Pourquoi pas un SUV de 40 MPG ?

Pour avoir une idée des progrès de l'industrie automobile en matière d'efficacité énergétique, ne cherchez pas plus loin que le Chevy Blazer 2002. Le modèle avec transmission automatique, six cylindres et quatre roues motrices obtient 18 miles par gallon (mpg), deux miles de moins qu'un Blazer équipé de manière comparable en 1985. En effet, au cours de ces 17 années, l'économie de carburant moyenne de l'ensemble de la flotte de Les voitures et camions légers américains sont passés de 26 mpg à 24 mpg en partie à cause de la proportion croissante de véhicules utilitaires sport (VUS) énergivores. Pourtant, en mars, lorsque les lobbyistes de l'industrie automobile ont affirmé qu'il serait trop difficile de construire des voitures plus économes en carburant, le Sénat américain a de nouveau annulé une législation qui élèverait les normes d'économie de carburant moyenne des entreprises du pays. C'était une danse familière ; Le Congrès n'a pas relevé les normes une seule fois au cours de ces mêmes 17 années.

Ce n'est pas que les technologies automobiles ne se sont pas améliorées ; c'est que les améliorations ont été orientées vers la fourniture de puissance, pas d'efficacité. Depuis 1981, l'industrie automobile a augmenté sa puissance de 84 %, permettant aux véhicules d'accélérer plus rapidement même s'ils sont devenus plus lourds, selon l'Agence américaine de protection de l'environnement. C'est ce que veulent les consommateurs, déclare Fritz Indra, directeur exécutif de l'ingénierie de pointe pour la division Powertrain de General Motors. Chaque année, les Américains veulent un peu plus d'espace à l'intérieur, un peu plus de puissance.

Mais est-il vraiment trop difficile de construire un SUV à prix raisonnable pouvant atteindre 40 mpg tout en offrant les performances, le confort et les émissions réduites attendus par les consommateurs ? Le fait surprenant est qu'un assortiment de technologies d'efficacité énergétique existe dans l'industrie et les laboratoires universitaires. Ce qui est encore plus surprenant, c'est que bon nombre de ces technologies sont basées sur le moteur à combustion interne conventionnel. Ils ne nécessitent pas de transmissions hybrides électriques-gaz complexes comme celles sous les capots de la Toyota Prius et de la Honda Insight (voir Visualiser ). Ils ne sont pas non plus basés sur quelque chose d'aussi exotique que les piles à combustible. Si l'industrie automobile mettait la puissance de l'entreprise pour mettre ces technologies en production - et c'est un grand si, étant donné l'absence de réglementation américaine et la demande des consommateurs - les technologies d'économie d'essence pourraient commencer à arriver dans les salles d'exposition d'ici cinq ans. En effet, s'il le voulait, Detroit pourrait fabriquer un SUV de 40 mpg d'ici la fin de la décennie.

Les gains proviendraient en grande partie des technologies émergentes telles que des systèmes de contrôle améliorés qui minimisent les pertes d'énergie dans le moteur et la transmission, ainsi que des composants électriques efficaces - des pompes à eau aux soupapes du moteur - qui pourraient remplacer les systèmes mécaniques entraînés par courroie. Les technologies existantes, telles que les transmissions avancées et les systèmes d'injection de carburant, pourraient également jouer un rôle clé si elles étaient adoptées plus largement.

En effet, si toutes les nouvelles voitures et tous les camions légers adoptaient les technologies d'économie d'essence disponibles et émergentes, la consommation moyenne de carburant des voitures américaines passerait à 46 mpg, contre 27 mpg aujourd'hui. Et les SUV pourraient en moyenne 40 mpg, contre 21 mpg aujourd'hui, selon une étude récente préparée en partie par John DeCicco, chercheur principal à Environmental Defence, un groupe environnemental basé à New York. (L'étude a été co-écrite par Feng An, expert en modélisation au Laboratoire national d'Argonne, et Marc H. Ross, physicien et expert en politique automobile à l'Université du Michigan.) Les deux tiers des bénéfices proviendraient de l'amélioration du groupe motopropulseur. , et le reste proviendrait de la réduction du poids et de la réduction de la traînée aérodynamique et de la résistance au roulement. Et même si les prix de détail des véhicules augmenteraient de 1 000 $ à 2 000 $, selon le modèle, les consommateurs économiseraient autant à la pompe à essence d'ici cinq ans. L'industrie ne manque pas de technologie, elle manque de priorité, dit DeCicco.

De telles améliorations de la consommation d'essence auraient un impact énorme sur la dépendance pétrolière des États-Unis et sur l'environnement. Selon l'Union of Concerned Scientists, si la consommation de carburant de la flotte américaine passait à 40 mpg, la nation économiserait deux millions de barils de pétrole par jour, soit 75 % de tout le pétrole que les États-Unis importent du Moyen-Orient. Et cela pourrait signifier une diminution de 30% des gaz à effet de serre, principalement du dioxyde de carbone.

Les constructeurs automobiles, sans débattre de la vérité essentielle de tels chiffres, affirment que des versions fiables et abordables de ces nouveaux composants et contrôles logiciels sont plus difficiles à mettre en œuvre qu'il n'y paraît. Mais les constructeurs, bien que généralement discrets sur les plans de production, ont créé des prototypes avancés de ces technologies et ont même installé les premières unités dans certains véhicules. Étant donné que bon nombre de ces technologies sont facilement disponibles et basées sur le moteur à combustion interne, elles pourraient avoir un impact considérable au cours des prochaines années. Il y a beaucoup de potentiel ici, déclare John Heywood, directeur du Sloan Automotive Laboratory au MIT. C'est notre meilleur espoir de continuer à réduire les émissions et la consommation de carburant de notre flotte de véhicules en constante augmentation.

Démarrages rapides

Une plus grande efficacité énergétique commence par quelques idées apparemment simples, par exemple, arrêter le moteur pour éliminer la marche au ralenti inutile lorsque la voiture ne bouge pas. Mais pour qu'un moteur s'arrête à chaque feu rouge, le véhicule aurait besoin d'un dispositif haute puissance capable de redémarrer le moteur immédiatement, bien plus rapidement qu'un démarreur traditionnel, lorsque le conducteur tape le gaz. Cela semble simple. Mais les premières versions étaient généralement trop lentes ou trop bruyantes pour satisfaire les conducteurs.

C'est en train de changer. Plusieurs fournisseurs automobiles ont construit des prototypes de démarreurs-générateurs intégrés, qui remplacent à la fois le démarreur et l'alternateur, qui sont suffisamment rapides pour lancer le moteur en moins d'une demi-seconde (voir La fin de la marche au ralenti, ci-dessous) . Le gros problème est la réduction des coûts, explique Thomas Keim, un ingénieur électricien du MIT qui dirige un consortium MIT-industrie sur l'électronique automobile de pointe.

Illustration par John MacNeil

La plupart des conceptions utilisent des moteurs à induction, qui doivent être contrôlés par une électronique coûteuse qui peut rapidement basculer entre le double rôle du démarreur-générateur de démarrer le moteur et d'agir en tant qu'alternateur pour produire de l'électricité. Mais le consortium MIT a développé un générateur-démarreur avec une version plus simple de l'électronique, ce qui pourrait réduire le coût de 20 %. Dans le monde de l'automobile, une technologie qui est 20 % moins chère a tendance à exclure le choix le plus cher du marché, explique Keim. Ford a construit un prototype de la conception du consortium et a terminé les premiers tests. Mais il y a un autre obstacle : la difficulté de générer suffisamment d'énergie pour faire vrombir de tels appareils. Un démarrage rapide demande beaucoup de puissance. Comme la plupart des autres démarreurs-générateurs expérimentaux, le dispositif MIT, construit en prévision d'un avenir où les voitures utiliseront une norme de tension plus élevée, fonctionne à 42 volts. Le problème, c'est que pratiquement toutes les voitures d'aujourd'hui utilisent encore un système de 12 volts. (Les exceptions incluent les hybrides essence-électricité et une berline Toyota de luxe de 42 volts vendue uniquement au Japon.) L'attache d'un démarreur-générateur à un système de 12 volts est théoriquement possible, mais le démarreur-générateur n'est qu'un des nombreux composants électriques automobiles sur les planches à dessin de l'industrie. Ensemble, ils dépassent les limites du système. Certains experts de l'industrie affirment que le changement de tension prendra des années : le remplacement d'un système électrique complet - qui dans une nouvelle voiture coûte généralement autant que le moteur et la transmission combinés - est une tâche coûteuse et complexe. Mais même sans remplacement complet, une approche palliative pourrait fournir une élévation de tension. Les fabricants élaborent des moyens d'installer des systèmes de 42 volts à côté des systèmes de 12 volts existants. Le système de faible puissance existant resterait en place, continuant à fournir de l'électricité aux équipements légers familiers tels que les lumières, les radios, les sièges électriques et les moteurs de vitres. Le nouveau système haute puissance ne desservirait que les équipements lourds tels que les démarreurs-générateurs et les compresseurs électriques. Le double système augmenterait évidemment les coûts, explique Xingyi Xu, ingénieur au Ford Research Laboratory à Dearborn, MI. Les constructeurs automobiles auraient besoin de voir des gains considérables en termes d'économie de carburant et de confort pour les consommateurs, dit-il, donc à l'heure actuelle, il est difficile de justifier cette justification. Même s'ils étaient justifiables, de tels systèmes prendraient au moins cinq ans pour arriver sur le marché, dit Xu. Mais parce qu'ils peuvent fournir la puissance nécessaire pour transformer la voiture moyenne d'une machine mécanique en une machine électromécanique plus efficace, les systèmes 42 volts représentent une technologie habilitante.

Logiciel Souped Up

De nouveaux équipements tels que de puissants démarreurs-générateurs augmenteraient le rendement énergétique. Pourtant, un véhicule pourrait réaliser des gains encore plus importants si l'ensemble du groupe motopropulseur était contrôlé électroniquement.

Chaque composant pourrait être ajusté en continu pour consommer le moins d'énergie nécessaire à mesure que les conditions de conduite changent et, tout aussi important, pourrait être contrôlé de manière intégrée pour des économies à l'échelle du système. L'efficacité énergétique serait encore plus élevée que la somme des composants, déclare Frank Lohrenz, ingénieur électricien chez Siemens VDO Automotive à Ratisbonne, en Allemagne.

Les économies pourraient être importantes. Les systèmes de contrôle logiciel intégrés pourraient fournir une augmentation de 10 pour cent de l'efficacité énergétique (voir The Networked Car , TR septembre 2002) . Le logiciel de Siemens, par exemple, optimise la livraison du couple, la force de rotation du groupe motopropulseur. Pour ce faire, le système enregistre électroniquement la distance et la vitesse à laquelle le conducteur appuie sur la pédale d'accélérateur. Ensuite, grâce au contrôle électronique de composants mécaniques de base tels que le moteur, la transmission et un futur générateur-démarreur, il délivre le couple demandé. La technologie de Siemens prend en compte 20 paramètres, notamment la vitesse du véhicule, la vitesse de rotation du moteur et l'engrenage de transmission, avant de décider de la meilleure façon de fournir le couple à partir des efforts combinés de l'étranglement du moteur, du rapport d'engrenage de la transmission et de l'activation du démarreur-générateur.

Les ingénieurs ont traditionnellement considéré chaque composant comme une unité autonome, mais le contrôle intégré suscite beaucoup d'intérêt car il est bon marché : le contrôle intégré dépend en grande partie du logiciel et, par conséquent, son efficacité énergétique de 10 % est relativement peu coûteuse. Si un constructeur vend un million de voitures, dit Lohrenz, le coût pourrait être inférieur à 5 $ par véhicule.

Moteur numérique

L'avancée la plus radicale pour améliorer la consommation d'essence viendrait en refaisant le moteur lui-même. Cela signifie repenser la mécanique centenaire qui ouvre et ferme les soupapes du moteur, qui laissent entrer un mélange carburant-air dans les chambres de combustion et libèrent les gaz d'échappement. Pendant des décennies, un arbre à cames a rempli ce travail. Un arbre en rotation, il déplace des leviers qui ouvrent et ferment les vannes environ 100 fois par seconde selon un schéma fixe.

La technologie des arbres à cames fonctionne bien, mais elle gaspille du carburant. La configuration traditionnelle ne permet pas de modifier les schémas afin de fournir, par exemple, beaucoup de puissance pour accélérer sur une autoroute et pour réduire les économies de carburant inutiles à des vitesses de croisière sur autoroute. Ces dernières années, cependant, les ingénieurs ont ajouté des équipements mécaniques à l'arbre à cames, permettant un contrôle amélioré des soupapes. Ce contrôle comprend, par exemple, la possibilité d'ouvrir les vannes uniquement à mi-chemin lorsque peu de puissance est nécessaire. Honda et BMW ont développé et installé de tels systèmes de soupapes variables dans de nombreuses voitures de série, améliorant ainsi l'économie de carburant de 5 à 10 %.

Mais le mouvement ultime vers l'optimisation jette l'arbre à cames. Au lieu de cela, les actionneurs électromécaniques fourniraient un contrôle piloté par logiciel pour chaque vanne (voir Le moteur Camless, ci-dessous) . En offrant un contrôle total sur la synchronisation, la levée et la durée de chaque mouvement de soupape, un tel moteur sans came optimise la livraison de puissance avec le moins de carburant possible à chaque vitesse de rotation du moteur. Le gain est énorme : un moteur sans came pourrait améliorer l'économie de carburant de 10 à 18 % tout en augmentant le couple moteur de 15 à 20 % à basse vitesse pour une accélération plus rapide.

Illustration par John MacNeil

Le problème est que pour éviter une usure excessive et minimiser le bruit et les vibrations du moteur, les soupapes doivent décélérer avant l'atterrissage. Un arbre à cames, bien que relativement inefficace, le fait assez bien, grâce à sa forme ovoïde, qui produit une accélération et une décélération correspondantes dans le mouvement de la soupape. Les actionneurs sont différents ; ils claquent de haut en bas, en marche et en arrêt. La façon de rendre les actionneurs aussi doux que les arbres à cames implique une combinaison de matériel et de logiciels, et de nombreuses entreprises travaillent sur le problème. Anna Stefanopoulou, ingénieur en mécanique à l'Université du Michigan, a déjà conçu plusieurs logiciels prometteurs. Au cours de la dernière année, l'équipe de Stefanopoulou a optimisé plusieurs algorithmes et teste maintenant des moyens d'utiliser le retour des valves pour obtenir un mouvement à grande vitesse avec des atterrissages en douceur. Pendant ce temps, pour faciliter cet atterrissage en douceur, Mohammad Haghgooie, physicien chez Ford Motor, teste des ressorts et des amortisseurs pneumatiques et hydrauliques pour réduire l'impact des soupapes sans les ralentir. En cas de succès, ces améliorations du logiciel et du matériel des vannes électromécaniques pourraient amener un moteur sans came sur le marché en 2008, dit Haghgooie.

Frein pour le progrès

Toutes les technologies avancées d'efficacité énergétique n'en sont pas encore au stade de l'émergence. Même sans moteurs sans came et logiciels sophistiqués, des technologies assorties pour obtenir un meilleur rendement énergétique sont disponibles. La liste comprend la transmission à variation continue. Contrairement aux transmissions automatiques d'aujourd'hui, qui ont généralement quatre rapports de démultiplication fixes qui se mettent en place une fois que la vitesse de rotation du moteur augmente à un certain niveau, une transmission à variation continue offre une plage infinie de rapports de démultiplication à la volée. Une entreprise néerlandaise a breveté la technologie il y a des décennies ; maintenant, les brevets expirent et la transmission est déjà installée dans certains modèles aux États-Unis. Le gain peut être grand : dans le Saturn VUE 2002, la transmission à variation continue augmente l'économie de carburant de 7 à 11 pour cent, selon General Motors.

Des améliorations en matière d'injection de carburant sont également en cours, grâce à une avancée récente connue sous le nom d'injection directe d'essence. En remplaçant le moteur traditionnel à injection indirecte par cette technologie, la Volkswagen Polo 2002 a amélioré la consommation de carburant pour la conduite en ville de 13 %. L'avantage vient de l'exploitation de la dynamique du mélange de carburant et d'air. Dans la configuration d'injection indirecte traditionnelle, le gaz et l'air sont mélangés à l'extérieur du cylindre, puis injectés. Avec l'injection directe, le carburant et l'air ne commencent à se mélanger que lorsqu'ils sont à l'intérieur du cylindre, ce qui permet au moteur d'utiliser un mélange de carburant ultra-pauvre lors d'une conduite régulière à faible puissance.

Dans l'ensemble, les technologies disponibles ne manquent pas et sont presque prêtes à être adoptées par l'industrie automobile. Et pourtant, les VUS obtiennent toujours une moyenne de seulement 21 mpg. Lorsqu'on lui a demandé pourquoi, Indra de General Motors cite des arguments bien connus de l'industrie : les innovations sont trop chères ; les nouveaux composants ajoutent du poids, annulant les avantages. Il dit également que la réduction de poids - qui, selon l'étude DiCicco, représente près d'un tiers de la formule pour augmenter le kilométrage réduit en sécurité. C'est l'argument que l'industrie a utilisé dans le cadre de sa campagne de lobbying pour éliminer une législation plus stricte sur l'efficacité énergétique en mars dernier.

Roland Hwang, un expert en véhicules au National Resources Defense Council, un groupe environnemental basé à New York, déclare que cet argument est irresponsable. Il affirme que les constructeurs automobiles alimentent les craintes des consommateurs concernant la sécurité uniquement pour les persuader d'acheter des véhicules plus gros, qui, selon lui, génèrent les bénéfices les plus élevés. Il note que les tests fédéraux et de l'industrie des assurances montrent que le bilan de sécurité des VUS est à peu près le même que celui des autres voitures. Même le responsable des analyses environnementales et énergétiques de Honda America, John German, convient que si tous les véhicules pesaient 100 livres de moins, il n'y aurait aucun impact sur la sécurité.

Le point le plus important est simplement que sans mandat de Washington ou du public, l'industrie automobile a peu de motivation pour changer. Doug Patton, vice-président senior chez Denso International America à Southfield, MI, met le sujet en perspective : qu'est-ce que le client exige ? De quoi le gouvernement a-t-il besoin ? C'est ainsi que nous le regardons.

Pour les chercheurs, c'est un discours décourageant. Heywood du MIT affirme que la plupart de ces technologies sont en développement depuis des années. Si les constructeurs automobiles le voulaient, dit-il, ils pourraient facilement les rendre peu coûteuses et fiables. Les constructeurs automobiles ne donnent pas assez de crédit à leurs ingénieurs pour leur capacité à résoudre des problèmes pratiques, dit Heywood. Jusqu'à ce que la direction dise « OK, allons-y », la technologie ne dépasse pas un prototype de développement avancé. Donner de telles commandes, ajoute-t-il, n'aura lieu que lorsque la direction pense avoir la preuve que la technologie fera vendre le produit sur le marché ou créera un nouveau marché.

Même si de nouvelles lois strictes sur l'efficacité sont adoptées, notent d'autres, l'histoire récente suggère que l'industrie automobile n'adhérera pas sans se battre. Les leaders de l'industrie se sont battus contre les convertisseurs catalytiques. Ils ont combattu les ceintures de sécurité. Ils ont dit que les coussins gonflables mettraient l'industrie en faillite. Mais une fois les exigences satisfaites, ils trouvent un moyen, note Hwang.

Pour l'instant, l'industrie automobile se contente toujours de remplir les salles d'exposition de vivaces porcs à l'essence. Mais des technologies plus efficaces - et le logiciel pour les contrôler - attendent cette poussée finale vers la production de masse.

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