Moteur. Différences entre les cycles d'Otto et d'Atkinson
Depuis quelque temps, le terme "moteur à cycle économique Atkinson" est devenu de plus en plus courant. Qu'est-ce que ce cycle et pourquoi réduit-il la consommation de carburant ?
Les moteurs à essence à quatre temps les plus courants fonctionnent aujourd'hui sur le cycle dit d'Otto, développé à la fin du XIXe siècle par l'inventeur allemand Nikolaus Otto, concepteur de l'un des premiers moteurs à combustion interne à piston à succès. L'essence de ce cycle consiste en quatre temps exécutés en deux tours de vilebrequin : le temps d'admission, le temps de compression, le temps de travail et le temps d'échappement.
Au début de la course d'admission, la soupape d'admission s'ouvre, à travers laquelle le mélange air-carburant est aspiré depuis le collecteur d'admission en rétractant le piston. Avant le début de la course de compression, la soupape d'admission se ferme et le piston revenant vers la tête comprime le mélange. Lorsque le piston atteint sa position maximale, le mélange est enflammé par une étincelle électrique. Les gaz d'échappement chauds qui en résultent se dilatent et poussent le piston, lui transférant son énergie, et lorsque le piston est aussi éloigné que possible de la tête, la soupape d'échappement s'ouvre. La course d'échappement commence avec le piston de retour poussant les gaz d'échappement hors du cylindre et dans le collecteur d'échappement.
Malheureusement, toute l'énergie des gaz d'échappement n'est pas utilisée pendant la course motrice pour pousser le piston (et, à travers la bielle, pour faire tourner le vilebrequin). Ils sont encore sous haute pression lorsque la soupape d'expiration s'ouvre au début de la course d'expiration. Nous pouvons en apprendre davantage lorsque nous entendons le bruit fait par une voiture avec un silencieux cassé - il est causé par la libération d'énergie dans l'air. C'est pourquoi les moteurs à essence traditionnels ne sont efficaces qu'à environ 35 %. S'il était possible d'augmenter la course du piston dans la course de travail et d'utiliser cette énergie...
Cette idée est venue à l'inventeur anglais James Atkinson. En 1882, il conçoit un moteur dans lequel, grâce à un système complexe de poussoirs reliant les pistons au vilebrequin, la course motrice est plus longue que la course de compression. En conséquence, au début de la course d'échappement, la pression des gaz d'échappement était presque égale à la pression atmosphérique et leur énergie était pleinement utilisée.
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Alors pourquoi l'idée d'Atkinson n'a-t-elle pas été utilisée plus largement, et pourquoi les moteurs à combustion interne utilisent-ils le cycle Otto moins efficace depuis plus d'un siècle ? Il y a deux raisons: l'une est la complexité du moteur Atkinson et l'autre - et plus important encore - la moindre puissance qu'il reçoit d'une unité de déplacement.
Cependant, comme de plus en plus d'attention a été portée à la consommation de carburant et à l'impact de la motorisation sur l'environnement, le haut rendement du moteur Atkinson a été rappelé, en particulier à des vitesses moyennes. Son concept s'est avéré être une excellente solution, notamment dans les véhicules hybrides, où le moteur électrique compense le manque de puissance, particulièrement nécessaire au démarrage et à l'accélération.
C'est pourquoi le moteur à cycle Atkinson modifié a été utilisé dans la première voiture hybride produite en série, la Toyota Prius, puis dans tous les autres hybrides Toyota et Lexus.
Qu'est-ce qu'un cycle d'Atkinson modifié ? Cette solution astucieuse a permis au moteur Toyota de conserver la conception classique et simple des moteurs à quatre temps conventionnels, et le piston parcourt la même distance à chaque coup, la course effective étant plus longue que la course de compression.
En fait, il faudrait dire autrement : le cycle de compression effectif est plus court que le cycle de travail. Ceci est réalisé en retardant la fermeture de la soupape d'admission, qui se ferme peu de temps après le début de la course de compression. Ainsi, une partie du mélange air-carburant est renvoyée vers le collecteur d'admission. Cela a deux conséquences : la quantité de gaz d'échappement produite lors de la combustion est plus petite et peut se dilater complètement avant le début de la course d'échappement, transférant toute l'énergie au piston, et moins d'énergie est nécessaire pour comprimer moins de mélange, ce qui réduit les pertes internes du moteur. En utilisant cette solution et d'autres, le moteur du groupe motopropulseur de la Toyota Prius de quatrième génération a pu atteindre une efficacité thermique pouvant atteindre 41 %, auparavant uniquement disponible sur les moteurs diesel.
La beauté de la solution est que le retard de fermeture des soupapes d'admission ne nécessite pas de modifications structurelles majeures - il suffit d'utiliser un mécanisme à commande électronique pour modifier le calage des soupapes.
Et si oui, est-ce possible et vice versa ? Oui bien sur; naturellement! Des moteurs à cycle de service variable sont produits depuis un certain temps. Lorsque la demande de puissance est faible, comme lors de la conduite sur des routes peu fréquentées, le moteur fonctionne selon le cycle Atkinson pour une faible consommation de carburant. Et lorsque les meilleures performances sont requises - des phares ou des dépassements - il passe au cycle Otto, en utilisant toute la dynamique disponible. Ce moteur 1,2 litre turbo à injection directe équipe par exemple la Toyota Auris et le nouveau SUV citadin Toyota C-HR. Le même moteur de deux litres est utilisé sur les Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t et RC 200t.
