mercredi 28 décembre 2011

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.