mercredi 28 décembre 2011

La Toyota Prius et son système HSD

Les illustrations de cette fiche viennent de Wikipedia

Ce véhicule comporte 3 moteurs :
·        Un moteur thermique Mth conventionnel à cycle d’Atkinson
·        2 machines électriques synchrones à aimants permanents, « brushless » :
o   1 machine dite M1 ou « vitesse » utilisée le plus souvent en génératrice
o   1 machine dite M2 ou « couple » utilisée le plus souvent en moteur

La transmission de puissance depuis le moteur thermique jusqu’à l’utilisation repose sur un train épicycloïdal dont il est nécessaire de comprendre la nature et les propriétés. Il est composé
·        d’un pignon central (beige) de n1 dents relié à la machine M1
·    de quatre pignons planétaires (bleus, aussi appelés satellites) de n2 dents engrenés sur le pignon central, dont les axes sont parallèles et fixés à un flasque tournant solidaire d’un axe central tubulaire concentrique à l’axe du pignon central, et lié au moteur thermique Mth
·       d’une couronne à denture intérieure ayant n1+ 2 n2 dents, engrenée sur les 4 planétaires, solidaire d’un arbre de sortie qui est celui de la machine M2 et de la transmission qui va attaquer le couple conique. 


Un tel train épicycloïdal a des propriétés particulières :
·        Les couples des 3 axes Г1, Гth et Г2 sont dans un rapport constant :
Г1 / k = Г2 / 1 = Гth / (1+k)
k = n1 /n2
·        Les vitesses angulaires ω1, ωth et ω2 des 3 axes sont liées par 
ω2 = ωth (1+k) / k - ω1 / k
Ces propriétés sont exploitées dans le HSD (Hybrid Synergy Drive).




En fonctionnement thermique, par définition, la batterie n’est pas sollicitée. La transmission électrique reste indispensable, car la transmission mécanique est dans un rapport fixe, et est toujours en marche avant, faute d’inverseur mécanique. Le moteur thermique fournit la puissance mécanique aux planétaires, et via ces dernier à la machine M1, ici génératrice. Cette dernière la transforme en puissance électrique fournie à la machine M2, ici moteur, qui est solidaire de la couronne et ajoute un couple supplémentaire à celui (Г2) résultant du train épicycloïdal. Le ratio transmis par voie mécanique ou par voie électrique est géré par le système HSD, mais de manière générale, la transmission électrique est prépondérante à petite vitesse, puis décroît aux vitesse moyennes pour devenir négligeable ou nulle aux vitesses élevées.

                                     Schéma établi par l'auteur. La "Boîte de vitesses" est ici le train épicycloïdal

En fonctionnement électrique pur, le moteur thermique est arrêté (ce qui ne veut pas dire à couple nul). Les machines M1 et M2 sont toutes deux motrices, la répartition de puissance entre elles résultant du couple de chacune des deux machines (toujours dans un rapport k) multiplié par sa vitesse angulaire, gérées par le système.

En fonctionnement mixte, la batterie est sollicitée. Deux cas sont possibles :
·       Charge de la batterie par la machine M1 utilisée en générateur, au détriment de l’apport de puissance à M2 Ceci se produit en cas du ralentissement ou de freinage récupératif, mais aussi en cas de nécessité de recharge de la batterie.
·        Décharge de la batterie par la machine M2, et éventuellement M1, suivant une répartition gérée par le système, pour obtenir une accélération plus forte, ou gravir plus rapidement une forte pente.

La marche arrière est purement électrique.

En freinage, avec ou sans moteur thermique, M2 transforme, dans la limite de sa puissance de crête et de la capacité de charge de la batterie, l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique qui charge la batterie.

Le démarrage du moteur thermique est possible :
·        A l’arrêt du véhicule (M2 arrêté ce qui ne veut pas dire à couple nul),
·        En marche

Pratiquement, le système HSD arbitre entre les différents modes de fonctionnement ci-dessus en fonction d’un grand nombre de paramètres et d’algorithmes qui font partie du savoir faire du constructeur, et donc non communiqués.

Cette conception très innovante :
·        ajoute 2 machines électriques synchrones, une batterie, un train épicycloïdal et un système de commande numérique HSD,
·        mais supprime  un embrayage, une boîte de vitesse,  un alternateur et un démarreur.

En termes d’économie de carburant, et donc d’émissions de CO2, ce HSD permet :

  • une variation continue de la plupart des paramètres (Гth, ГM1, ωM1 et ωth) pour les placer au mieux dans les courbes de rendement du moteur thermique,
  • d’optimiser l’utilisation à faible vitesse, et donc à très faible puissance (vitesse inférieure à 40 ou 50 km/h), alternativement en électrique pur et en thermique avec recharge de la batterie,
  • de récupérer l'énergie cinétique au freinage au lieu de la dissiper en chaleur.
Ses limites résident dans :
·      Le rendement de la chaîne de transmission de puissance mécanique depuis l’entrée de M1, via une transformation en énergie électrique, jusqu’à à la sortie de M2 sous forme mécanique. Des sources citent 75%, probablement à pleine puissance, donc sans doute nettement meilleur à puissance intermédiaire, mais loin du rendement d’une boîte mécanique.
·        Un couple de sortie limité par le couple du moteur thermique, par la puissance instantanée de la batterie et par les rapports fixes du train épicycloïdal.

En termes de rendement, l’intérêt d’une telle transmission par rapport à une boîte  conventionnelle :
·        soit mécanique conventionnelle à 6 vitesses très bien utilisée,
·        soit automatique pilotée, par exemple à 6 vitesses, ou type DSG de Volkwagen à 7 vitesses et 2 embrayages,
reste à démontrer. Ses points forts demeurent  les très petites vitesses, et la récupération d’énergie au freinage (descente ou ralentissement) qui caractérisent la circulation urbaine.

La Toyota Prius affiche pourtant une émission de CO2, et donc une consommation, inférieures aux véhicules conventionnels comparables en cycle routier. Pourquoi ? Il y a deux raisons, qui n'ont rien à voir avec sa transmission hybride :

  • Aérodynamique :La Prius affiche un Cx de 0,25 un peu inférieur à celui de ses proches concurrentes
  • Motorisation : La Prius 3 est équipée d’un moteur thermique à cycle Atkinson. Cette variante du cycle Beau de Rochas, anciennement connue, mais très rarement utilisée, permet d’améliorer le rendement au détriment de la puissance pour une cylindrée donnée. L'amélioration n'étant significative que dans une plage de fonctionnement assez étroite, cette technologie est donc ici bien adaptée car l'hybridation permet précisément de faire travailler le moteur le plus souvent dans cette plage.




Véhicules hybrides non rechargeables

Table des matières de ce blog


Parmi les véhicules dits « électriques », cette catégorie est actuellement de loin la plus répandue, tirée par Toyota avec sa Prius et son « Hybrid Synergy Drive », et poussée par des subventions.

Remarques préalables :

« Hybride » signifie que le véhicule dispose, en plus du moteur thermique conventionnel, d’un ou plusieurs moteurs électriques, et d’une batterie associée. On peut imaginer que l'hybridation soit autre qu'électrique, et notamment à volant d'inertie ou à air comprimé permettant de stocker l'énergie.

« Non rechargeable » ou « no plug » signifie que la batterie n’est en aucun cas rechargée par le réseau électrique, mais toujours par le moteur thermique via le moteur électrique alors utilisé en générateur.

Il s’en suit que ces véhicules, bien que dits hybrides, n’utilisent en fait qu’une seule énergie : celle du carburant transformée en énergie mécanique par le moteur thermique. Le caractère hybride ne concerne que la transmission de cette énergie mécanique:
·        par voie mécanique, ou par voie électrique,
·        pour cette dernière, immédiate, ou différée par la batterie.

Puissance électrique d’un véhicule hybride

Contrairement à un moteur thermique, un moteur électrique, capable de fournir en permanence une puissance déterminée, est aussi capable de fournir beaucoup plus en étant suralimenté, au prix d’un échauffement qui limite la durée de cette puissance accrue, d’autant plus courte qu’elle sera élevée. Les puissances annoncées pour les moteurs électriques sont des puissances de crête, ou proches de celles-ci.

Un véhicule hybride va donc disposer :
·      d’un moteur thermique de cylindrée plus ou moins réduite, fournissant un peu plus de la puissance maximum nécessaire pour rouler à la vitesse de croisière sur sol horizontal,
·       d’un ou plusieurs moteurs électriques dont les fonctions dépendent du niveau d’hybridation, lui-même dépendant principalement de la puissance du moteur électrique et de la capacité de la batterie associée, comme explicité ci-dessous.

Niveaux d’hybridation

L’énergie électrique peut intervenir de différentes manières  dans le fonctionnement des véhicules comportant un moteur thermique. On classe les véhicules par niveau d’hybridation croissant, comme suit :

Stop and Start (Microhybride) : L’alternateur et le démarreur conventionnels sont remplacés par une machine électrique unique, couplée au moteur par courroie,  qui permet :
·        de charger la batterie quand le moteur tourne, comme un alternateur,
·        de faire démarrer le moteur thermique quand il est arrêté, comme un démarreur, mais silencieux et avec une durée de vie accrue.
Le moteur du véhicule s’arrête automatiquement quelques secondes après l’arrêt du véhicule. Il redémarre automatiquement dès que l’accélérateur est sollicité. Ceci permet de réduire la consommation et les émissions en utilisation urbaine et dans les encombrements.

Start and Go (Freinage récupératif) : Avec les seuls éléments ci-dessus un peu plus largement dimensionnés, on peut obtenir un premier niveau de freinage par la machine électrique qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie. La limite de ce freinage est liée à la puissance de l’alternateur  (4 Kw dans l’exemple ci-dessous) et à la capacité de la batterie.

·        Un véhicule de 1400 kg roulant à 36 km/h (10 m/s) a une énergie cinétique de 70 KJ qui peut être absorbée par un alternateur de 4 Kw en 16 secondes (ralentissement très lent).

·        Le même véhicule roulant à 144 km/h (40m/s) a une énergie cinétique de 1 120 KJ qu’un freinage d’urgence doit absorber en 5 secondes. La puissance moyenne requise est de 224 Kw, qui seront dissipés à 98% par le freinage conventionnel.

·        En descente, la capacité récupérative de l’alternateur se limite à une pente de 1,5% à 72 km/h (20m/s), hors forces de roulement et aérodynamique prépondérantes. Elle est très faible. 

Ces exemples montrent que le freinage récupératif est un avantage essentiellement urbain. Un conducteur anticipant ses arrêts en tirera le meilleur parti.


Tableau extrait du rapport Syrota 2009

Mild hybrid (hybride léger) : Cette catégorie est dans son principe proche de la précédente, sauf en ceci que :
·        la machine électrique est montée entre l’embrayage et la boîte de vitesses,
·        sa puissance peut atteindre ou dépasser 10 Kw,
·        la capacité de batterie est augmentée en proportion.


Toutes les fonctions précédentes sont maintenues, mais la puissance électrique accrue permet :
·        un freinage récupératif 3 fois plus efficace, qui devient significatif
·        une petite aide aux accélérations qui aboutit à maintenir les performances avec un moteur thermique un peu moins puissant.

Cette solution réduit comme les précédentes, et un peu mieux qu’elles, la consommation et les émissions en ville, et apporte en plus un léger gain en utilisation routière en raison de l’utilisation d’un moteur moins surabondant, ayant donc un meilleur rendement. Elle ne permet pas un fonctionnement uniquement électrique du véhicule : en dehors de l'arrêt du véhicule, le moteur thermique tourne en permanence.

Full hybrid (hybride intégral) : Cette catégorie accède au fonctionnement uniquement électrique sur des distances courtes, tout en conservant le carburant comme unique source d’énergie. Elle requiert une puissance électrique d’au moins 30 kw, et une batterie d’une capacité d’au moins 1 Kwh pouvant fournir par exemple 10 Kw pendant 6 minutes à petite vitesse, soit une autonomie (à pleine décharge) de l’ordre de 4 km.

La diversité des fonctions assurées, et la recherche de l’optimisation des rendements, notamment du moteur thermique, par une commande numérique complexe, amène à des architectures de transmission variées, pouvant être très différentes des architectures conventionnelles. Voir fiche sur la « Toyota Prius 3 ».

La puissance électrique significative permet :
·        un freinage récupératif beaucoup plus important : pente à 10% à 20 m/s, ou de 20 m/s à l’arrêt en 9 secondes sur du plat,
·        une assistance significative aux accélérations qui permet elle-même..
·   une réduction significative de la puissance du moteur (« downsizing ») permettant d’améliorer son rendement en toutes circonstances, sans perte de perfomance,
·        un fonctionnement purement électrique en usage urbain ou encombré sur de courtes distances.

Architectures des transmissions hybrides

Hybride série : c’est une transmission purement électrique : le moteur thermique  et la génératrice constituent un groupe électrogène qui alimente un moteur électrique qui entraîne l’arbre de transmission. La batterie située sur la transmission électrique permet de stocker ou au contraire de fournir de l’anergie selon les conditions d’utilisation.

Cette transmission a l’inconvénient évident d’un rendement médiocre, produit des rendements de chacune des deux machines électriques. Pratiquement, on ne la rencontrera que sur des véhicules hybrides connectables ayant une batterie de bonne autonomie. Le groupe électrogène est alors qualifié de "prolongateur".


Hybride parallèle : Un moteur thermique est suivi d’une transmission classique : embrayage, boîte de vitesses. Le couple d’entrée de boîte peut se voir augmenté ou réduit par l’intervention d’une machine électrique reliée à une batterie et couplée à la même entrée. Cette transmission est pratiquement la seule utilisée dans les premiers niveaux d’hybridation.


  
Hybride à dérivation de puissance : Outre une transmission mécanique conventionnelle ou non, la transmission comporte deux machines électriques :
·        l’une essentiellement génératrice, en sortie du moteur thermique,
·        l’autre, essentiellement moteur, en sortie de transmission mécanique.
Il est ainsi possible de transmettre de l’énergie mécanique à l’arbre de transmission :
·        en partie par voie mécanique, comme dans un véhicule conventionnel,
·        en partie par voie électrique, comme dans un hybride série,
·        et de maîtriser cette répartition.
La batterie intervient, en apport ou prélèvement d’énergie, au niveau de la chaîne de transmission électrique.
Cette dualité permet une simplification importante de la chaîne de transmission mécanique. La médiocrité du rendement évoquée à propos des transmissions série subsiste, mais est limitée à une petite partie de la puissance.


Ce type de transmission est notamment celui de la Toyota Prius qui fait l'objet d'un message dédié.

Avantages possibles du véhicule hybride (selon les architectures)

·    Moteur thermique plus petit, fonctionnant plus près de sa plage de rendement optimum, consommant un peu moins en fonctionnement routier ou autoroutier usuel.
·        Capacité de freinage récupératif : le premier niveau de freinage est assuré par le moteur électrique fonctionnant en générateur qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie, dans la limite de sa capacité, au lieu de la dissiper en énergie thermique dans les freins.
·       Capacité à rouler en mode électrique en circulation urbaine encombrée, moteur thermique arrêté, avec une consommation énergétique nulle à l’arrêt et très faible à petite vitesse.
·        Tous les facteurs ci-dessus aboutissant à une baisse très significative de la consommation, particulièrement en trafic urbain.
·        Silence incomparable en mode électrique

Limites des véhicules hybrides

·        Très faible autonomie en mode électrique, limitée à quelques kilomètres
·        Intérêt limité sur trajets routiers ou autoroutiers
·        Compliqué et coûteux
·        Plus lourd et moins de volume utile à cause des batteries
·        Durée de vie limitée et prix élevé des batteries

Conclusion

En l’absence de subventions, ce type de véhicule n’est compétitif que pour une utilisation essentiellement urbaine et périurbaine.

Les subventions ajoutées à l’effet de mode verte habilement utilisée par les constructeurs, ont élargi son marché à l’utilisation mixte, grâce à une autonomie normale, mais sans avantage particulier.

Cette situation pourrait évoluer à moyen terme avec l’augmentation du coût des produits pétroliers, et/ou la réglementation des émissions de CO2, qui justifieraient l’investissement dans un véhicule plus coûteux, mais consommant moins.



Moteur thermique à cycle d'Atkinson - Amélioration des rendements


L’augmentation du prix du pétrole et la nécessité de réduire les émissions de CO2 ont conduit les motoristes à accorder une importance croissante au rendement des moteurs, fût-ce au détriment du ratio puissance / cylindrée. Nous nous plaçons ci-dessous dans le cas d’un moteur à essence à allumage électronique et injection directe, et procédons à la comparaison d'un moteur conventionnel à 4 temps et d'un moteur à cycle d'Atkinson, aussi appelé "à 5 temps".

Dans un but de simplification, la comparaison ci-dessous est effectuée sans avance à l’allumage et avec mouvements de soupapes supposés instantanés aux points morts haut ou bas. Les calculs de rendement sont effectués sur le seul rendement de combustion, en négligeant pertes thermiques dans les cylindres, frottements, pertes de charge à l’admission, et entraînement des auxiliaires (pompes à huile et à eau, arbre à cames…). Ces facteurs n’étant pas différents dans les deux variantes, les écarts restent significatifs. Les températures sont des températures absolues, en degrés Kelvin  (°K = °C + 273,3).

Le cycle d’Atkinson est une variante du cycle classique, dit Beau de Rochas. Il lui est très semblable, à l’exception d’un seul paramètre : au lieu de fermer la soupape d’admission dès le premier point mort bas, cette soupape reste ouverte pendant un angle supplémentaire. Dans l’exemple ci-dessous, cet angle est de 60 degrés, correspondant à un quart (1/2 cos 60°) du volume balayé par le piston. Pendant cette phase, le piston refoule de l’air hors du cylindre via la soupape d’admission.

La soupape d’admission se ferme alors. Le piston poursuit sa course jusqu’au point mort haut, et provoque une compression adiabatique (sans échange de chaleur) de l’air admis. Le volume résiduel (chambre de combustion) doit être réduit dans la même proportion que la cylindrée, soit de ¼  dans l’exemple ci-dessous, pour ne pas modifier le rapport volumétrique et obtenir ainsi la même pression finale.

Après injection et allumage au voisinage du point mort haut, la chaleur produite par la combustion de l’essence échauffe l’air à la température t1 à volume constant : la pression, proportionnelle à la température absolue, monte. Notons que la quantité d’air admis étant plus faible (3/4) dans le cycle d’Atkinson, la quantité d’essence à injecter doit être réduite dans la même proportion, mais les pressions et températures avant et après allumage restent inchangées.

Dans les deux cycles, la détente adiabatique s’effectue sur la totalité du volume balayé par le piston. Mais cette similitude n’est qu’apparente : la quantité de gaz à détendre étant moindre dans le cycle d’Atkinson, cette détente est plus complète. Il s’en suit qu’au point mort bas, à l’ouverture de la soupape d’échappement, la pression et la température (t2) sont moindres.
Le rendement thermodynamique résulte du principe de Carnot-Clausius qui s’écrit : r = 1- t2 / t1
Si t2 décroît, avec t1 constant, le rendement s’améliore.

En revanche, la quantité d’air et d’essence étant réduite, ici de 1/4, la puissance est réduite dans les mêmes proportions, réduction partiellement compensée par l’amélioration du rendement.

Le graphe théorique Pression vs. Volume ci-dessous, dit de "Clapeyron", permet de comparer les deux cycles :
·        Beau de Rochas en bleu
·        Atkinson en rouge
Pour chacun d'eux, l’énergie mécanique produite est proportionnelle à l’aire comprise entre :
·        la courbe inférieure, relative à la compression,
·        la courbe supérieure, relative à la détente,
l’échelle étant de 125 joules par carreau.

                                       Graphe établi par l'auteur

On observe de façon évidente que la surface entre les courbes rouges (environ 2,8 carreaux) est inférieure à la surface entre les courbes bleues (environ 3,4 carreaux), traduisant la puissance du cycle Atkinson réduite d’environ 20%.

L’amélioration du rendement ne se voit pas sur ces courbes, mais est apparente sur les courbes de température ci-dessous:



                                Graphe établi par l'auteur

Le tableau ci-dessous explicite les valeurs théoriques des différents paramètres. Il est construit dans l’hypothèse d’un moteur monocylindrique de 1 litre de cylindrée tournant à 50 t/sec (3000 t/min) : à partir d’une même température initiale t1 de 1474 °K, le cycle d’Atkison permet de réduire la température en fin de détente de 637°K à 575 °K, amenant une amélioration du rendement thermodynamique de 7%.

Le travail fourni par cycle, et donc la puissance, sont proportionnelles à la cylindrée, donc réduites de 25% dans l’exemple ci-dessous. L’amélioration du rendement de 7% permet en réalité d’obtenir :
                                       75% x 107% = 80%.
La perte de puissance est donc finalement de 20%. Son calcul direct aboutit au même résultat.


Les puissances dans les conditions du tableau, sont d’environ :
·        10,7 kw en Beau de Rochas,
·        8,6 kw en Atkinson.
Bien entendu, la puissance d’un moteur similaire de 1,8 litres, à 5 200 t/min et plein remplissage (cas du moteur de la Toyota Prius 3) serait environ :
1,8            x       5 200/3000      x          2,5       = 6,24 fois plus puissant
cylindrée x vitesse de rotation x remplissage

Evolutions ultérieures

On a vu ci-dessus :
·    Que le cycle d’Atkinson améliore le rendement au détriment de la puissance maximum  du moteur. Ce cycle est donc préférable aux puissances intermédiaires, qui sont les plus fréquentes, mais nuisible quand une puissance élevée est requise.
·    Qu’il ne diffère d’un moteur conventionnel que par la fermeture tardive de la soupape d’admission qui vient réduire la cylindrée de compression, cette réduction se retrouvant aussi sur le volume de la chambre  de combustion, afin de maintenir le rapport volumétrique.

En pratique, l'amélioration du rendement n'est significative que dans la zone de rendement optimum du moteur. Cette technologie est donc bien adaptée aux moteurs de véhicules hybrides qui, précisément, optimisent le point de fonctionnement, ou aux boîtes automatiques à grand nombre de raports, genre VW et ZF à 7 ou 9 rapports qui ont le même but.

Ajoutons à un moteur conventionnel deux autres perfectionnements :
·       La commande électromagnétique ou pneumatique des soupapes d’admission, dont la fermeture peut ainsi être effectuée à n’importe quel angle,
·       Une géométrie à taux de compression variable. Il en existe différentes variantes. Dans la plus simple (dessin ci-dessous), le palier de vilebrequin est le point intermédiaire d’un palonnier dont une des extrémités pousse le piston, et l’autre a une position ajustable par vérin hydraulique. La descente du vérin fait donc remonter le piston, et diminue ainsi le volume de la chambre de combustion. Il en existe d’autres, notamment assurant une petite variation de la distance culasse-vilbrequin par une légère rotation de la culasse autour d’un axe décentré parallèle au vilebrequin.

Ces complications coûteuses amènent en contrepartie des avantages importants. Le même moteur peut fonctionner :
·      à puissance réduite selon cycle d’Atkinson avec fermeture fortement retardée de la soupape d’admission, et volume de la chambre de combustion réduit en conséquence, donc avec un excellent rapport de détente,
·        à pleine puissance selon cycle conventionnel Beau de Rochas, sans retard de fermeture, et volume de chambre normal
·    aux puissances intermédiaires avec des valeurs intermédiaires de ces paramètres permettant une optimisation continue du rendement selon la puissance nécessaire.

Ce type de solution se développera avec l’inévitable augmentation du coût des carburants et la chasse aux émissions de CO2. Elle n’est évidemment pas incompatible avec une transmission hybride, mais ne lui est pas liée non plus.

Puissance d'un véhicule à moteur thermique

Un moteur thermique de type automobile est capable de fournir sa puissance maximum en continu, mais pas plus, même fugitivement. Sa puissance est donc facile à définir. Elle détermine :
·        vitesse de pointe (forces aérodynamique prépondérante, et de roulement, à vaincre),
·        capacité à gravir une pente (énergie potentielle à fournir)
·        et capacité à accélérer à une vitesse donnée (énergie cinétique à fournir).
Cette puissance s’exprime en KW, ou, selon un vieil usage en chevaux (1 CV = 0,736 kw).

La puissance des véhicules contemporains est souvent très surabondante par rapport à leurs conditions habituelles d’utilisation. Prenons par exemple une voiture de 90 KW (122 cv), pesant 1 400 kg, dont la vitesse maximum est spécifiée à 55 m/sec (près de 200 km/h). Pour rouler à 38 m/sec (maximum toléré) sur une autoroute en côte de 4% (maximum selon les normes), il lui faut en réalité :
·        30 kw permanents pour vaincre les forces aérodynamiques et de roulement,
·        21 kw occasionnels pour monter la côte pendant moins de 5 minutes,
·        soit au total 51 kw.
Il lui reste encore 39 kw disponibles, très rarement utilisés, qui apportent un confort de conduite en conservant une capacité d’accélération.

Ceci est encore plus vrai en utilisation urbaine. Les puissances réellement utilisées sont :
·        négatives en décélération
·        nulles à l’arrêt
·        significatives, mais très inférieures au maximum, à l’accélération
·        très faible, de l’ordre de 5%, en fonctionnement à vitesse stabilisée de 50 km/h.
·        et donc en moyenne extrêmement basses.

Prix des carburants



Le graphique ci-dessus met en relief que, contrairement à une idée répandue, le prix TTC des carburants en monnaie constante depuis 1973, juste après le 1er choc pétrolier, n’a augmenté que d’environ 50% pour le gazole, et moins pour l’essence. Pour apprécier cette augmentation à sa juste valeur, il faut avoir à l’esprit deux ordres de grandeur. Depuis 1973 :
·        le pouvoir d’achat a doublé
·        la consommation moyenne des véhicules a été divisée par deux
·        le diesel, qui reste moins cher est devenu très majoritaire, à l’opposé de la situation initiale.
Il s’en suit que le coût du kilomètre parcouru,  exprimé en heures de travail de l’automobiliste, a été divisé par 3 à 4. On est donc actuellement bien loin d’un écroulement du marché dû au prix du carburant.

Il n’en demeure pas moins que :
·      le prix du pétrole brut, qui n’est pas lissé par une TIPP constante, voire décroissante, a été multiplié par 4 par rapport à son plateau des années 80 et 90,
·       la demande mondiale de pétrole, qui augmente beaucoup plus vite que les réserves prouvées, au mieux stagnantes, continuera à tirer rapidement les prix vers le haut,
·        la nécessaire limitation des émissions de CO2 amènera tôt ou tard à taxer ou à encadrer celles-ci.

Il y adonc lieu de se préoccuper de la réduction de la consommation de produits pétroliers :
·     Les plus grands potentiels d’économie à court terme  sont dans la production électrique et dans le chauffage résidentiel et tertiaire, qui peuvent être réduits par une meilleure efficacité énergétique, et assurés par voie électronucléaire, donc sans hydrocarbures ni émissions.
·      La pétrochimie et les avions n’ont à l’inverse que  peu de potentiel d’amélioration.
·     L’automobile est dans un cas intermédiaire : la réduction à moyen terme de la consommation d’hydrocarbures, et leur substitution à plus long terme, apparaissent possibles, mais compliquées et coûteuses. La taille énorme de cette industrie ne permet pas d’envisager une transition courte. Il y a donc lieu se commencer cette évolution sans délai, en commençant par certain segments de marché, tels les flottes urbaines.

Rendement d’un moteur thermique

Le diagramme ci-dessous donne, dans le plan couple vs. vitesse de rotation d’un moteur conventionnel à essence :
·        la courbe de couple maximum (limite supérieure de la zone colorée)
·        les courbes d’iso-rendement séparées par des couleurs du vert foncé au rouge foncé
·        les hyperboles d’iso-puissance repérées de 10% à  100% de la puissance du moteur

On observe, en suivant n’importe laquelle de ces hyperboles, que le rendement est bon aux couple élevés et vitesse basses, et inversement mauvais aux couples bas et vitesses élevées.

On peut déterminer pour chacune des hyperboles le point de meilleur rendement. Ces points déterminent la courbe en trait noir gras sur le graphique. Celle-ci :
·        se situe à peu près à 80% du couple maximum jusqu’à demi-puissance, avec des rendements élevés (35% à 31%) jusqu’aux ¾ de la puissance,
·     se confond au-delà avec la courbe de couple maximum, avec des rendements fortement décroissants jusqu’à 26% à puissance maximum.

La zone de rendement optimum se  situe autour de 40% de la puissance maximum du moteur. Dans notre exemple ci-dessus, ceci correspond à 36 kw, ce qui est déjà plus que la puissance permanente sur autoroute aux vitesses licites, et donc a  fortiori beaucoup plus que les puissances nécessaires dans les autres circonstances.  Ceci explique pourquoi, sur le diagrammes ci-dessous, pour de mêmes cycles d’essai conventionnels, la consommation du véhicule croît fortement avec la puissance maximum de son moteur, alors même que cette puissance n’est pas utilisée dans l’essai.


La recherche de l’économie de carburant, synonyme de réduction des émissions de CO2, doit donc s’orienter vers :
·     l’amélioration du rendement des moteurs thermiques, notamment à travers la réduction des cylindrées (« downsizing »), la puissance de crête étant souvent conservée par l’adjonction d’un turbocompresseur, et aussi par l’utilisation de technologies nouvelles ou encore peu utilisées, mais assez coûteuses : cycle d’Atkinson, commande électromagnétique des soupapes, taux de compression variable…
·      l’utilisation de boîtes de vitesses à rapports nombreux, ou à variation continue,  permettant de choisir au mieux le compromis couple / vitesse de rotation sur l’hyperbole iso-puissance,
·        l’automatisation de ce choix par un système électronique disposant de données lui permettant d’être plus pertinent l’intuition du conducteur, notamment pour les boites automatiques à 2 fois 3 vitesses et 2 embrayages en cours d'expansion.
·        l’hybridation, qui permet de stocker de l’énergie électrique produite à partir du moteur thermique dans de bonne conditions de rendement, et de la réutiliser pour les très basses puissances, moteur thermique arrêté.

Autres facteurs de consommation

La force aérodynamique, proportionnelle au carré de la vitesse, mais aussi proportionnelle à S Cx, où S est la maîtresse section du véhicule (en m²) et Cx le fameux coefficient de forme.
·        Le Cx, objet de nombreuses publicités,  a fait d’énormes progrès, soit presque une division par 2 en 40 ans, arrivant à 0,25, pour une limite théorique à 0,16.  
·        En revanche, le S, discrètement passé sous silence, a augmenté sur les berlines dont la largeur a augmenté de 20%, et plus encore sur les monospaces dont la hauteur a augmenté de 30%, pour d’excellentes raisons d’habitabilité et d’encombrement au sol. Si l’économie de carburant devient prépondérante, il y a là un gisement d’amélioration considérable, au moins par un facteur 2 pour de petits véhicules « tandem ».

La masse du véhicule impacte directement :
·    la consommation urbaine dans laquelle la création d’énergie cinétique est prépondérante, sauf à la récupérer, en général partiellement, par un freinage électrique récupératif,
·        la consommation en montagne, avec la même remarque,
·        faiblement, la résistance au roulement.
La réduction de cette masse, qui a presque doublé en 40 ans, est envisageable dans un moindre rapport compte tenu des standards de confort et de sécurité actuels.