Fonctionnement du moteur à cycle Atkinson

Les moteurs à cycle Atkinson sont des moteurs à combustion interne dont les cycles à quatre temps sont pratiquement identiques à ceux du cycle Otto, mais dont l’inconvénient est de fournir une puissance inférieure. En revanche, ils utilisent mieux le carburant, ce qui permet d’obtenir de meilleurs chiffres de consommation.

À l’origine, et contrairement au fonctionnement actuel, le moteur à cycle Atkinson accomplissait les quatre temps (admission, compression, détente et échappement) en un seul tour de vilebrequin. Les moteurs à cycle Otto nécessitent deux tours de vilebrequin pour accomplir les mêmes temps.

Aujourd’hui, ce concept a évolué, et la principale différence entre un moteur à cycle Otto et un moteur à cycle Atkinson réside dans le fait que, pendant une partie de la course de compression (environ la moitié), les soupapes d’admission restent ouvertes. Ceci est obtenu en modifiant les cames d’admission de l’arbre à cames, ce qui offre l’avantage de réduire considérablement les pertes du moteur liées à la compression du mélange.

Fonctionnement d’un moteur à cycle Atkinson

Dans un moteur à cycle Atkinson, on retrouve les quatre temps d’un moteur essence, avec l’admission, la compression, l’explosion et l’échappement. Toutefois, dans ce type de moteur, la soupape d’admission se ferme tardivement pendant la phase de compression, ce qui réduit la compression réelle, car celle-ci ne commence réellement qu’une fois la soupape d’admission fermée. Le taux de compression peut ainsi être réduit de moitié par rapport à une fermeture plus précoce, comme c’est le cas dans un cycle Otto à quatre temps traditionnel.

Avec cette modification, pendant la course de compression (moment où le mélange d’air et de carburant précédemment aspiré est comprimé) et parce que les soupapes d’admission restent ouvertes, une partie du mélange est renvoyée dans le collecteur d’admission.

Le taux de compression d’un moteur correspond au volume d’air de la course de compression plus le volume d’air de la chambre de combustion, divisé par le volume d’air de la chambre de combustion.

Pendant la course de compression, ce taux est de 8:1, car il commence à être comptabilisé au moment où la soupape d’admission se ferme, tandis que pendant la course de détente il est de 13:1, correspondant au déplacement du piston vers le bas avec les soupapes fermées (seule course où un travail est effectivement produit).

En raison de cette asymétrie, lorsque le cycle de travail se termine et que les soupapes d’échappement s’apprêtent à s’ouvrir, la pression interne du cylindre est à peu près égale à la pression atmosphérique, alors que dans un moteur essence conventionnel elle est légèrement supérieure, ce qui signifie que toute la force poussant le piston vers le bas n’a pas été exploitée.

Par ailleurs, le déplacement du piston lors de sa course ascendante remplit le collecteur d’admission (rappelons que les soupapes d’admission restent ouvertes jusqu’à environ la moitié de la course), ce qui entraîne une augmentation de la pression à l’intérieur (celle-ci étant toujours inférieure à la pression atmosphérique), favorisant le remplissage des autres cylindres et réduisant au minimum les pertes dues au reflux des gaz.

La contrainte mécanique des moteurs à cycle Atkinson est inférieure à celle des moteurs à cycle Otto, car leur taux de compression est plus faible, ce qui assure une plus grande durabilité de la mécanique.

Par ailleurs, leur coût de production est similaire à celui d’un moteur essence conventionnel. Il en va de même pour leur poids, leur bruit et leurs émissions polluantes, loin du coût élevé, du poids et du bruit des moteurs diesel.

Inconvénients des moteurs Atkinson

Jusqu’ici, nous n’avons présenté que les points forts de ces moteurs. Il est temps d’expliquer pourquoi ces moteurs ne sont pas montés sur des modèles autres que les hybrides.

Le principal inconvénient est que, en comprimant une moindre quantité de mélange, la force de poussée sur la tête du piston au moment de l’étincelle est inférieure à celle d’un moteur conventionnel, ce qui conduit à des moteurs moins puissants. Un exemple en est le moteur de 1 800 cm§h40Fordh41§ de la Toyota Prius de troisième génération, qui ne développe qu’une puissance de 100 CV.

En raison de la configuration des temps, le régime maximal de rotation de ces moteurs est limité à environ 5 000 tr/min, et la puissance spécifique (puissance obtenue à partir de la cylindrée) est faible, ce qui implique que ces moteurs délivrent la même puissance qu’un moteur de cylindrée inférieure, donnant au conducteur l’impression que sa voiture manque de puissance.

Toutefois, dans un véhicule hybride, cette sensation ne se produit pas, car la puissance provient du moteur électrique et d’une boîte de vitesses de type CVT (transmission à variation continue), qui se charge de maintenir le moteur à son régime optimal.

Pour être clair, la fonction du moteur à combustion d’un véhicule hybride se limite à maintenir son inertie une fois que l’accélération a cessé ; le reste est assuré par le moteur électrique.

Pourquoi le cycle Atkinson

Le moteur à cycle Atkinson s’est popularisé avec l’introduction et la commercialisation des véhicules hybrides, c’est-à-dire ceux qui fonctionnent avec un moteur à combustion interne associé à un moteur électrique.

Le cycle Atkinson, dérivé du cycle Otto, est très utilisé dans les voitures hybrides, car il permet d’améliorer le rendement global et d’obtenir ainsi une faible consommation de carburant. Mais avec l’arrivée de technologies plus avancées, la synchronisation des soupapes a été modifiée pour que le mécanisme fonctionne de la même manière que celui développé en 1882 par James Atkinson.

Il en résulte des taux de compression plus élevés, ce qui permet à l’explosion du mélange de se produire bien plus tôt que dans un Otto, améliorant ainsi le rendement thermodynamique. Comme nous l’avons indiqué précédemment, cela s’obtient en retardant la fermeture des soupapes d’admission, ce qui permet aux gaz de refluer dans la chambre, autorisant un taux de compression supérieur.

Parmi les voitures utilisant actuellement cette configuration de groupe motopropulseur, on trouve la Toyota Prius, la Ford Escape, la Lexus RX 450h, la Hyundai Sonata, la Chevrolet Volt, la KIA Niro, la Hyundai Elantra et la KIA Forte, entre autres, où les constructeurs coréens misent résolument sur l’intégration de cette technologie dans une gamme de véhicules toujours plus large.