Moteur Skyactiv-X : l'essence qui fonctionne comme un diesel ?
Plan de l'article :
Faisant grand écho dans la presse, le nouveau moteur de Mazda promet d'être un moteur essence révolutionnaire qui peut fonctionner à la manière d'un diesel. Est-ce réellement le cas ? Quelles sont les caractéristiques de ce moteur ?
Nous allons donc voir les grands principes du Skyactiv-X avec les informations distillées par Mazda.
A lire aussi : les différences entre essence et diesel
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Principe de fonctionnement
La promesse du Skyactiv-X est de pouvoir fonctionner en mélange très pauvre afin de limiter au maximum la consommation au maximum, on a donc ici deux modes de fonctionnement :
- Classique : richesse normale au niveau ratio air/carburant, comme n'importe quel moteur essence. On injecte air et carburant en bonne proportion et on allume le tout avec une bougie, bougie qui permet à elle seule de tout enflammer
- Pauvre avec auto-combustion : on injecte une très faible proportion de carburant par rapport au comburant (air), on allume le tout par pression / compression et non plus par l'étincelle de la bougie. Il faut impérativement comprendre qu'accroître la pression d'un gaz (l'écraser) le fait chauffer. Et on peut arriver à le faire chauffer suffisamment pour qu'il enflamme le carburant : c'est le principe du diesel. Ici on cherche à économiser du carburant en injectant bien plus d'air que d'essence (il y a d'ailleurs un compresseur qui permet de suralimenter en air)
Le souci est que le mélange voulu par Mazda est tellement pauvre qu'il ne peut plus être allumé simplement par la bougie ... Ils ont donc trouvé une solution : utiliser une méthode similaire au diesel, à savoir l'auto-allumage.
Fonctionnement classique
Découvrez les explications de chaque étape en bas du schéma.
- Etape 1 : admission de l'air et du carburant dans des proportions classiques, comme n'importe quel moteur essence
- Etape 2 : on se dirige vers le PMB, à savoir le point mort bas du piston. L'air et le carburant sont brassés et mélangés de manière homogène, ce qui fait la bonne qualité de combustion des moteurs essence qui génèrent alors moins de particules fines
- Etape 3 : le mélange air / carburant (mélange stoechiométrique, donc richesse classique) est compressé et monte en température (on s'en fiche un peu ici en réalité ...)
- Etape 4 : la bougie s'allume et la flamme se répand comme une trainée de poudre. Le mélange air / carburant est suffisamment chargé en carburant pour que la flamme se propage et que le tout brûle en totalité : cela dilate l'air qui pousse le piston vers le bas
Fonctionnement du Skyactiv-X en mélange pauvre / comme un diesel
Voici désormais son autre manière de fonctionner, à savoir comme un diesel en utilisant l'auto-combustion (plus d'explication sous le schéma).
FONCTIONNEMENT SPCCI
SPark Controlled Compression Ignition
"Mode diesel"
- Etape 1 : admission de l'air et du carburant dans des proportions spécifiques : on a ici un excès d'air par rapport au carburant qui induit donc un mélange pauvre
- Etape 2 : on arrive au PMB avec toujours un mélange pauvre
- Etape 3 : on compresse le tout pour gagner en température. Mais pour éviter toute auto-combustion non contrôlée, le mélange est ici très pauvre et ne s'allume pas de lui-même comme sur un diesel
- Etape 4 : pour provoquer la combustion il nous faut un petit surplus de pression (presser un gaz le fait chauffer je le rappelle), et ce surplus de pression sera obtenu en injectant un peu de carburant qu'on allume immédiatement avec la bougie. Cette petite boule de feu va se dilater et compresser tout le reste dans la chambre de combustion. Notez que cette étape rappelle grandement le fonctionnement stratifié de certains moteurs essence (c'est une autre technique pour tourner en mélange pauvre).
SI jamais je me limitais à une étincelle sans injection, le mélange ne prendrait entièrement pas car il est trop pauvre, seule une petite zone autour de la bougie prendrait un peu ... - Etape 5 : Cette surpression va alors induire une chaleur suffisante pour enflammer le mélange pauvre situé dans le reste de la chambre de combustion (le mélange admis en étape 1). Ici il n'y a pas de flamme qui se propage comme avec le fonctionnement normal, mais une combustion spontanée du mélange air / carburant grâce à la chaleur obtenue par pression. La boule de feu écrase le gaz alentour et induit que les "particules" d'essence s'enflamment (malgré la pauvreté). Ce type de combustion, comme avec un diesel, induit aussi une plus grande force
Phases de fonctionnement ?
Le mode pauvre / "diesel" ne peut être utilisé que sur des plages de régime limitées, à savoir jusqu'à 4500 tours/minute environ. Si vous cherchez la performance alors on repasse en fonctionnement classique, donc en pleine charge (accélérateur à fond) on sera principalement en mode standard.
Caractéristiques / spécifications du Skyactiv-X
Le Skyactiv-X a une injection directe qui monte jusqu'à 700 bars (pression d'injection), ce qui est bien supérieur aux autres moteurs essence qui se limitent à 300 bars environ. En effet, le mode auto-combustion induit une injection vers le point mort haut, quand le mélange est très compressé, il faut donc accroître la pression d'injection pour obtenir une vaporisation correcte dans la chambre de combustion.
Taux de compression
Il culmine ici à 16:1 alors qu'habituellement les essences ne dépassent pas les 12:1 (14:1 chez Mazda avec le Skyactiv-G mais ils sont une exception). En effet, la généralisation des turbos induit une baisse du taux de compression des moteurs (mais leur compression augmente, grâce au turbo donc, voir ici). Bref, il faut aussi savoir que plus on a un taux de compression élevé meilleur est le rendement moteur (et donc moins il consomme). Mais le problème étant toujours lié au fait que si on accroît trop ce taux, on a un moteur qui allume le mélange avant le PMH (du coup il s'autodétruit et ne fonctionne pas), on cherche donc à l'accroître le plus possible en évitant ce phénomène : la palme revient donc à ce moteur qui permet des taux de compression très important grâce à un mélange extrêmement pauvre qui ne s'auto-allume pas (l'auto-allumage est alors commandé comme vous avez pu le voir plus haut.).
Notez enfin que ce taux de compression est contrôlé (donc plus ou moins important) grâce à une admission variable qui permet de modifier la loi d'ouverture (leur durée) des soupapes.
Suralimentation ?
Oui, et si Mazda est habitué de proposer des moteurs atmosphériques, ici on a droit à un compresseur. Ce dernier n'est en revanche pas vraiment là pour la performance en suralimentant le moteur, il sert plutôt à appauvrir le mélange en gavant d'air les cylindres (si on ne compense pas en injectant plus de carburant on a alors un mélange pauvre).
Hybridation ?
Oui mais elle est extrêmement légère et n'a pas de rapport avec le fonctionnement en mélange pauvre. Il s'agit ici d'une petite aide (micro-hybridation) qui consiste juste à aider le moteur par la courroie accessoires (alterno-démarreur).
Le Skyactiv-X tient-il ses promesses ?
Au niveau marketing on peut dire que oui ! En effet, tous les médias relaient l'innovation technique de manière gratuite, un très bon plan pour Mazda ... Sachez que je ne critique pas cela (toujours intéressant l'innovation), je le décris juste. D'un point de vue technique on peut dire que les bénéfices semblent quand même exagérés ...
- Niveau consommation la marque estime de 20 à 30% de consommation en moins par rapport à un Skyactiv-G (essence), mais on ne sait sur quoi ça se base et surtout dans les faits c'est difficile à constater (on serait plutôt à 10% et encore, ça dépend vraiment du type de conduite et donc de l'activation du mode pauvre).
- Niveau pollution on est donc à des rejets de CO2 qui baissent dans les mêmes proportions, à savoir 20 à 30% mais plutôt 10% en réalité. En revanche, et c'est là que je n'apprécie pas ce moteur, c'est qu'il va générer plus de NOx et particules fines par rapport à un essence classique, et donc le Skyactiv-G. En fonctionnent en mélange pauvre on a plus de chaleur et donc apparition de NOx, et l'auto-combustion étant moins propre on se retrouver avec des particules fines ... Encore une fois, pour réduire un peu le CO2 on émet en contrepartie beaucoup de choses néfastes pour la santé (le CO2 ne concerne que l'effet de serre, et donc l'augmentation de la température sur Terre).
- Niveau puissance on est loin d'être à la hauteur d'un diesel, car le couple est ici bien décevant pour un moteur de 180 ch. On a en effet ici 224 Nm alors qu'un 2.0 HDI de PSA en propose 400 ! Bref, c'est un moteur qui reste assez creux (malgré un couple
Différences essence / diesel : les grandes lignes
L'une des principales différences entre essence et diesel est qu'un moteur essence a besoin d'une étincelle pour enflammer le combustible tandis qu'un diesel le fait grâce à la compression de l'air. Cette compression induit tellement de chaleur que le combustible s'enflamme de lui-même (enfin pas vraiment si on veut être précis, c'est bel et bien l'échauffement du gaz dans le cylindre qui enflamme le gazole).
Le diesel consomme moins en raison d'un mélange plus pauvre (fonctionne en excès d'air) et d'un taux de compression élevé (qui permet aussi d'avoir une compression importante qui mène à une forte chaleur : auto-allumage).
Mazda a donc recherché à obtenir la même chose avec un moteur essence.
Fonctionnement du Skactiv-X plus en détails
Alors Mazda aurait-il réussi son tour de magie en grillant la priorité aux autres marques ? Oui et non en réalité, car le moteur essence Skyactiv-X Mazda ne fonctionne pas tout à fait comme un diesel malgré ce que l'on entend. Il exploite juste l'une de ses caractéristique : pouvoir faire des combustions en mélange pauvre et tenter l'auto-allumage pour améliorer le rendement de la combustion.
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A gauche on admet l'air et le carburant, tout ce qu'il y a de plus classique. A droite on comprime, rien de bien nouveau non plus ....gif)
C'est à l'allumage que les choses sont différentes. On provoque une petite étincelles qui n'est pas suffisante pour enflammer le tout (bien trop petite !). Mais elle brûle un tout petit peu de carburant ce qui a pour effet une dilatation localisée. Celle-ci s'ajoute à la compression déjà bien élevée dans le reste de la chambre. Résultat, la pression est si importante qu'elle induit suffisamment de chaleur pour tout brûler (comme sur un diesel donc).
On a donc affaire à un moteur qui fonctionne comme un essence très classique quand il fait froid et quand on est haut dans les tours. Le reste du temps, il fonctionne donc d'une manière particulière qui se rapproche un peu du diesel mais sans le devenir.
Dans cette phase de fonctionnement, on va tout d'abord injecter un petit peu de carburant (mélange très pauvre, soit la moitié afin d'économiser) dans la phase d'admission (quand le piston descend, que la soupape d'admission est ouverte et donc quand l'air entre. En gros quand le moteur pompe/aspire de l'air). L'air et le carburant injectés vont alors parfaitement se mélanger pendant cette phase, le fait que ce soit homogène est crucial pour optimiser la combustion/rendement et réduire la formation de NOx.
A ce stade là on va normalement voir se produire une auto-combustion comme sur un diesel puisque la compression chauffe le comburant (l'air admis) mais ce n'est pas le cas. En effet, les ingénieurs ont conçu le moteur pour ne pas qu'il puisse s'auto-enflammer, contrairement à un un diesel ! Le but est d'éviter toute détonation précoce (donc en phase de compression) qui peut aussi arriver sur un moteur essence classique (quand l'allumage se fait trop tôt, il y a d'ailleurs un capteur de cliquetis pour éviter cela est aider la calculateur à gérer l'allumage commandé au mieux).
Alors comment tout cela va-t-il s'enflammer puisqu'on a pas assez de pression comme sur un diesel ? Et bien le calculateur va générer le petit manque de pression par la bougie ... En effet, à ce stade il suffit juste que la bougie produise une toute petite étincelle pour que la pression devienne suffisante (la petite "explosion" rajoute de la pression au total dans le cylindre puisque ce qui est brûlé se dilate) : c'est la goûte d'eau qui fait déborder le vase et qui va donc rendre la pression suffisamment grande pour que le tout (mélange comburant / carburant) s'auto-enflamme. C'est donc une auto-combustion par allumage commandé (une expression totalement paradoxale au final, un peu comme dire un "grand petit"). Cela est appelé SPCCI pour Spark-Controlled Compression Ignition.
Bref, tout ça pour dire que Mazda a réussi là où les autres ont échoué : éviter tout problème d'allumage précoce (menant à un cliquetis destructeur) en contrôlant parfaitement le moment où il va y avoir l'auto-combustion par pression.
Cette manière de brûler le mélange dans le cylindre rend la chose plus optimale en terme de rendement. Tout le mélange carburant / comburant s'enflamme tout d'un coup tandis que c'est progressif sur un essence : l'inflammation se propage à partir de l'étincelle de la bougie. Résultat l'impulsion envoyée sur le piston (pour qu'il aille vers le bas) est plus nette et franche tout en réduisant au maximum les particules.
Le moteur nécessite pour bien fonctionner d'un compresseur mécanique pour l'admission et d'une injection dont la pression est plus importante que sur les moteurs essence classiques.
Quel gain ?
Selon Mazda on gagnerait en couple par rapport à un essence classique (comme avec un diesel, soit ici de 10 à 30%) et on réduira la pollution et la consommation à hauteur de 15 à 20% environ.
Pour quand ?
Pas tout de suite, la technologie est encore en phase de mise en point et on devrait le voir débarquer en 2020 sur nos routes.
Parallèle avec le mode stratifié ?
Enfin on peut faire un petit parallèle avec le mode stratifié des moteurs essence modernes à injection directe (comme le TSI, le S est pour Stratified) qui consiste à réduire la dose de carburant envoyée dans le moteur. La différence est que le mode stratifié consiste à ne surtout pas mélanger le carburant à l'air dans le cylindre mais plutôt à le garder concentré au maximum dans un espace réduit. En fait le but est de ne pas remplir la chambre pour justement avoir moins de carburant à injecter. Hélas, cela produit des particules très fines en grande quantité, d'où la nécessité d'installer des FAP sur les moteurs essence modernes.
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