À l'été 2017, Mazda a fait une annonce :le constructeur automobile a trouvé un moyen de fabriquer des moteurs à essence à allumage par compression pour les voitures particulières. Mazda a affirmé que son nouveau moteur pourrait améliorer l'économie de carburant de 20 à 30 %, ce qui est une réalisation considérable pour un moteur à essence.
Avant de plonger dans cette technologie, il convient de noter que le moteur à allumage par compression n'est pas un nouveau concept. Les voitures de Formule 1 utilisent des moteurs à allumage par compression et plusieurs autres constructeurs automobiles ont tenté de développer une version commercialement viable pour les voitures particulières. Mais le moteur de Mazda, baptisé Skyactiv-X, sera le premier moteur de ce type produit en série et disponible dans le commerce. Grâce à Jay Chen, ingénieur du groupe motopropulseur chez Mazda, HowStuffWorks a pu comprendre comment cette percée a été réalisée. Cependant, nous devons d'abord examiner les fonctions de base d'un moteur.
Un moteur fonctionne en enflammant le carburant de deux manières :la chaleur et la compression. Les moteurs à allumage commandé équipent la plupart des voitures à essence. Dans ces types de moteurs, les bougies d'allumage s'allument pour enflammer le carburant dans la chambre de combustion, tandis que le mélange de carburant et d'air est également comprimé. Ceci est une version très simplifiée du processus, bien sûr, juste pour illustrer la principale différence entre les deux types de moteurs. Les moteurs à allumage commandé suivent un cycle et nécessitent une synchronisation précise pour fonctionner, mais sont généralement fiables dans diverses conditions [source :Knight].
Les moteurs à allumage par compression fonctionnent plus comme des moteurs diesel. Les diesels sont conçus pour une compression beaucoup plus élevée (ce qui nécessite des composants plus lourds et une construction plus solide) et utilisent des bougies de préchauffage comme source de chaleur plutôt que des bougies d'allumage. Les bougies de préchauffage chauffent la chambre de compression, ce qui augmente la compression à l'intérieur de la chambre. Lorsque le carburant est ajouté à la chambre, il est pulvérisé sur la pointe de la bougie de préchauffage, mais le processus repose davantage sur la compression que sur le contact du carburant et de la bougie. L'absence d'"étincelle" permet aux moteurs diesel d'atteindre des cotes EPA plus élevées que les moteurs à essence avec des spécifications par ailleurs similaires [source :Stewart].
Si nous nous concentrons sur le gaz, vous vous demandez peut-être quel est l'intérêt d'expliquer le fonctionnement d'un moteur diesel ? Simplement, pour illustrer l'importance de la compression. La meilleure façon d'améliorer le moteur à essence est de trouver comment augmenter la compression, ce qui permet au moteur d'utiliser son alimentation en carburant plus efficacement.
Un moteur à essence à allumage par compression combine les meilleures parties de ces processus. Le moteur est programmé pour piéger l'air (généralement, l'échappement du moteur) dans le cylindre du moteur en ajustant le calage des soupapes d'échappement et d'admission. Les injecteurs de carburant ajoutent du carburant à cet échappement piégé, et comme le mélange piégé est sous une compression très élevée, la quantité relativement faible de carburant est capable de s'enflammer.
Les moteurs à allumage par compression peuvent même être divisés en deux types différents [source :Lindberg].
La principale différence entre ces deux moteurs est le moment du processus d'ajout du carburant, obtenu grâce à des ajustements des cycles et du calage des moteurs. Sinon, les moteurs fonctionnent de la même manière ; la compression est le facteur le plus important.
Les moteurs à allumage par compression présentent quelques avantages et au moins autant d'inconvénients. Parmi ses avantages, citons :
"En guise d'analogie approximative, l'allumage par étincelle s'apparente à allumer un feu en allumant un seul bord du papier journal et en laissant la flamme grimper progressivement sur le papier", explique Jay Chen, ingénieur du groupe motopropulseur chez Mazda, par e-mail. "[L'allumage par compression] ressemble plus à une combustion spontanée où le carburant et l'air ont atteint une pression et une température critiques, et toute la charge change de phase en même temps, libérant ainsi toute l'énergie en une seule fois. En libérant toute l'énergie presque en une seule fois, [ allumage par compression] peut extraire plus de puissance (car cela se produit bien avant que le taux d'expansion ne soit épuisé) de la même quantité d'air tout en utilisant deux à trois fois moins de carburant et à des températures de combustion beaucoup plus froides, ce qui réduit encore le gaspillage d'énergie thermique et la formation d'émissions ."
Ça sonne bien, non ? Le problème est que ces moteurs sont vraiment pointilleux - s'ils étaient faciles à concevoir et à utiliser, nous les piloterions maintenant. Même si vous n'êtes pas familier avec les moteurs diesel, vous avez peut-être entendu dire qu'ils peuvent être gênants dans des conditions sous-optimales. Cela est dû en partie au carburant diesel lui-même, qui a tendance à « gélifier » à des températures très froides. Nous n'avons pas ce problème avec l'essence, qui reste liquide même dans des conditions inférieures à zéro. Mais l'allumage par compression peut toujours être affecté par les conditions météorologiques et autres conditions ambiantes, ainsi que par d'autres facteurs tels que la qualité du carburant.
"Jusqu'à présent, les moteurs à combustion interne à allumage par compression n'existaient que dans des conditions de laboratoire stables ou des prototypes de véhicules bruts trop grossiers pour être appliqués en production", explique Chen.
En d'autres termes, si la pression et la température dans les cylindres ne sont pas soigneusement maintenues, le processus ne fonctionnera pas. Des températures trop froides peuvent endommager les composants sensibles du moteur. Si le moteur devient trop chaud, il peut commencer à cogner - une condition qui se produit lorsque le mélange carburant-air devient trop chaud et explose au mauvais moment, ce qui gaspille du carburant et entraîne un mauvais fonctionnement du moteur. Un moteur à allumage par étincelle peut également devenir trop froid ou trop chaud, mais a une marge d'erreur beaucoup plus élevée.
Le fonctionnement fiable d'un moteur à allumage par compression dépend d'une combinaison précise d'air, de carburant et de gaz d'échappement mélangés dans le rapport parfait, à la compression parfaite, avec juste la bonne quantité de chaleur appliquée au bon moment. Comme nous le savons, personne n'a encore été capable de construire une voiture avec un moteur à essence à allumage par compression, donc ce processus devait être encore affiné.
Peu de temps après l'annonce de Mazda, les experts de l'industrie automobile ont commencé à se demander si un moteur à allumage par compression grand public pourrait "sauver" les moteurs à essence. Autrement dit, à mesure que l'industrie s'oriente davantage vers la technologie hybride et électrique, ce moteur à essence pourrait-il être suffisamment efficace pour être un concurrent viable ?
Selon Chen, Mazda est motivée par la conviction qu'"en extrayant le maximum d'efficacité du moteur à combustion interne (en conjonction avec l'électrification une fois le moteur à combustion interne perfectionné), nous pouvons fournir une méthode pour propulser l'automobile jusque dans ce siècle qui a le potentiel de générer autant ou moins d'émissions de CO2 "du puits à la roue" que les véhicules électriques à batterie pure alimentés par des centrales électriques à combustibles fossiles de diverses formes."
En d'autres termes, Mazda pense qu'avec une innovation continue, une voiture propulsée par un moteur à essence peut être au moins aussi efficace qu'une voiture électrique, et peut-être même plus. Voyons en quoi cette percée dans la technologie d'allumage par compression est différente de celles qui l'ont précédée.
En 2007, Motor Trend conduisait une Saturn Aura propulsée par un moteur à allumage par compression, qui a permis de réduire de 15 % la consommation de carburant par rapport à une Aura ordinaire [source :Markus]. À l'époque, GM s'attendait à sortir un véhicule avec un moteur à allumage par compression en 2015, mais la marque Saturn a été fermée quelques années plus tard et GM s'est progressivement tournée vers les véhicules électriques et hybrides rechargeables tels que le Chevrolet Volt.
À peu près à la même époque, Mercedes-Benz travaillait sur un système d'allumage par compression appelé DiesOtto, et Ford avait également un projet en développement [source :Estrada]. Cependant, aucun de ces moteurs n'a obtenu le feu vert pour la production, et l'expérience de Hyundai peut aider à expliquer pourquoi [source :Markus].
Mis à part Mazda, Hyundai a probablement fait le plus de progrès, avec des efforts qui se sont révélés pour la première fois vers 2013 [source :Markus]. La société a conçu sa version d'un moteur à allumage par compression sans bougies d'allumage ni bougies de préchauffage, avec une date de sortie cible de 2023.
Malgré des progrès prometteurs, Hyundai a révélé en 2016 que les composants du moteur n'étaient tout simplement pas assez solides pour faire face à la compression requise pour que le processus fonctionne. Des composants de moteur plus solides, à savoir le bloc, la manivelle et les roulements, peuvent bien sûr être conçus; c'est ainsi que fonctionnent les moteurs diesel. C'est juste très cher, et ces composants plus solides ajoutent du poids à la voiture et réduisent son efficacité globale. Hyundai avait prévu depuis le début d'utiliser un turbocompresseur pour augmenter la puissance et maintenir la compression nécessaire, mais ils ont découvert qu'ils auraient également besoin d'un compresseur, ce qui a encore fait exploser le budget. Et enfin, Hyundai n'était pas satisfait de la quantité de pollution produite par ces groupes motopropulseurs. Au final, le projet était beaucoup plus cher et pas aussi propre et efficace que prévu [source :Markus].
Les efforts de développement de Mazda durent presque aussi longtemps que ceux de ses concurrents.
"Skyactiv-X était toujours dans les plans avant même le lancement de la première génération de Skyactiv", explique Chen, ingénieur chez Mazda. "La première étape de cette feuille de route a été la technologie Skyactiv de Mazda [qui a été] introduite en 2009. L'amélioration clé à l'époque était l'application d'un taux de compression moteur élevé non conventionnel pour augmenter l'efficacité globale du moteur ainsi que les performances du groupe motopropulseur. Cela a été réalisé grâce à un combinaison synergique de techniques existantes appliquées ensemble pour réaliser ce qui était (jusque-là) considéré comme impossible pour les moteurs de production."
En termes simples :"Skyactiv" est le terme pour la stratégie de Mazda consistant à augmenter la compression pour augmenter l'efficacité, et Mazda a dû bricoler un peu pour que le prochain Skyactiv-X fonctionne. À la suite de ce bricolage, Mazda a ajouté une bougie d'allumage dans le mélange, de sorte que le moteur peut basculer entre la compression et l'allumage par étincelle en fonction de ce qui est le plus efficace à l'époque. Cela peut sembler aller à l'encontre des bases de la technologie des moteurs à haute compression, mais Chen dit que cela fonctionne.
"Cette percée, que nous appelons allumage par compression contrôlé par étincelle (SPCCI), a considérablement élargi la plage utilisable de fonctionnement et de contrôle de l'allumage par compression et a fourni la solution pour une transition transparente entre CI [allumage par compression] et SI [allumage par étincelle] modes de combustion utilisés à haut régime (dans le cas de Skyactiv-X)", explique Chen.
Plus simplement, la bougie d'allumage est l'ingrédient magique qui permet au moteur de fonctionner en douceur et de s'adapter aux différentes conditions, et elle ne sera utilisée qu'en cas d'absolue nécessité. Le moteur de Mazda est conçu pour se surveiller et ajuster son fonctionnement en fonction de facteurs tels que les conditions environnementales actuelles, la façon dont la voiture est conduite et les préférences et paramètres du conducteur [source :Estrada].
Après que Mazda ait eu cette idée, il a fallu encore deux ans pour développer le moteur, période pendant laquelle une autre décision importante a été prise. Les véhicules équipés de moteurs Skyactiv-X seront équipés de compresseurs pour augmenter les spécifications de puissance, ce qui améliorera la dynamique de conduite et aidera à convaincre les acheteurs potentiels de tenter leur chance avec cette nouvelle technologie [source :Estrada].
La dernière grande question - quand les conducteurs peuvent-ils s'attendre à le voir ? Un porte-parole de Mazda a déclaré que la société ne peut pas encore divulguer quels véhicules seront les premiers équipés du moteur Skyactiv-X ni quand ils seront disponibles. Nous ne savons pas non plus si les véhicules propulsés par des moteurs à allumage par compression coûteront plus cher que des véhicules comparables équipés de moteurs à allumage commandé. Il est prudent de supposer, cependant, que si Mazda sera le premier à commercialiser cette technologie, d'autres fabricants suivront presque certainement.
Contrairement à beaucoup de mes collègues, je ne suis pas particulièrement préoccupé par "l'économie des moteurs à essence", même si cela contribuerait probablement à la sécurité de l'emploi. Je devrais peut-être être un peu plus égoïste à ce sujet, mais j'ai décidé d'écrire sur le moteur à allumage par compression simplement parce que je suis intrigué par toute innovation qui peut aider à rendre une voiture plus efficace.
Pour cette raison — la durabilité en général — j'ai hâte d'essayer un véhicule avec un moteur à allumage par compression dès qu'il sera disponible. Comme les hybrides et les électriques, je pense qu'il y aura beaucoup de discussions pour savoir si ces véhicules sont suffisamment puissants ou non. Honnêtement, je soupçonne que la personne moyenne ne pourra pas faire la différence. Il existe de nombreuses façons de rendre une voiture intéressante à conduire en plus de simplement la rendre aussi puissante que possible, et c'est un domaine dans lequel Mazda excelle.
