Le moteur thermique est-il condamné?

EURO 7 Avec l’entrée en vigueur de la nouvelle norme antipollution, les émissions seront réduites à peau de chagrin. Cette nouvelle législation signe-t-elle la fin du moteur à combustion?

En tout, il n’existe pas moins de dix variantes différentes de la norme antipollution Euro 6. Répondant au nom de Euro 6d-ISC-FCM, la plus stricte devra obligatoirement être remplie par les véhicules immatriculés à partir du début de l’année prochaine, soit dès le 1er janvier 2021. Pour l’automobile, cette nouvelle norme change tout. Explications.

Aux cours de ses six années d’exercice, la norme Euro 6 n’a pas seulement abaissé les valeurs-limites de CO2, elle a également modifié ses cycles de test ainsi que ses conditions des mesures. L’objectif? Répondre au mieux au changement de cycle de conduite; très éloigné des conditions réelles, le «nouveau cycle européen de conduite» (NEDC) a été mis de côté au profit des «procédures d’essai harmonisées à l’échelle mondiale pour les véhicules légers» (WLTP). Entré en vigueur en 2017, le WTP fournit des valeurs plus réalistes, car basées sur des vitesses plus élevées et des accélérations plus énergiques. Cela dit, il s’effectue toujours sur un banc d’essai. Or, un environnement reconstitué ne pourra jamais reproduire la réalité du trafic routier. Du coup, il n’aura pas fallu deux ans pour que la méthode RDE (Real Driving Emissions) soit intégrée à la norme Euro 6. Ainsi, à l’avenir, les émissions mesurées devraient enfin être plus proches de la réalité.

Mais, ces nouvelles directives ont surtout signé l’arrêt de mort de nombreux moteurs à combustion. Car, pour de beaucoup constructeurs, l’effort à fournir, autrement dit, les sous à dépenser pour homologuer leur véhicule devenait disproportionné par rapport à l’argent qu’ils pouvaient retirer de la vente. Bien entendu, les modèles de niche sont les premières victimes de cette politique environnementale. Cela concerne le V8 diesel du groupe VW, mais aussi quelques 6-cylindres suralimentés signés BMW. S’agissant des modèles de grande série, le problème se manifeste de manière plus nuancée, puisque cette politique ne fait «que» limiter le nombre de motorisations (voire de transmissions) disponibles.

Avec le 6-cylindres à plat 4.0 atmosphérique de la GT4, Porsche repousse les limites thermo-mécaniques grâce à une plus grande cylindrée.

Des limites d’émission pour les NOx
Ces turbulences devraient prendre fin avec l’entrée en vigueur de la norme Euro 7, prévue pour 2023 ou 2025. Car, après des décennies de cycles dépassés, l’industrie automobile est à bout de patience, alors que des objectifs ambitieux en matière d’émissions sont au programme. Respecter les nouvelles valeurs-limites est un défi majeur, en particulier au vu des exigences désormais globales en matière d’émissions réelles des véhicules. S’agissant des futures limites de NOx, la Commission européenne se basera probablement sur les 35 mg/km qui s’appliqueront aussi à la Chine. Cependant, il se murmure à Bruxelles que l’Europe pourrait avoir un rôle de pionnier en abaissant la limite à 20 mg/km. Le moteur diesel, autorisé jusqu’ici à émettre davantage d’oxydes d’azote, devrait perdre ce privilège. Car, si la limite est fixée aujourd’hui à 60 mg/km pour l’essence, on tolère encore 80 g/km pour le moteur à allumage par compression.

Comme le dit le dicton, le diable est dans les détails; tandis que les valeurs limites prévues peuvent être respectées au quotidien, il est certaines zones de la cartographie dans lesquelles l’automobile ne s’aventure que très rarement, mais qui seront désormais testées par le protocole RDE. De quoi représenter un véritable obstacle pour les actuels et futurs moteurs thermiques.

Pour illustrer ce problème, le démarrage à froid est un bon exemple. Encore aujourd’hui, le carburant non vaporisé qui adhère à la paroi froide de la chambre de combustion provoque une importante formation de particules et une augmentation des émissions brutes d’hydrocarbures et de monoxyde de carbone. En outre, ni le catalyseur, ni le système SCR ne sont à la température requise pour bien fonctionner. La pleine charge pose également problème, car elle génère des températures élevées et soumet donc les composants à une forte contrainte thermique. Depuis l’introduction des concepts de downsizing sans diminution de la puissance des moteurs, il est redevenu intéressant d’enrichir le mélange pour mieux refroidir les chambres de combustion. Or, l’injection de carburant supplémentaire pour réduire les pics de température sera prohibée à l’avenir, car incompatible avec le bon fonctionnement du catalyseur. «Le démarrage à froid, la montée en température et le fonctionnement sous forte charge sont au centre de tous les développements futurs», résume Thomas Pauer, membre du directoire de Bosch Powertrain Solutions en charge du développement.

La nouvelle génération de moteurs Firefly de Fiat se passe de l’injection directe et de la turbocompression.

Quelles sont les bonnes solutions?
Commençons par la mauvaise nouvelle: tout cela sera plus cher pour le client. Car, si des interventions telles qu’un point d’allumage tardif ou un régime de ralenti accru n’entraînent qu’une augmentation marginale de la consommation d’essence, des éléments tels qu’un catalyseur chauffé sont beaucoup plus coûteux. Or, le chauffage externe est une astuce quasi incontournable pour atteindre rapidement la température de fonctionnement après un démarrage à froid. Mais, en raison de la puissance consommée, un tel système est beaucoup plus facile à mettre en œuvre avec une tension de bord de 48V (ou, a fortiori, avec la haute tension d’un système hybride rechargeable) qu’avec le système 12V habituel. Ce qui remet en cause son utilisation dans le segment des petites voitures, où le coût et l’encombrement jouent un rôle majeur.

Avec sa nouvelle génération de moteurs Firefly équipant notamment la Fiat Panda, le groupe FCA montre cependant comment faire entrer de petites voitures dans l’ère Euro 7. Le renoncement à la suralimentation et à l’injection directe garantit des pics de pression modérés et des températures de combustion pas trop élevées. Avec un taux de compression élevé, un système de distribution variable et un collecteur d’échappement intégré, le petit moteur trois cylindres est capable de mettre son système antipollution rapidement à la bonne température et de l’y maintenir. Crédité d’une puissance de 70 ch et d’un couple de 92 Nm, ce moteur d’un litre de cylindrée se cantonne toutefois dans le bas de l’échelle des performances.

Refroidissement des composants
A l’autre extrémité de l’échelle de charge, le problème n’est pas la mise en température, mais le refroidissement des composants. Les mesures de thermorégulation peuvent prendre des formes variées. Du recyclage des gaz d’échappement refroidis au cycle de combustion de Miller jusqu’aux points de charge élevés, en passant par l’air de suralimentation refroidi par la climatisation, la compression variable et l’injection d’eau, de nombreuses idées font actuellement l’objet d’investigations.

«Les sollicitations fortes et prolongées représentent un défi pour obtenir des taux de conversion suffisants. En même temps, il ne faut pas perdre de vue le rendement. Notamment dans le cas du diesel, dont le principal avantage est d’émettre moins de CO2 que le moteur essence. Si les mesures antipollution pénalisent trop fortement la consommation de carburant, le diesel perdra son rôle de moteur respectueux du climat», explique Christian Beidl, directeur de l’Institut des moteurs à combustion interne de l’Université technique de Darmstadt.

Des limites du moteur thermique
Le conflit d’objectifs entre une consommation de carburant basse et de faibles émissions s’intensifiera davantage sous la norme Euro 7. Certes, le moteur thermique recèle encore un certain potentiel d’amélioration, et ce notamment par le biais d’une gestion optimisée et d’un meilleur contrôle de la combustion. Mais les limites semblent d’autant plus en vue que les optimisations visant à réduire les émissions détériorent souvent le rendement, ce qui n’est pas le but recherché. Avec l’essor de l’électrification, le déplacement des points de charge (ou même l’arrêt complet dans certaines situations) peut, certes, maintenir la consommation des moteurs à combustion interne à un faible niveau, mais seulement avec des aides extérieures. Le fait que cela soit possible sans assistance électrique n’est pas démontré seulement par le moteur Firefly de FCA, mais aussi par les développements dans le secteur des hautes performances. Cette année, par exemple, Porsche ne s’est pas contenté de présenter la nouvelle 911 avec un moteur boxer biturbo de 3 litres estampillé 9A2 Evo, mais aussi avec un moteur atmosphérique de 4 litres issu de la même famille. Tandis que le moteur suralimenté maîtrise quasiment toutes les règles de réduction des émissions grâce à la combustion optimisée, à l’ouverture asymétrique des soupapes et à l’injection quintuple par injecteurs piézoélectriques, les difficultés liées aux grosses cylindrées ne se posent même pas. C’est dû au fait que ce moteur renonce à délivrer des performances de pointe, préférant miser sur le couple et se tenant ainsi éloigné des limites thermomécaniques. «Le règlement de la nouvelle norme antipollution Euro 7 apportera des changements majeurs», explique Frank Walliser, directeur de la série Porsche 911. «Il y aura de nouveaux moteurs de plus forte cylindrée. Un moteur Euro 7 aura certainement une cylindrée majorée de 20% par rapport à son prédécesseur, si ce n’est plus. Et de nombreux constructeurs repasseront de quatre à six ou de six à huit cylindres.»

Vers la fin du downsizing?
Cette tournure des événements est tout à fait inattendue. L’ère du downsizing semble révolue en raison du conflit d’objectifs qui existe entre les exigences de performance et les émissions brutes. Il n’y aura pas de renaissance du moteur atmosphérique, mais ce dernier constituera une alternative dans le bas de gamme pour des raisons de prix et restera intéressant dans le segment des voitures de sport pour y remettre un peu plus d’émotion.

La nouvelle la plus importante reste cependant le fait que la norme antipollution Euro 7 ne signe pas l’arrêt de mort des moteurs à combustion interne, bien au contraire. Comment expliquer autrement qu’aujourd’hui déjà, des prototypes d’une puissance bien supérieure à 600 kW soient testés avec des moteurs V6 biturbo de 3 litres à combustion stœchiométrique et respectant les limites prévues par la nouvelle norme? Ce qui sera peut-être même possible sans suralimentation, comme dans le cas du V12 de 3,9 litres qui animera la monstrueuse Murray T.50. 

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