Le ronronnement familier des moteurs du 20e siècle disparaîtra peu à peu dans les années à venir. "Le passage à la propulsion électrique se fera progressivement", déclare Christian Bach, directeur du laboratoire Automotive Powertrain Technologies à l'Empa. "Mais pour certaines applications, il sera difficile, voire impossible, de se passer des moteurs à combustion".

Même la société Deutz AG de Cologne, riche en traditions, fait ses adieux au moteur à combustion comme modèle commercial porteur. L'entreprise a été fondée en 1872 par Nikolaus August Otto, a compté Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach parmi ses employés et a construit le premier moteur à quatre temps du monde en 1876. Frank Hiller, le PDG de Deutz AG, prévoit désormais de réaliser la moitié du chiffre d'affaires de l'entreprise avec des moteurs à hydrogène et des systèmes à propulsion électrique dès 2031, comme le rapporte le magazine allemand Manager Magazin. L'argent nécessaire à la transformation doit être généré à l'aide des moteurs à combustion traditionnels. Hiller s'attend à ce que les moteurs à combustion soient encore utilisés plus longtemps, par exemple pour les machines de construction et de récolte, écrit le magazine. Le groupe disposerait ainsi d'un peu de temps pour la transition.

La recherche sur le moteur à combustion se concentre donc sur les deux à trois prochaines décennies. L'objectif est d'émettre le moins possible de gaz à effet de serre. Il s'agit d'une part des émissions de CO2 des moteurs et d'autre part du méthane, un gaz à effet de serre particulièrement puissant. Le méthane produit à partir d'électricité verte, également appelé syngaz, est l'un des produits clés de la mobilité de demain. Mais ce méthane produit de manière neutre pour le climat ne doit pas non plus s'échapper du pot d'échappement sans avoir été brûlé, sinon on n'aurait pas gagné grand-chose en termes d'effet de serre.

Nous avons donc besoin d'une nouvelle génération de moteurs économiques et devons en même temps surveiller de près la composition des gaz d'échappement, afin que là où les moteurs à combustion sont irremplaçables, il y ait le moins de dégâts possibles sur le climat. Les deux pages suivantes vous expliquent comment l'Empa aborde cette tâche.

Mourir peut attendre : le moteur à combustion interne. Image: istock

Les émissions en conditions réelles de conduite peuvent être mesurées à l'aide d'une technique appelée télédétection. Le système de mesure saisit sans contact les concentrations de polluants dans les gaz d'échappement des véhicules qui passent. Lors d'une mesure, les véhicules traversent une barrière lumineuse générée par des sources d'ultraviolets et d'infrarouges. L'absorption de la lumière de différentes longueurs d'onde permet de déterminer la concentration de polluants à l'aide d'un spectromètre. Le système de mesure est donc fixe sur place et attend les émissions des véhicules qui passent pour déterminer les émissions réelles dans les conditions qui prévalent instantanément à l'endroit de la mesure.

En collaboration avec l'Office fédéral des routes (OFROU), l'Empa a évalué deux appareils de mesure qui sont déjà sur le marché. L'objectif à long terme est de détecter les véhicules dont le système d'échappement ou la commande du moteur sont défectueux dans le trafic fluide, de faire vérifier les valeurs des gaz d'échappement en laboratoire et d'exiger du propriétaire d'éventuelles réparations.

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Pour réduire les gaz à effet de serre, les moteurs à combustion pourraient à l'avenir fonctionner avec des biocarburants comme l'huile végétale ou des synfuels comme le polyoxyméthylène diméthyléther (OME). L'OME peut par exemple être produit à partir d'hydrogène vert et de CO₂ de l'air. Il peut être utilisé dans les moteurs à allumage par compression (moteurs diesel).

Mais jusqu'à présent, on ne sait pas quelles particules de suie sont produites par ces carburants alternatifs et de quelle manière on peut les éliminer des gaz d'échappement. Dans le laboratoire de l'ETH Zurich, un moteur monocylindre a été utilisé avec de l'huile végétale et de l'OME, ainsi qu'avec différents mélanges de carburants. L'Empa a collecté la suie produite dans des filtres à particules et a brûlé le filtre dans des conditions contrôlées. Résultat : l'OME a produit beaucoup moins de particules de suie, mais celles-ci étaient difficilement inflammables et ne pouvaient donc être éliminées du filtre à particules qu'à une température plus élevée.

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Le méthane peut lui aussi être produit à partir d'hydrogène vert et de CO₂ de l'air et convient donc comme synfuel climatiquement neutre pour les camions pour le transport longue distance. Mais il y a un problème : le méthane non brûlé s'oxyde difficilement dans un catalyseur. Il se glisse alors dans l'atmosphère par le tuyau d'échappement et provoque un effet de serre qui, selon les considérations, est 30 à 80 fois plus important que celui du CO₂. Le gain écologique des camions fonctionnant au méthane serait donc réduit. L'Empa a entrepris des tests au banc d'essai avec des moteurs de camions fonctionnant avec un mélange "riche" (avec un excédent de carburant), un mélange "pauvre" (avec un excédent d'air) et un mélange "lambda un" (méthane et oxygène dans un rapport de combustion approprié). Cela correspond à un camion qui doit monter ou descendre une côte à vitesse constante.

Un essai sur modèle a permis d'étudier les processus chimiques qui doivent avoir lieu dans le catalyseur pour que le méthane non brûlé soit détruit dans la plus grande mesure possible - et ne produise pas d'effet de serre indésirable. Il a ainsi été possible de proposer un concept de catalyseur qui réduit considérablement les émissions de méthane. Il est ainsi possible pour les moteurs à gaz de satisfaire aux normes d'émission prévues pour la prochaine étape (Euro-7). 

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Le compresseur Comprex est, comme le turbocompresseur, une invention suisse. Le Comprex utilise des ondes de pression en contact direct entre les gaz d'échappement et l'air frais pour la suralimentation, alors qu'un turbocompresseur couple deux machines fluidiques (turbine et compresseur).

Dans les années 1980, les surcompresseurs Comprex ont été utilisés dans les voitures de tourisme diesel d'Opel et de Mazda. Mais le compresseur présentait des inconvénients : lors du démarrage à froid du moteur, la mise en place du processus d'onde de pression était difficile et les effets liés à la température lors des changements de charge entraînaient des problèmes d'émissions et d'efficacité.

Entre-temps, les ingénieurs de l'entreprise suisse Antrova AG ont perfectionné le compresseur Comprex : Soutenu par un moteur électrique, il fonctionne sans problème dans toutes les conditions et un nouveau design de ce que l'on appelle le rotor cellulaire résout complètement les difficultés rencontrées auparavant lors des changements de température. Les chercheurs de l'Empa, en collaboration avec un constructeur de véhicules utilitaires et le fabricant du Comprex, ont construit un moteur à gaz naturel équipé d'un tel compresseur "Comprex 2.0" et ont pu démontrer le très bon fonctionnement du nouveau design du Comprex, aussi bien en démarrage à froid qu'en fonctionnement à chaud et en dynamique. Contrairement à son équivalent turbo, le moteur fournit un couple extrêmement élevé pratiquement dès le régime de ralenti, ce qui améliore d'une part l'aptitude à la conduite et permet, en combinaison avec le fonctionnement Miller et une adaptation du rapport de transmission, de réaliser des économies de carburant.

Parallèlement, le catalyseur chauffe six fois plus vite qu'avec un moteur turbo, ce qui garantit de meilleures valeurs d'émission. Enfin, le Comprex permet un freinage moteur important - le conducteur d'un véhicule utilitaire devrait utiliser beaucoup moins souvent les freins mécaniques.

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Ces dernières années, l'Empa a développé une commande de soupapes électrohydraulique entièrement variable appelée FlexWork, qui peut être utilisée pour les moteurs à combustion et autres machines thermiques/pneumatiques. Entièrement variable signifie que la levée des soupapes ainsi que le moment de l'ouverture et de la fermeture peuvent être réglés librement, et ce même d'un cycle à l'autre. Utilisée sur un moteur à combustion, cette flexibilité totale offre de nouveaux degrés de liberté pour l'optimisation. Par exemple, la charge des moteurs à essence peut être réglée sans clapet d'étranglement et d'un cycle à l'autre, la pleine charge peut être optimisée et le moteur peut être adapté à différents carburants "par logiciel".

L'Empa a mis en place la commande des soupapes sur un moteur à allumage commandé et explore maintenant les possibilités offertes par cette nouvelle technologie. Une variante de la commande de charge est la désactivation des cylindres. Cela signifie que certains cylindres fonctionnent à charge élevée dans la plage de charge partielle, d'autres sont en même temps complètement désactivés en laissant toutes les soupapes fermées. Le passage soudain du fonctionnement avec tous les cylindres au fonctionnement avec des cylindres désactivés entraînerait toutefois des pics de couple indésirables, de sorte que la transition doit être réalisée en douceur. Dans les systèmes actuellement sur le marché sans commandes de soupapes entièrement variables, de telles déconnexions de cylindres sont déclenchées par des interventions d'allumage qui réduisent fortement l'efficacité. Avec la commande de soupapes entièrement variable de l'Empa, il est en revanche possible de désactiver certains cylindres sans perte d'efficacité.

Tout comme la désactivation complète de cylindres, il est également possible de les allumer moins souvent. Ainsi, un fonctionnement à quatre temps devient un fonctionnement à huit ou douze temps. Comparé à un moteur à quatre temps étranglé, un tel moteur fonctionne de manière nettement plus efficace.