La puissance dominante

Au-dessus: Le moteur à pistons opposés d’Achates Power a la capacité de gérer efficacement le flux d’air du moteur afin d’améliorer la combustion et la gestion thermique.Illustration courtoisie d’Achates Power, Inc. ©2017.

Pas de victoire rapide

« Je vis toujours dans les années 20 ici », dit Alexander Gates, gestionnaire et conservateur du Musée canadien de l’automobile à Oshawa, Ontario. L’impressionnante collection du musée inclut de nombreux exemples exceptionnels des débuts de la technologie automobile, y compris une Brooks Steamer 1925, une voiture électrique Rauch & Lang 1923 et une hybride essence-électricité Galt 1914. Les visiteurs sont souvent surpris d’apprendre qu’au début du 20e siècle le marché des véhicules offrait une telle variété d’options de moteurs. 

« Aujourd’hui, la machinerie à vapeur a pratiquement disparu de nos vies, explique M. Gates, mais on doit se rappeler que les locomotives et navires à vapeur comptaient parmi les options de transport les plus fiables et les plus avancées au début du 20e siècle. » Logiquement, l’application de cette technologie à l’ingénierie automobile était simplement l’étape suivante, même si la technologie à vapeur avait ses inconvénients. 

« La mise en marche de l’une de ces anciennes voitures à vapeur était terriblement difficile, dit M. Gates. La vapeur n’était pas prête en tout temps. On devait disposer d’une source d’énergie secondaire — un brûleur à kérosène ou à essence — pour produire la vapeur. Le préchauffage de la voiture pendant les mois d’hiver pouvait être intolérablement long. L’usage de la vapeur impliquait également la présence d’une flamme brûlant en permanence, ce qui mettait de nombreux propriétaires mal à l’aise. Comme me le disait un enthousiaste : “Si on n’aime pas le feu, on n’aimera pas la voiture à vapeur ”. » 

« Aujourd’hui, la machinerie à vapeur a pratiquement disparu de nos vies, mais on doit se rappeler que les locomotives et navires à vapeur comptaient parmi les options de transport les plus fiables et les plus avancées au début du 20e siècle. »

L’OPTION ÉLECTRIQUE

La Columbia Mark 68, une auto électrique de type « Victoria », qui vit le jour en 1906, fut suivie par la production d’un chargeur de batterie à manivelle en 1912 (illustrés tous deux ci-contre).

Les premiers véhicules électriques étaient prisés pour leur fonctionnement sans bruit et leur facilité d’utilisation, deux raisons pour lesquelles ces voitures étaient surtout vendues à des femmes à l’époque.

« On devait faire démarrer à la main la plupart des premiers moteurs à combustion interne (MCI), fait remarquer M. Gates. Les femmes riches, en particulier, ne faisaient pas ce type de travail. De fait, le démarrage à la manivelle était un processus délicat pour tous et de nombreux ajustements du moteur, comme le calage de l’allumage, devaient être réglés avec précision. »

Le démarrage pouvait également être dangereux. Au fil des ans, les retours de flamme ont infligé d’innombrables blessures, dont des pouces et des poignets brisés qu’on appelait familièrement des « fractures Ford ».

Les femmes préféraient les véhicules qu’elles pouvaient simplement allumer et conduire, ce qui est tout à leur honneur. Les véhicules électriques étaient silencieux et, même s’ils n’avaient pas la puissance des véhicules à moteur à combustion interne, étaient suffisamment rapides pour la conduite en ville. Les excursions en campagne étaient toutefois en général hors de question.

« Beaucoup de gens oublient qu’une grande partie de l’Amérique du Nord rurale n’a pas eu l’électricité jusqu’après la Deuxième Guerre mondiale », dit M. Gates. L’autonomie limitée des véhicules électriques, qui encore aujourd’hui en entrave la vente, constituait un pareil obstacle il y a un siècle.

LE CARBURANT JOUE UN RÔLE

Le nombre de « fractures Ford » a chuté lorsque le démarreur électrique a fait son apparition vers 1912, permettant à tous de lancer un moteur à combustion interne avec une relative facilité.

On ne peut toutefois pas attribuer le déclin des autres forces motrices à cette seule innovation, si remarquable fut-elle. Pourquoi donc le moteur à combustion interne à carburant pétrolier a-t-il survécu et connu le succès au cours des décennies suivantes? Pourquoi les autres technologies avaient-elles disparu du marché automobile autour des années 30? Après tout, le MCI était loin d’être sans défaut. Il était bruyant, malodorant et capricieux − bien que le grondement distinctif de nombreux moteurs à combustion interne ait toujours fait partie de leur attrait.

M. Dipal Patel, Ph.D, professeur adjoint à la faculté de génie et de sciences appliquées de l’Institut universitaire de technologie de l’Ontario, cite la croissance des infrastructures pétrolières, l’amélioration rapide du raffinage et de la distribution, ainsi que les qualités inhérentes du produit lui-même. 

« La principale raison pour laquelle un véhicule électrique n’a pas la même autonomie qu’un MCI à carburant pétrolier est l’incroyable densité énergétique des carburants à base d’hydrocarbures », explique M. Patel. La densité énergétique est la quantité d’énergie contenue dans une masse de carburant donnée. La chimie de la molécule d’hydrocarbure fournit une immense quantité d’énergie dans des quantités relativement faibles. C’est là la clé de la portabilité du pétrole, du temps de ravitaillement réduit et de l’autonomie prolongée qu’il assure aux véhicules à moteurs à combustion interne.

PROPULSÉ PAR L’INNOVATION

L’essor de la technologie du moteur à combustion interne a été favorisé en partie par la Première Guerre mondiale, le premier conflit mécanisé. Les constructeurs en Europe et en Amérique du Nord ont intensifié la recherche et la production pour appuyer l’effort de guerre. Le boum économique des années 20 a encore stimulé la consommation et la production de véhicules, assurant vraisemblablement la place du MCI comme moteur automobile par excellence avant la Grande Crise de 1929.

Le succès du MCI peut également être attribué à la remarquable souplesse de cette technologie et à son potentiel inexploité. Pendant plus d’un siècle, les ingénieurs ont toujours été en mesure d’adapter cette technologie en réponse aux pressions de l’heure et aux demandes du marché.

Les premières innovations — de l’arbre à cames en tête aux compresseurs d’alimentation, culasses multisoupapes et moteurs à configuration en V — visaient une propulsion plus rapide et plus puissante du véhicule du point A au point B. Les innovations récentes ont pour but de rendre le déplacement plus efficace et moins nuisible pour l’environnement. Les soupapes de recyclage des gaz de carter (RGC) recyclent les gaz d’échappement depuis les années 60. Dans les années 70, les constructeurs ont installé des convertisseurs catalytiques afin d’épurer les émissions d’échappement. Les ordinateurs de diagnostic de bord ont commencé à simplifier le processus de mise au point des divers aspects de la performance des MCI dans les années 90. 

« Les unités de contrôle du moteur modernes utilisent une panoplie de capteurs et effectuent des millions de calculs par seconde pour gérer la séquence d’allumage, le mélange air-carburant, l’injection, le régime de ralenti et d’autres paramètres, poursuit M. Patel. Par ailleurs, toute liste des innovations récentes devrait inclure l’injection directe, le calage et le degré d’ouverture variables des soupapes, ainsi que la désactivation des cylindres, qui réduit la cylindrée totale du moteur et la consommation de carburant lorsque la demande de puissance est moindre. »

PERSPECTIVES D’AVENIR

L’automobile est tellement essentielle à la vie moderne en Amérique du Nord que la technologie subit une pression constante pour s’améliorer, pour devenir plus sécuritaire, plus durable et plus fiable, plus efficace et plus respectueuse de l’environnement. Les moteurs modernes sont construits pour rouler plus de 200 000 kilomètres avec un minimum d’entretien périodique − un remarquable exploit de conception et d’ingénierie.

Les constructeurs d’automobiles consacrent actuellement plus de 100 milliards de dollars par année à la recherche et au développement, des investissements qui se classent parmi les plus importants de tout le secteur industriel. Une portion de ces efforts de R. et D. cible l’un des principaux points faibles du MCI, son inefficacité, un problème dont la résolution pourrait confirmer sa supériorité.

« Les ingénieurs sont encore bien loin de parvenir à extraire 100 pour cent de l’énergie dégagée dans le processus de combustion, dit M. Patel. En fait, la plupart des MCI à carburant pétrolier ont une efficacité mécanique d’environ 20 pour cent seulement. La majeure partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, d’échappement et de friction. Capter cette énergie perdue et l’exploiter pour la propulsion est ce qui stimule une grande partie de la recherche dans l’ingénierie du MCI. »

Il y a des centaines de paramètres − depuis la chimie des carburants jusqu’à la conception de la chambre de combustion et à des processus mécaniques améliorés — qui peuvent encore être configurés en vue d’optimiser le moteur à combustion interne et en faire le moteur le plus vert possible. Quelles sont certaines des innovations qui s’annoncent et qui détiennent le plus de promesses pour assurer une domination continue du marché pour le MCI?

« Le moteur à allumage par compression d’un mélange homogène (HCCI), sans doute », poursuit M. Patel. Le moteur HCCI combine les points forts et les principes de fonctionnement des moteurs à essence et diesel pour assurer une économie de carburant jusqu’à 20 pour cent supérieure tout en maintenant des émissions de particules relativement faibles.

« Les moteurs à pistons opposés, les moteurs à pistons libres et même les concepts sans vilebrequin ont le potentiel de rehausser fortement l’efficacité de l’architecture à manivelle et coulisse, qui domine dans les moteurs actuels, et possiblement de doubler l’économie de carburant », dit M. Patel.

Dans le cas de l’architecture à pistons opposés, il est clair que l’ancien est redevenu nouveau. Une automobile à moteur à pistons opposés fut la première à atteindre la marque des 150 km/h en 1904 et cette technologie fut largement utilisée jusqu’à la Deuxième Guerre mondiale inclusivement, conflit au cours duquel elle servait à la propulsion des sous-marins américains et des avions allemands, ainsi que d’autres machines. 

Les moteurs à pistons opposés comportent deux pistons par cylindre au lieu d’un seul. Une version à deux temps est actuellement en cours de mise au point par Achates Power en Californie. Comportant moins de pièces mobiles, ce moteur est plus simple, moins coûteux à fabriquer, et il réduit la friction jusqu’à 40 pour cent, assurant un rendement énergétique jusqu’à 50 pour cent supérieur.

LE POUVOIR DE DURER

« En dépit de tout l’engouement pour les moteurs électriques, les piles à hydrogène et les autres carburants de substitution, les innovations continuent à améliorer tous les aspects de la performance du moteur à combustion interne », conclut M. Patel.

« Le MCI fait tellement partie intégrante de nos vies, ajoute Alexander Gates. Nous savons jusqu’où il peut nous emporter. Nous comprenons combien il coûte. Je pense qu’il pourrait falloir une autre génération avant que nous nous sentions vraiment à l’aise de ne pas nous arrêter à une station-service. »

QU’EST-CE QU’UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE (MCI)?

Le MCI est un moteur dans lequel le carburant est brûlé dans une chambre de combustion fermée.

Ce processus exothermique produit des gaz chauds qui prennent de l’expansion dans la chambre et propulsent l’ensemble piston et manivelle au cœur de la plupart des transmissions d’automobiles.

Les plus anciennes formes du MCI étaient utilisées dans des applications industrielles. Les premières versions sans compression sont apparues vers la fin du 17e siècle, mais on croit que le premier brevet a été émis à l’ingénieur anglais Samuel Brown en 1823.

On attribue à Nikolaus Otto la mise au point du MCI à quatre temps vers 1870. Quelques années plus tard, Karl Benz construisit son propre moteur à quatre temps, celui-là même qui allait alimenter les premières automobiles produites.