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Réinventer le moteur à essence
Un nouveau concept de moteur développé par des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison pourrait réduire la consommation de carburant d'environ 30 % dans les voitures et de près de 20 % dans les camions lourds. Dans les voitures à essence, la nouvelle conception n'ajouterait que peu au coût du moteur. Dans les camions lourds, cela réduirait considérablement les coûts en éliminant le besoin de systèmes de post-traitement coûteux pour réduire les émissions.
Moteur d'essai : Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont utilisé ce moteur diesel Caterpillar à usage intensif pour tester un nouveau concept de combustion à haut rendement.
Le concept, qui a été démontré dans des moteurs d'essai, consiste à mélanger avec précision deux carburants différents dans la chambre de combustion, ce qui permet de mieux contrôler à la fois le moment et la durée de la combustion. Il pourrait fournir un moyen de respecter les réglementations en matière d'économie de carburant sans les moteurs électriques et les batteries plus chers que l'on trouve dans les véhicules hybrides (bien que pour une efficacité encore plus grande, la nouvelle conception puisse être intégrée dans un véhicule hybride). Le nouveau concept de moteur est rendu possible par une injection électronique précise de carburant et des progrès dans les simulations informatiques. Nous avons découvert ce processus à l'aide d'une modélisation informatique avancée, ce qui nous a permis d'identifier la recette pour un mélange optimal des carburants, explique Rolf Reitz , professeur de génie mécanique à l'UW-Madison.
La conception a deux versions, une pour remplacer les moteurs diesel lourds et une autre, qui sera dévoilée cet automne, qui remplacerait les moteurs à essence conventionnels. Les deux utilisent le même processus de combustion qui rend les moteurs diesel beaucoup plus efficaces que les moteurs à essence, en comprimant le carburant et l'air jusqu'à ce qu'il atteigne des pressions et des températures qui le font s'enflammer, plutôt que d'utiliser une étincelle pour allumer le carburant. La nouvelle conception améliore l'efficacité du moteur au-delà de celle des moteurs diesel en réduisant la quantité d'énergie gaspillée sous forme de chaleur et en améliorant le contrôle du moment de la combustion. Cela réduit également considérablement les émissions associées aux moteurs diesel, ce qui est particulièrement important maintenant que les nouvelles réglementations sur les émissions obligent les constructeurs automobiles à utiliser des systèmes de post-traitement coûteux.
Dans la version conçue pour remplacer les moteurs diesel lourds, l'essence d'un réservoir de carburant est injectée dans l'orifice d'admission près de la chambre de combustion, où elle se mélange à l'air avant d'entrer dans la chambre (c'est la forme conventionnelle d'injection de carburant dans les véhicules à essence ). Ensuite, le carburant diesel d'un autre réservoir est injecté directement dans la chambre à l'aide d'un injecteur de carburant basse pression. Au fur et à mesure que ce mélange est comprimé, le diesel s'enflamme en premier, suivi peu après par l'essence, qui est plus résistante à la combustion. Le contrôle du rapport des deux carburants détermine à la fois le moment de la combustion et sa durée. La conception nécessite un contrôle précis de l'injection de carburant, car le rapport et la répartition des deux carburants dans la chambre doivent changer en fonction de la charge placée sur le moteur. Avec des charges légères, le mélange est d'environ 50-50, tandis que des charges plus lourdes peuvent nécessiter aussi peu que 5 % de diesel. Le moteur qui en résulte est d'environ 55 % d'efficacité, contre 40 à 45 % d'efficacité pour les moteurs diesel conventionnels de poids lourds. Les émissions sont suffisamment faibles pour éliminer le besoin de systèmes de post-traitement pour les systèmes d'échappement qui, dans un camion lourd, peuvent coûter autant que le moteur lui-même.
Dans la version conçue pour remplacer les moteurs à essence conventionnels, le carburant diesel est remplacé par de l'essence mélangée à un additif pour le rendre plus réactif, améliorant ainsi l'allumage du carburant. Au lieu d'avoir deux réservoirs de carburant, la voiture n'a besoin que d'un réservoir d'essence et d'un petit réservoir de la taille d'une bouteille de liquide lave-glace pour contenir l'additif. Le gaz ordinaire est injecté par l'injecteur de port, et le gaz mélangé avec l'additif est injecté directement dans la chambre. Le résultat est un moteur efficace à 45 %, contre environ 30 % pour les moteurs à essence conventionnels.
Dans les deux systèmes, l'approche réduit la pression et la température du moteur, ce qui réduit la formation de smog et d'autres polluants dangereux. Les températures plus basses réduisent également la quantité d'énergie perdue en chaleur, la rendant disponible pour entraîner le piston. Nous prolongeons l'événement de combustion sur une période de temps contrôlée pour obtenir un dégagement de chaleur doux qui n'entraîne pas une augmentation violente de la pression et des températures élevées dans la chambre de combustion, explique Reitz.
Robert Dibble , professeur de génie mécanique à l'Université de Californie à Berkeley, affirme que la nouvelle conception est une idée intelligente. Il dit que la conception à deux carburants pourrait être difficile à faire adopter par les constructeurs automobiles et les consommateurs, mais il note que les systèmes de post-traitement diesel actuels obligent déjà les conducteurs à ajouter un fluide de traitement des gaz d'échappement séparé lors du ravitaillement, de sorte que cette barrière peut être plus faible maintenant. La version de la nouvelle conception qui utilise un additif pour essence ne nécessiterait de remplir l'additif qu'à chaque changement d'huile, dit Reitz, réduisant ainsi les désagréments.
Dibble dit qu'un autre chercheur adopte une approche similaire pour améliorer l'efficacité du moteur, mais son approche n'utilise qu'un seul carburant. Bengt Johansson , chef de la division des moteurs à combustion à l'Université de Lund en Suède, a montré des rendements élevés et de faibles émissions en contrôlant le moment et la durée de la combustion avec des injections de carburant multiples. Mais contrairement à la méthode UW-Madison, qui utilise des carburants avec des propriétés de combustion différentes, l'approche de Johansson contrôle la combustion en créant des régions dans la chambre de combustion avec des concentrations variables de carburant et d'air. Un inconvénient potentiel est que, en raison des niveaux de compression élevés utilisés, il nécessite un moteur plus cher que ceux utilisés dans les voitures à essence conventionnelles.