L'incroyable moteur de rétrécissement

L'article suivant paraît dans le numéro de mars/avril 2007 de Revue de la technologie.

Au Sloan Automotive Laboratory du MIT, Daniel Cohn (photo ci-dessus) se tient derrière un moteur équipé d'instruments de test (en jaune) et d'un système d'injection qui pulvérise du carburant directement dans les chambres de combustion du moteur.

Pour Daniel Cohn, chercheur principal au Plasma Science and Fusion Center du MIT, le moteur à combustion interne centenaire est toujours une source d'inspiration. Alors qu'il passe devant les machines et l'équipement de test du laboratoire automobile du MIT Sloan, son attitude habituellement réservée s'estompe. Un moteur de cette taille, dit-il, soulignant un moteur à essence intermédiaire de 2,4 litres d'apparence ordinaire, serait une fusée avec notre technologie.

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Pour expliquer cette technologie, il montre un turbocompresseur qui pourrait être boulonné au moteur de 2,4 litres ; le moteur, ajoute-t-il, utilise l'injection directe de carburant plutôt que l'injection de port actuellement trouvée dans la plupart des voitures. La turbocompression et l'injection directe sont des technologies préexistantes, et aucune n'a l'air particulièrement impressionnante. En effet, utilisés séparément, ils n'apporteraient que des améliorations marginales des performances d'un moteur à combustion interne. Mais en les combinant et en les augmentant avec une nouvelle façon d'utiliser une petite quantité d'éthanol, Cohn et ses collègues ont créé une conception qui, selon eux, pourrait tripler la puissance d'un moteur d'essai, une avancée qui pourrait permettre aux constructeurs automobiles de convertir de petits moteurs conçu pour les voitures économiques dans des moteurs musclés avec une puissance plus que suffisante pour les SUV ou les voitures de sport. En extrayant de meilleures performances de moteurs plus petits et plus efficaces, la technologie pourrait conduire à des véhicules dont l'économie de carburant rivalise avec celle des hybrides, qui utilisent à la fois un moteur électrique et un moteur à essence. Et cette efficacité énergétique pourrait venir à une fraction du coût.

Cohn dit que ses collègues – Leslie Bromberg, chercheur principal au Plasma Science and Fusion Center, et John Heywood, professeur de génie mécanique et directeur du Sloan Auto Lab – ont envisagé de nombreuses façons de rendre les moteurs à combustion interne plus efficaces. Et puis, après de nombreuses discussions, cela nous a en quelque sorte frappé un jour, se souvient Cohn. La clé du système des chercheurs du MIT, explique-t-il, était de surmonter un problème appelé cliquetis, qui a considérablement limité les efforts pour augmenter le couple et la puissance du moteur.

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Dans les moteurs à gaz, un piston se déplace dans un cylindre, comprimant un mélange d'air et de carburant qui est ensuite enflammé par une étincelle. L'explosion force à nouveau le piston. Une façon d'obtenir plus de puissance d'un moteur est de concevoir le piston pour qu'il se déplace plus loin à chaque coup. Plus il voyage loin, plus il comprime le mélange air-carburant et plus il récupère l'énergie mécanique de l'explosion au fur et à mesure qu'il recule. Dans l'ensemble, une compression plus élevée conduira à un moteur plus efficace et à plus de puissance par course. Mais une trop forte augmentation de la pression provoque un échauffement et une explosion du carburant indépendamment de l'étincelle, ce qui conduit à un allumage mal programmé. C'est un coup et cela peut endommager le moteur.

Pour éviter le cliquetis, les concepteurs de moteurs doivent limiter la mesure dans laquelle le piston comprime le carburant et l'air dans le cylindre. Ils doivent également limiter l'utilisation de la turbocompression, dans laquelle une turbine entraînée par échappement comprime l'air avant qu'il n'entre dans la chambre de combustion, augmentant la quantité d'oxygène dans la chambre afin que plus de carburant puisse être brûlé par course. Allumer le turbocompresseur d'une voiture fournira un coup de pouce supplémentaire lorsque la voiture accélère ou monte des collines. Mais trop de suralimentation, comme trop de compression, entraîne des cognements.

Une autre façon d'éviter les cognements consiste à utiliser un carburant autre que l'essence ; bien que l'essence contienne une grande quantité d'énergie dans un petit volume, d'autres carburants, tels que l'éthanol, résistent bien mieux aux chocs. Mais un véhicule utilisant de l'éthanol obtient moins de miles par gallon qu'un véhicule utilisant de l'essence, car son carburant a une densité énergétique plus faible. Cohn et ses collègues disent avoir trouvé un moyen d'utiliser les deux carburants en tirant parti des forces de chacun tout en évitant ses faiblesses.

Les chercheurs du MIT se sont concentrés sur une propriété clé de l'éthanol : lorsqu'il se vaporise, il a un effet rafraîchissant prononcé, un peu comme l'alcool à friction s'évaporant de la peau. L'augmentation de la suralimentation et de la compression des cylindres augmente la température dans le cylindre, c'est pourquoi elles provoquent des cognements. Mais Cohn et ses collègues ont découvert que si l'éthanol est introduit dans la chambre de combustion au bon moment grâce à la technologie relativement nouvelle de l'injection directe, il maintient la température basse, empêchant la combustion spontanée. Des approches similaires, dont certaines utilisaient de l'eau pour refroidir le cylindre, avaient été essayées auparavant. Mais la combinaison de l'injection directe et de l'éthanol, dit Cohn, a eu des résultats beaucoup plus spectaculaires.

Les chercheurs ont conçu un système dans lequel l'essence serait injectée dans la chambre de combustion par des moyens conventionnels. L'éthanol serait stocké dans son propre réservoir ou compartiment et serait introduit par un système d'injection directe séparé. L'éthanol ne devrait être renouvelé qu'une fois tous les quelques mois, à peu près aussi souvent que l'huile est changée. Un véhicule utilisant cette approche fonctionnerait environ 25 % plus efficacement qu'un véhicule doté d'un moteur conventionnel.

Un turbocompresseur et un système d'injection directe augmenteraient le coût d'un moteur, tout comme le renforcement de ses parois pour permettre un niveau de turbocompression plus élevé. Les coûts d'équipement supplémentaires, cependant, seraient partiellement compensés par la réduction des dépenses de fabrication d'un moteur plus petit. Au total, un moteur équipé de la nouvelle technologie coûterait environ 1 000 $ à 1 500 $ de plus qu'un moteur conventionnel. Les systèmes hybrides, qui sont coûteux car ils nécessitent à la fois un moteur à combustion interne et un moteur électrique alimenté par des batteries, ajoutent 3 000 $ à 5 000 $ au coût d'un véhicule de petite à moyenne taille, et encore plus au coût d'un véhicule plus gros.

Lorsque le groupe MIT a conçu son idée pour la première fois, Bromberg a créé un modèle informatique détaillé pour estimer l'effet de l'utilisation de l'éthanol pour permettre plus de turbocompression et de compression des cylindres. Le modèle a montré que la technique pouvait augmenter considérablement le couple et la puissance du moteur sans cognement. Des tests ultérieurs par Ford ont montré des résultats cohérents avec les prédictions du modèle informatique du MIT. Et comme le nouveau système nécessiterait des modifications relativement mineures des technologies existantes, il pourrait être prêt bientôt. Ethanol Boosting Systems, une entreprise que les chercheurs ont créée à Cambridge, MA, travaille à la commercialisation de la technologie. Cohn dit qu'avec un programme de développement agressif, la conception pourrait être dans les véhicules de production dès 2011.

Alors que Cohn applaudit les avantages des hybrides et dit que sa technologie pourrait également être utilisée pour les améliorer, il note que la popularité de la technologie hybride est toujours limitée par son coût. Une technologie moins chère sera adoptée plus rapidement, suggère-t-il, et réduira ainsi la consommation d'essence plus rapidement. C'est beaucoup plus utile, dit-il, d'avoir un moteur que beaucoup de gens achèteront.

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