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L'automobile
Article de fond   01-06-2002   by Olivier Darmon

Nouvelles Technologies: Vers 1 litre aux 100 km

Quatrième d'une série d'articles sur l'avenir de la technologie automobile, cet extrait de « OUI aux voitures propres » (Hoëbeke, éditeur) est reproduit avec la permission de Michelin Amérique du Nord (Canada) inc.


LE MOTEUR THERMIQUE PROPRE

Plusieurs innovations ont permis d’amliorer la qualit de la combustion, le rendement du moteur et les missions de particules.

L’injection directe

Ce procd supprime le carburateur des moteurs essence et la prchambre des moteurs diesel. Pulvris de manire trs prcise dans la chambre de combustion, le carburant s’y mlange donc directement avec l’air, une solution qui permet de fonctionner en mlange air-carburant dit pauvre , c’est–dire ncessitant une plus faible quantit de carburant. La consommation est donc moindre et le taux des hydrocarbures imbrls diminue. En revanche, le processus de l’injection directe provoque aussi une hausse des missions des oxydes d’azote (NOx), notamment parce que la temprature s’lve fortement au moment de la combustion et provoque une raction entre l’oxygne et l’azote de l’air.

Le principe de l’injection de carburant dans les moteurs explosion apparat en Allemagne au milieu des annes 1930. En collaboration avec Bosch, Mercedes met alors au point un systme d’injection directe pour ses moteurs d’avion. En effet, la constance de l’alimentation assure par l’injection favorise le bon fonctionnement du moteur dans des cas particuliers comme les mouvements acrobatiques spcifiques l’aviation. Peu peu, le systme d’injection est adapt sur les voitures de comptition puis commence quiper les automobiles de srie. La premire en bnficier sera la Mercedes 300 SL de 1954. la fin des annes 1960, la plupart des constructeurs ont adopt cette technique. Bien entendu, il ne s’agit encore que de procds mcaniques que le dveloppement de l’lectronique va progressivement supplanter.

L’lectronique d’aujourd’hui a rvolutionn l’injection. Ainsi, applique au Diesel, celle-ci n’est plus commande par la rotation d’une pompe, mais par une unit de contrle lectronique pilotant des injecteurs lectromagntiques. Plus leve, la pression d’injection, qui peut atteindre les 1 350 bars, autorise un meilleur mlange air-carburant. Le principe du common rail ( rampe commune ) d’injection lectronique permet de doser la pression indpendamment de la vitesse de rotation et de la charge du moteur. Une pression spcifique est envoye chaque cylindre en fonction de ses conditions de fonctionnement, d’aprs les paramtres transmis par le dispositif de contrle lectronique. La pulvrisation est ainsi optimale avec, la cl, une consommation et des missions en baisse, des performances en hausse et un moteur plus silencieux. Les premiers commercialiser cette technique furent Fiat et Bosch. Par ailleurs, d’autres constructeurs proposent une technique d’injecteur pompe qui, elle, lve la pression d’injection 2 000 bars. Le groupe Volkswagen est le spcialiste de cette technologie.

Par nature plus sobre que le moteur essence — de 20 % 25 % — le moteur Diesel accrot donc encore son avantage avec ce nouveau type d’injection. Le gain en consommation par rapport au moteur essence est d’environ 35 %, corrl une rduction quivalente de CO2 et des missions moindres des principaux polluants. Par rapport aux moteurs Diesel des gnrations prcdentes, l’injection haute pression diminue de 60 % les missions de particules la source et consomme 20 % de moins. Autrement dit, l’image du moteur diesel peu respectueux de l’environnement est totalement obsolte.

Introduit en 1998 par PSA Peugeot Citron, le moteur Diesel haute pression d’injection par common rail baptis Hdi (High Pressure Direct Injection) fait partie de cette nouvelle gnration de Diesel propre pour le dveloppement duquel le constructeur franais s’est associ Ford en septembre 1998. En avril 2001, le premier rsultat de cette collaboration fut le lancement d’un moteur 1,4 litre aux performances comprises entre 3,4 litres (90 grammes de CO2 par kilomtre) et 4,1 litres aux 100 km (110 grammes de CO2 par kilomtre) pour les petites voitures et 4,5 litres aux 100 km (120 grammes de CO2 par kilomtre) pour les vhicules de taille moyenne … soit des rsultats allant, ds aujourd’hui, au-del des objectifs de l’Union europenne l’horizon 2008 (140 grammes de CO2 par kilomtre). titre de comparaison, la moyenne des missions de CO2 du parc europen de voitures neuves vendues en 2000 tait de 169 grammes par kilomtre.

Le moteur camless

Sa commercialisation est prvue plus long terme, mais cette innovation est trs prometteuse. Elle envisage la suppression des arbres cames dont la fonction — actionner les soupapes — serait tenue par des actuateurs composs d’lectro-aimants et de deux ressorts de rappel. L’avantage de cette solution repose sur la rduction de pices en mouvement, laquelle se traduit par un meilleur rendement de l’ensemble mcanique et en consquence par une diminution de la consommation. Elle permet, de plus, un gain non ngligeable sur l’encombrement du moteur.

LE TRAITEMENT DES MISSIONS

Les pots catalytiques et les filtres particules, associs une meilleure combustion et une gestion lectronique des moteurs prsentent galement l’avantage de rduire trs sensiblement les missions de polluants.

Le pot catalytique

Laboratoire technique et lgislatif aux tats-Unis en matire de respect de l’environnement, la Californie fut, en 1975, le premier tat de la fdration adopter le pot catalytique, devenu depuis un quipement standard de tous les vhicules amricains. En Europe, il quipe les vhicules essence depuis 1993 et Diesel depuis 1997. Le pot catalytique agit comme une sorte de machine traiter les gaz et rduit fortement les missions polluantes. Il transforme les monoxydes de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrls (HC) en vapeur d’eau et en gaz carbonique, et les oxydes d’azote en azote.

Si sa gnralisation marque incontestablement une tape importante dans la lutte en faveur de la qualit de l’air, d’autres technologies font aujourd’hui leur apparition pour aller plus loin encore, telle la catalyse des Nox.

La catalyse des Nox

Les nouveaux moteurs injection directe consomment moins de carburant, mais gnrent davantage de Nox. Afin de remdier ce problme, les constructeurs travaillent sur des piges Nox. Le procd consiste stocker les Nox dans un filtre durant le fonctionnement en mlange pauvre, puis, en un temps imperceptible par le conducteur, fonctionner en un mlange riche afin que l’excdent de carburant ragisse chimiquement avec les Nox ainsi transforms en gaz non polluants avant d’tre rejets. Cette analyse dite active est le rsultat d’une postinjection de carburant dans le cylindre quelques millisecondes aprs l’injection principale. La centaine de microgrammes d’hydrocarbures ainsi injects produit une raction chimique avec les Nox plus complte, et donc des missions toxiques limites. L’efficacit du systme est conditionne par la qualit du carburant, dont la teneur en soufre doit tre minime.

Le filtre particules

Il concerne les vhicules Diesel et fonctionne en liaison directe avec le systme lectronique grant l’alimentation du moteur. L’opration de filtrage est effectue par un filtre en carbure de silicium qui se rgnre haute temprature. L’obstacle technique majeur pour dvelopper le filtre particules est celui de sa gnration. En effet, l’limination des particules par combustion ne peut s’effectuer qu’ une temprature de l’ordre de 500C… Or, en mode urbain, la temprature des gaz d’chappement d’un moteur diesel n’excde par 200C. Dans le processus de filtrage des particules, l’usage d’un additif, la crine, permet l’abaissement de la temprature de combustion 450C, et c’est alors qu’intervient la gestion lectronique des nouveaux moteurs diesel, dont le Hdi : elle dclenche une postinjection en phase de dtente, causant ainsi une postcombustion. Celle-ci se traduit par une hausse de temprature des gaz d’chappement 450C, ce qui provoque la rgnration du filtre. La postinjection entrane nanmoins une production supplmentaire d’hydrocarbures imbrls (HC). Ils sont traits par une postcombustion complmentaire sur le catalyseur d’oxydation plac en amont du filtre particules.

En rduisant les particules la limite du mesurable, cette technologie reprsente elle aussi une avance en matire de voitures propres. Peugeot fut le premier, avec la 607, promouvoir cette innovation, qui sera adopte par plusieurs constructeurs ds 2002.

1 LITRE AUX 100 KM ?

Affichant 2,99 litres aux 100 km, soit une mission de CO2 de 90 grammes par kilomtre, la Volkswagen Lupo 1,2 TD1, communment appele 3L, dtient le record du monde de faible consommation pour une voiture de srie, et traduit la capacit technologique des constructeurs rduire drastiquement la consommation de carburant. Par rapport une motorisation essence traditionnelle de 1600 cm3, ses rejets d’hydrocarbures sont diminus de 75%, la proportion de dioxyde de soufre chute de 40% et celle de monoxyde de carbone de 85%. quip, entre autres, d’un systme stop-and-go, le moteur diesel 1,2 litre de la Lupo 3L se coupe automatiquement l’arrt du vhicule et redmarre sur une simple pression de l’acclrateur. Sa consommation durant l’immobilisation dans les embouteillages ou lors d’un arrt au feu rouge est donc nulle, ce qui reprsente un gain suprieur 5% en circulation urbaine. Y a-t-il un march pour la Lupo 3L, ultraconomique et ultrasophistique, mais encore onreuse ?

Oui, selon Volkswagen, condition que l’achat de tels modles soit accompagn d’incitations fiscales. C’est le cas en Allemagne o l’on comptait 9 300 vhicules vendus entre juillet 1999 et avril 2001, contre 250 en France.

Directement rentable ou non, la mise sur le march d’un tel vhicule rpond une philosophie d’entreprise : La Formule 1 de VW, c’est la future voiture 3 litres , avait dclar en 1995 Ferdinand Piech, le prsident du directoire de Volkswagen. Le challenge technologique est donc tenu et, terme, c’est videmment toute la gamme qui pourra profiter de l’exprience Lupo 3L.

D’ici 2004, une version prototype encore plus lgre de la Lupo devrait voir le jour. En avril 2000, la Commission europenne lanait en effet un programme de 5,2 millions d’euros pour l’tude de la production d’un vhicule consommant 1 litre de Diesel aux 100 km sur la base de la Lupo. Financ parts gales par la Commission et les partenaires du projet, il s’agit d’un effort conjoint de l’industrie automobile europenne, des laboratoires de recherche et des producteurs de matriaux pour rduire la dpendance de l’Europe l’gard du ptrole ainsi que ses missions de CO2. Faisant massivement appel aux fibres de carbone, la Lupo, allge d’environ 40%, affichera une forte rduction de la consommation de carburant et des missions de CO2.

L’une des incertitudes pesant sur les nouveaux matriaux est leur prix, puisque ce sont les cots de revient qui seront dterminants pour le succs ou l’chec du futur produit. Ce projet fait partie des recherches sur les alliages ultralgers mises en uvre dans le cadre du programme Croissance comptitive et durable (l’un des quatre thmes du cinquime programme-cadre de recherche et dveloppement de l’Union europenne) au titre de l’action cl Technologies des transports terrestres et technologies marines . Il s’intgre dans la stratgie globale de la Commission europenne pour dvelopper des automobiles, autocars et camions qui soient durables et moins polluants pour l’atmosphre. Un autre domaine de recherche soutient le dveloppement de moteurs de petites cylindres. Des conomies de carburant de l’ordre de 30% sont attendues de ces nouvelles motorisations, particulirement des moteurs essence et diesel de taille rduite ainsi que de nouveaux modes de combustion.