ces 2 raisons, il est utopique de penser qu’un moteur 2 temps double la puissance du même moteur 4 temps. Un gain de 50% n’est déjà pas si mal. Les moteurs 2 temps concernent principalement 2 applications paradoxalement opposées :

o       Les moteurs de faible cylindrée à allumage commandé, à vitesse de rotation élevée avec peu de cylindres (monocylindre le plus souvent), ce qui permet un refroidissement efficace du moteur par air et/ou eau. Les moteurs à ailettes de refroidissement de mobylettes ou de karts en sont des exemples typiques

o       Les Diesel lourds à vitesse de rotation lente (environ 200 à 800 tr/min)  et de forte puissance (dizaines de milliers de Ch, dizaines de cylindres) équipés de systèmes sophistiqués de refroidissement  (à eau et à huile, bloc moteur et soupapes…). Ils sont généralement utilisés sur les navires, couplés à une dynamo pour générer de l’électricité, ou bien directement à l’hélice du bateau.

On remarquera que pour ces 2 applications, la réduction de la pollution n’est pas un souci majeur. Dans un contexte de limitation de la pollution, on ne peut pas utiliser ce type de moteurs car on ne connaît pas suffisamment le mélange air frais/gaz brûlés pour injecter la quantité de carburant nécessaire. En général, on se contente d’injecter trop de carburant afin d’être sûr de bien consommer tout le dioxygène présent dans la chambre, ce qui est évidemment très polluant (génération d’hydrocarbures imbrûlés) en plus de ne pas être économique.

 -         Défaut n°6 : Les graves carences de la cinématique piston/bielle/manivelle

Problème n°1 : 2 tours de vilebrequin pour un seul temps moteur par cylindre !

La cinématique piston/bielle/vilebrequin a le très grand défaut de nécessiter 2 tours d'arbre moteur pour réaliser le cycle 4 temps pour chaque piston. Alors qu'une cinématique permettant le même cycle sur 360° voire 180° d'abre moteur multiplierait la puissance volumique du moteur respectivement par 2 et par 4. On peut citer à ce sujet le moteur Wankel connu pour sa compacité, obtenue grâce 1 temps moteur par tour d'arbre moteur .

Problème n°2 : le passage trop prolongé du piston aux points morts haut et bas (PMH et PMB)

        La cinématique piston/bielle/vilebrequin engendre un passage très prolongé du piston au PMH car sa position est sensiblement une sinusoïde de l'angle vilebrequin, de         période 720°. Cette sinusoïde présente des extrema trop doux, ce qui est particulièrement pénalisant au PMH car:
* le piston y subit des contraintes thermomécaniques maximales et inutilement trop longues: ceci ruine d'ailleurs les espoirs de moteurs HCCI car les pistons ne résistent pas aux conditions prolongées issues de l'autodéflagration.
* les gaz hautement comprimés et débutant leur combustion sont extrêmement chauds, ce qui induit des fuites de fluide et des pertes thermiques vers la culasse majorées par la longue durée de "stationnement" du piston au PMH, alors que cette énergie thermique est en principe destinée à pousser le piston.
* les hautes énergies et pressions du PMH favorisent chimiquement la création d'oxydes d'azote NOx, particulièrement polluants en ville car ils sont agressifs pour le système respiratoire et induisent avec le rayonnement solaire la création d'ozone, lui aussi très dangereux pour la santé lorsqu'il se situe au sol.

Par ailleurs, ce passage très lent au PMH, tout comme celui du PMB, fait que pendant des dizaines de degré d'angle de vilebrequin, rien ne se passe, alors que:

* l'admission mérite d'être longue car c'est sur cette phase que se joue le bon remplissage en air frais du cylindre, et donc la puissance du moteur.

   * la compression doit commencer significativement dès que le PMB est atteint pour que le gaz réagisse à la remontée du piston pour que le gaz monte bien en température avant l'injection de carburant.

   * l'explosion/détente mérite d'être longue car les réactions chimiques de combustion ne sont pas instantanées, et la pression générée doit avoir le temps de bien s'appliquer sur les pièces mobiles, car c'est sur cette phase que se joue toute la conversion thermomécanique du moteur

    * l'échappement doit commencer significativement dès que le PMB est atteint: bien que ce soit la phase la moins noble du cycle; il faut nettoyer au plus vite la chambre de combustion pour l'admission d'air frais sans perdre d'énergie par laminage du fluide dans les échappements.



 -         Défaut n°7 : leur compacité est trop faible

 Il faut tout d’abord proposer une définition mathématique de ce terme à partir d’un rapport entre 2 volumes. Nous choisissons :

 o       Le volume Vmot du moteur  comprenant

§         Tout le bloc-moteur

§         Les volumes à allouer pour permettre le mouvement de toutes les pièces mobiles : piston, bielle, vilebrequin, soupapes, arbres tournants…

§         Nous excluons des volumes spécifiques comme ceux destinés à l’implantation d’un alternateur, de pompes diverses…

 

o       Le volume Vasp engendré par les chambres de combustion uniquement lors des admissions, et ce sur 2 tours vilebrequin, et plus généralement, 2 tours du PREMIER arbre tournant mis en rotation par les pièces mobiles du moteur (excluant l'artifice d'un engrenage démultiplicateur)

§         Cette référence de 2 tours est nécessaire pour utiliser directement la cylindrée des moteurs à cylindres à 4 temps.

§         Ce volume correspond au volume d’air frais aspiré sur 2 tours par un moteur 4 temps non suralimenté (dans les conditions de température et de pression extérieures), en supposant que le remplissage des chambres se déroule idéalement.

 
 A partir de ces 2 volumes, nous définissons la compacité comme le rapport C tel que:

 

Que ce soit les moteurs Wankel ou les traditionnels moteurs à cylindres, leur conception fait que cette compacité est un nombre largement inférieur à 1 (<0.1). Or a priori, rien n’interdit sur 2 tours une compacité bien supérieure ! En appelant P la puissance maximale de tels moteurs, ils auraient alors une puissance volumique, définie par P/Vmot très importante, ce qui en ferait des candidats idéaux pour une architecture hybride !

Plus généralement, tout gaiu de puissance à volume égal est bénéfique dans toutes les applications motorisées (véhicules, motocyclettes, tondeuses, tronçonneuses, avions, camions...).


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