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Le cycle d'Atkinson

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Les constructeurs automobiles sont de plus en plus nombreux à commercialiser un modèle hybride. On devine déjà : ils veulent consommer le moins d'énergie possible. Plutôt malin, car les réserves de combustibles fossiles vont un jour finir par s'épuiser. Sans oublier que les gaz d'échappement renferment des substances toxiques. Et moins la consommation est élevée, moins les émissions sont élevées, notamment le CO2, qui est en partie responsable du réchauffement de la planète. Les moteurs à essence à cycle d'Atkinson peuvent contribuer à réduire ces émissions de CO2.

Le principe d'Atkinson

Le cycle d'Otto : la théorie

Nous connaissons déjà parfaitement les concepts de moteur à essence et de moteur diesel. En réalité, le moteur à essence généralement utilisé aujourd'hui est un moteur à cycle d'Otto, du nom de son inventeur, Nikolaus Otto.

Dans ce type de moteur, les quatre temps sont parcourus durant deux rotations du vilebrequin. Ces quatre temps sont : l'admission, la compression, la combustion et l'échappement.

Une autre caractéristique typique d'un moteur à cycle d'Otto est le taux de compression fixe : le rapport entre le volume dans le cylindre lorsque le piston est au point mort bas et le volume dans le cylindre lorsque le piston se trouve au point mort haut. C’est que l’on appelle le taux de compression théorique, qui est déterminé par la construction du moteur.

Le moteur à cycle d'Otto contient naturellement aussi des soupapes qui assurent, au moment voulu, l'afflux de mélange combustible frais dans le cylindre et l'évacuation du mélange brûlé hors du cylindre.

Le principe d'Atkinson

Le cycle d'Otto : la pratique

Pas grand-chose de neuf jusque-là. Mais si nous ne tenions compte que de ces éléments théoriques, nous nous retrouverions avec un moteur à très faible rendement. Les constructeurs doivent encore tenir compte d'autres éléments, notamment des propriétés dynamiques d'une masse. Pense à ce qui se passe quand une voiture freine subitement. Les passagers sont projetés vers l'avant.
Pourquoi ? Parce que tout ce qui est en mouvement veut rester en mouvement. Cela vaut aussi pour les gaz, et donc pour les gaz qui circulent à travers notre moteur à combustion. Concrètement, cela signifie qu'il est intéressant de laisser la soupape d'admission encore un peu ouverte, même si le piston est déjà reparti vers le haut dès le début de la compression. L'énergie produite par l'air entrant augmentera encore la quantité d'air d'admission dans la chambre de combustion, même si le piston a déjà commencé à remonter.

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Ce phénomène est naturellement limité et il y a ce qu'on peut considérer comme un moment idéal pour refermer la soupape d'admission pour atteindre le degré d'admission maximum dans notre cylindre. Ce point dépend à nouveau de la vitesse de rotation du moteur. Mais plus le degré d'admission est élevé, plus la puissance que le moteur peut fournir est élevée. C'est pourquoi les moteurs turbo, par exemple, ont une « puissance spécifique » supérieure aux moteurs atmosphériques.

L'économie d'énergie selon James Atkinson

James Atkinson (1846–1914), ingénieur anglais de son état, ne cherchait pas vraiment un moteur avec une puissance spécifique maximale, mais plutôt un moteur avec le plus haut rendement possible, un moteur sobre en énergie donc.

Son raisonnement était le suivant : « Plus je ferai durer la course de combustion, plus je convertirai d'énergie en mouvement. » Ce qui est tout à fait correct. Mais comment mettre cette idée en pratique ?

James Atkinson voulait donc construire un moteur avec la course de combustion la plus longue possible et la course de compression la plus courte possible. Car le mélange combustible doit être comprimé pendant la course de compression. Et il faut de l'énergie pour comprimer, il suffit de gonfler un pneu pour s'en rendre compte.

Or, dans un moteur à essence classique, la course de compression et la course de combustion ont la même durée. En 1882, James Atkinson a donc développé un moteur qui répondait à ses attentes. Le résultat était un moteur qui permettait le déroulement des quatre courses d'un moteur à quatre temps en un seul tour de vilebrequin. Dans ce moteur, la course de combustion était effectivement beaucoup plus longue que la course de compression. Pour réaliser son objectif, Atkinson a utilisé un système complexe de leviers. De par sa complexité, le moteur n'était pas capable d'atteindre de hauts régimes. Par contre, il consommait peu d'énergie.

Het Atkinson principe

Le cycle d'Atkinson actualisé

Le moteur était si compliqué qu'il était difficile à appliquer, voire totalement impossible à utiliser dans une voiture moderne. Il existe heureusement d'autres façons d'obtenir le même résultat. Un réglage différent du calage de distribution (qui règle l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement), par exemple, permet d'atteindre un résultat similaire.

Tu sais déjà que la soupape d'admission ne se referme qu'une fois que le piston a dépassé le point mort bas. Mais, en retardant la fermeture de la soupape d'admission, le piston repousse dans le collecteur d'admission une partie du mélange d'admission aspiré. La course de compression est ainsi raccourcie, ce qui produit un gain d'énergie. De son côté, la course de combustion est rendue la plus longue possible pour exploiter au maximum l'énergie fournie par le combustible. À titre d’exemple, regarde donc le diagramme ci-dessous qui illustre les soupapes du système VVT-I appliqué dans la Toyota Prius.

Ce système produit un gain énergétique manifeste, mais au détriment de la puissance spécifique, et donc de la puissance que le moteur fournit par litre de cylindrée. Mais, dans un véhicule hybride, le moteur à essence est aidé par le moteur électrique. L'association de ces deux moteurs permet donc d'avoir des prestations normales.

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Autre avantage de la voiture hybride : le moteur à essence ne doit tourner qu'aux régimes où son rendement est maximum. Car, en fait, il faudrait déterminer pour chaque vitesse de rotation une configuration spécifique des soupapes et du moteur pour garantir le bon rendement du moteur. Ce qui n'est naturellement pas faisable dans la pratique. Et, grâce au changement continu de la vitesse de rotation, le moteur d'une voiture classique doit souvent fonctionner dans des conditions défavorables. Pour la majeure partie des vitesses de rotation, la conversion de l'énergie n'est pas optimale en raison des limites constructives du moteur. Les choses sont donc différentes dans la Prius.

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