Moteur 6 temps Porsche : bien comprendre le fonctionnement
Plan de l'article :
Le moteur thermique 2 et 4 temps, pilier de la propulsion automobile depuis des décennies, semble avoir atteint ses limites. Parmi les concepts qui tentent de réinventer cette mécanique centenaire, le moteur 6 temps inventé par Porsche distingue par une promesse audacieuse : sauver le moteur thermique en accroissant encore significativement son rendement.
Mais derrière cette idée séduisante, les explications manquent souvent de clarté, laissant les curieux sur leur faim. Comment fonctionne réellement ce moteur qui ajoute deux étapes au traditionnel cycle à 4 temps ? Dans cet article, nous allons lever le voile sur ce procédé novateur, en détaillant chaque étape pour mieux comprendre pourquoi il pourrait faire perdurer un peu plus le moteur thermique tel que nous le connaissons ...
Principe et philosophie de base
Quelle est l'idée générale du moteur 6 temps, à savoir quel grand principe permet ici d'améliorer le rendement du moteur ?
La philosophie de base du moteur 6 temps repose sur un principe simple : récupérer l’énergie calorique des gaz d'échappement habituellement perdue pour la transformer en travail mécanique supplémentaire. Cette idée s’attaque directement à l’une des principales limites des moteurs thermiques traditionnels : les trop grandes pertes énergétiques liées aux gaz d’échappement brulants rejetés dans l'atmosphère et donc à la dissipation thermique. Bien entendu, il est probable que vous ne puissiez pas encore saisir comment la conservation des gaz d'échappement chauds puissent permettre un travail supplémentaire, mais nous allons y venir ...
A cela s'ajoute le fait que l'on a ici, en proportions, plus de temps qui génèrent une force mécanique, à savoir 2 temps sur 6 au lieu de 1 temps sur 4. et donc 2/6 > 1/4 = meilleur rendement. Notez que les deux combustions sur un même cycle de 6 temps ne sont pas équivalentes, car elles se produisent de manière différente (pas ls même richesse ni le même taux de compression).
La marque parle d'accroître le rendement moyen réel de 30 à 50%, bien que pour notre part le rendement moyen d'un moteur soit plutôt d'environ 20%, plus d'informations ici.
Les 6 temps en question
Le cycle traditionnel à 4 temps est enrichi par l'ajout de deux étapes supplémentaires. Il s'agit ici de rajouter deux des quatre temps (compression et détente) pour arriver à 6 : 4 + 2 = 6. Porsche parle plutôt quant à lui de deux cycles de 3 temps qui sont accolés, car on a ici la génération d'une force mécanique tous les 3 temps au lieu de 4 temps, ce qui est une manière de voir les choses intéressantes.
Voici le détail du fonctionnement :
- Temps 1 : Admission
Le mélange air-carburant est introduit dans le cylindre grâce à la descente du piston, rien de plus normal et traditionnel jusqu'à présent ... - Temps 2 : Compression
Le mélange est comprimé (et donc aussi réchauffé car compression = chaleur) par la remontée du piston, et jusque là tout reste comme avant. - Temps 3 : Combustion primaire + détente
Le mélange air-carburant s’enflamme grâce à une bougie d'allumage qui provoque une étincelle, repoussant le piston vers le bas et produisant un premier travail mécanique. La différence ici par rappoort à un moteur 4 temps est que le point mort bas est ici plus bas que lors de la phase d'admission. Le piston va donc descendre davantage pour atteindre des cavités (appelées lumières) qui ont une petite réserve d'air, ce qui va permettre de ravitailler le cylindre en air et donc en comburant. Cela est permis grâce à un PMB (point mort bas) modulable en raison de la bielle variable montée sur un pignon solaire, qui est elle-même reliée à un pignon satellite (notez que d'autres dispositifs de bielle variable existe, voir ici). On profitera aussi de cette détente pour réinjecter du carburant qui servira après pour reproduire une autre combustion. - Temps 4 : Compression des gaz résiduels
Les gaz brûlés, habituellement évacués, sont ici comprimés à nouveau pour récupérer leur énergie thermique. Leur présence va induire un effet assez méconnu, à savoir accroître le taux de compression car ces derniers prennent de la place dans le cylindre. Cet accroissement du taux de compression va améliorer un peu le rendement, car plus le taux de compression d'un moteur est élevé plus le rendement est bon (mais ce n'est pas cela qui est décisif dans le rendement du moteur 6 temps mais peu de gens pensent à le préciser). Ils sont donc accompagnés d'un peu d'air (lumières) et de carburant comme on l'a précisé dans le temps 4 juste avant. - Temps 5 : Combustion secondaire
Une seconde combustion avec la présence des gaz compressés produit un nouvel effort mécanique lors de ce 5ème temps. Ici on a bien moins de carburnat et de comburant que lors de la première combustion, leur besoin est moindre à cause de la présence des gaz d'échappement. Notez au passage qu'on a ici l'effet d'une vanne EGR qui fait recirculer les gaz d'échappement dans le moteur. - Temps 6 : Échappement
Les gaz sont expulsés du cylindre comme sur un moteur à 4 temps classique, permettant de commencer un nouveau cycle.
Voici le dispositif d'embiellage
Pourquoi conserver les gaz chauds est bénéfique pour le rendement ?
Garder les gaz d'échappement chauds pour une deuxième combustion améliore le rendement énergétique pour plusieurs raisons fondamentales liées à la thermodynamique et à la récupération d'énergie :
Récupération de l'énergie thermique résiduelle :
Les gaz d'échappement, après la première combustion, contiennent encore une quantité importante d'énergie thermique inutilisée (gaz chauds = dilatation = pression = effort mécanique). Dans un moteur classique, cette énergie est dissipée dans l'atmosphère. En comprimant et en réutilisant ces gaz pour une deuxième combustion, on récupère une partie de cette énergie sous forme de travail mécanique, ce qui améliore l'efficacité globale du moteur.
Amélioration de l'efficacité thermique :
La deuxième combustion augmente la température. Selon le principe de Carnot, le rendement d’un cycle augmente lorsque la différence de température entre la source chaude (combustion) et la source froide (rejet des gaz) est maximisée. En gros cela permet d'augmenter la température moyenne du cycle, ce qui, selon les lois de la thermodynamique, améliore le rendement énergétique du moteur.
Diminution des pertes de chaleur :
Dans un moteur classique, une grande partie de la chaleur des gaz brûlés est transférée au moteur (bloc, soupapes, conduites) ou perdue via le système d’échappement. En utilisant immédiatement ces gaz pour une deuxième combustion, on réduit les pertes thermiques par conduction et rayonnement car les gaz d'échappement en absorbent une bonne partie.
Réduction des besoins en carburant :
Lors de la deuxième combustion, une plus petite quantité de carburant est ajoutée aux gaz résiduels pour assurer une combustion complète. Cependant, la chaleur déjà présente dans ces gaz diminue l'énergie nécessaire pour atteindre la température d'auto-inflammation, réduisant ainsi la quantité de carburant requise.
Optimisation de la pression résiduelle :
Les gaz brûlés après la première combustion restent sous haute pression. Lorsqu'ils sont comprimés et mélangés à une petite quantité d'air ou de carburant, ils peuvent générer un second cycle de puissance mécanique efficace, maximisant l'énergie extraite de chaque cycle du moteur.
Effet sur les émissions :
Bien que ce ne soit pas directement lié au rendement, cette approche peut également réduire les émissions de gaz non brûlés (hydrocarbures imbrûlés ou CO). La deuxième combustion agit comme une post-combustion intégrée, brûlant davantage de particules et améliorant la propreté des gaz expulsés.
Garder les gaz d'échappement permet d'accroître le taux de compression pour la deuxième combustion
Le fait qu'il reste des gaz d'échappement dans le cylindre lors de la deuxième compression permet d'augmenter le taux de compression apparent, et certains points vont rejoindre d'autres vus juste avant car toute la logique est ici imbriquée. Voici pourquoi :
Réduction de l'espace vide dans la chambre de combustion :
Lors de la deuxième compression, les gaz d'échappement résiduels occupent une partie du volume initial de la chambre. Cela réduit l'espace vide disponible pour le nouvel air (ou mélange air-carburant) qui est compressé. Le piston comprime donc un volume plus important de gaz, augmentant ainsi la pression dans la chambre par rapport à une compression de gaz frais uniquement.
Augmentation de la pression finale :
Les gaz d'échappement ont une pression et une température initiales élevées, car ils proviennent d'une combustion récente. Lorsqu'ils sont compressés à nouveau, leur pression augmente de manière significative en raison de leur température initiale élevée, ce qui renforce la densité énergétique globale dans la chambre de combustion.
Effet sur le rendement :
Cette augmentation du taux de compression apparent (et donc de la pression maximale) contribue à un rendement thermodynamique supérieur :
- Un taux de compression plus élevé améliore l’efficacité de conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique, conformément à la théorie des cycles thermodynamiques.
- La deuxième combustion bénéficie directement de cette compression accrue, produisant plus de travail mécanique à partir des gaz brûlés résiduels.
Avantage supplémentaire : inertie thermique :
Les gaz d'échappement, encore chauds, facilitent l’inflammation du mélange introduit (ou de la petite quantité d’air/carburant ajoutée) lors de la deuxième combustion. Cela réduit les pertes d’énergie nécessaires pour porter les gaz à une température suffisante pour une combustion efficace.
Inconvénients du moteur 6 temps
Bien que le moteur 6 temps de Porsche présente des avantages prometteurs en termes de rendement énergétique et de récupération de chaleur, il n’est pas exempt d’inconvénients.
L’ajout de deux temps supplémentaires au cycle du moteur nécessite une architecture d’embiellage plus sophistiquée que celle d’un moteur 4 temps classique. Le système basé sur des pignons planétaires et satellites permettant d’ajuster la position et le mouvement du piston, ce qui ajoute des pièces supplémentaires et des interactions mécaniques complexes. La fabrication d’un embiellage aussi élaboré augmente les coûts de production.
Le fait de conserver les gaz brûlés dans le cylindre maintient des températures élevées plus longtemps, ce qui peut accélérer l’usure des pièces sensibles comme les segments de piston ou les soupapes. Mais cela est compensé par le fait que ce sont les gaz d'échappements qui absorbent le plus la chaleur, et non les parois du cylindre ...
Enfin, conserver les gaz d’échappement dans le cylindre pour une deuxième combustion peut entraîner des problèmes d’encrassement similaires à ceux observés avec les systèmes de recirculation des gaz d’échappement (EGR)
D'autres idées de moteur 6 temps par le passé ?
1. Moteur de Bruce Crower (2004)
Le mécanicien et inventeur américain Bruce Crower a développé un moteur 6 temps basé sur une idée radicale : utiliser de la vapeur d’eau pour améliorer le rendement thermique.
- Fonctionnement :
- Les quatre premiers temps suivent le cycle classique d'un moteur à 4 temps (admission, compression, combustion, échappement).
- Une fois les gaz d’échappement expulsés, de l’eau est injectée dans le cylindre encore chaud.
- L’eau se vaporise instantanément en raison de la chaleur résiduelle, créant une pression supplémentaire qui repousse le piston une seconde fois.
- Un sixième temps permet d’évacuer cette vapeur d’eau.
- Avantages :
- Récupération efficace de la chaleur résiduelle.
- Réduction des pertes thermiques et des températures maximales, limitant l’usure des composants.
- Inconvénients :
- Nécessite un système d’injection d’eau et une gestion de la condensation, augmentant la complexité.
2. Moteur Velozeta (années 2000)
Développé par des ingénieurs indiens, ce moteur 6 temps est une variation éducative sur le cycle classique.
- Fonctionnement :
- Deux temps supplémentaires consistent en un refroidissement interne du cylindre par injection d’air comprimé avant l’échappement final.
- Cette approche vise à diminuer la température des gaz expulsés et à récupérer une partie de leur énergie thermique.
- Avantages :
- Réduction des pertes thermiques et des émissions polluantes.
- Inconvénients :
- Complexité dans la gestion des flux d'air.
3. Moteur Beare (années 1990)
Le moteur Beare est une autre variante qui ajoute deux temps supplémentaires à un moteur classique pour améliorer le rendement.
- Fonctionnement :
- Deux temps supplémentaires consistent en une compression et une combustion supplémentaires, similaires à la solution Porsche.
- Le moteur utilise une architecture particulière avec des soupapes rotatives et des pistons en opposition.
- Avantages :
- Meilleure exploitation de l'énergie des gaz d’échappement.
- Inconvénients :
- Complexité mécanique élevée, ce qui a limité son adoption.
4. Moteur Bajulaz (années 1980)
Conçu par Jean Bajulaz, ce moteur 6 temps visait également à optimiser le rendement thermique.
- Fonctionnement :
- Les deux temps supplémentaires consistent à re-comprimer les gaz d’échappement pour récupérer leur chaleur résiduelle, comme dans le moteur de Porsche.
- Utilisation d’une chambre de combustion secondaire pour effectuer une deuxième combustion.
- Avantages :
- Réduction des pertes thermiques.
- Amélioration de la puissance et du rendement énergétique.
- Inconvénients :
- Faible diffusion commerciale en raison des difficultés de fabrication.
5. Moteur Mack (années 1920)
Ce moteur expérimental conçu par la société Mack Trucks utilisait une architecture 6 temps pour améliorer le rendement énergétique.
- Fonctionnement :
- Alternance de cycles de combustion et de cycles de refroidissement à l’air pour optimiser les températures de fonctionnement.
- Avantages :
- Permettait d’allonger la durée de vie des composants.
- Inconvénients :
- Moins efficient que les moteurs classiques.
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