Quelques considérations sur le cycle Atkinson
Je vous invite à lire en liminaire les explications limpides et brillantes du bon samaritain Wizz sur le cycle Atkinson
, que j'avais mises en lien
ici.
Ceci étant assimilé, on peut se demander pourquoi les moteurs à cycle Atkinson du groupe Toyota proposent une plage si large de puissance et couple spécifiques
😱. Pour la puissance, celà va d'environ 37 kW par litre de cylindrée (Prius 2, Yaris), ce qu'on est en droit d'attendre d'un tel cycle, jusqu'aux 61 kW/l de la dernière GS450h, digne d'un excellent cycle Otto atmosphérique, en passant par les 52 kW/l (dernière Crown), qu'on trouve dans un raisonnable cycle Otto actuel.
Le cas de la dernière GS 450h est particulièrement intriguant
puisque son thermique Atkinson développe 215 kW à 6000 tr/mn et 352 Nm à 4500 tr/mn, contre respectivement 218 kW à 6400 tr/mn et 368 Nm à 4800 tr/mn pour le cycle Otto du précédent millésime, soit in fine des valeurs assez proches.
Comme le dit Wizz, la cylindrée d'un moteur Atkinson n'est qu'apparente et son rapport volumétrique est dimensionné par le taux de détente du moteur qui semble être calé à 13:1 sur les moteurs Atkinson du groupe Toyota (comme le suggère Wizz, ils ne vont pas au délà sans doute pour ne pas avoir un moteur trop mou à bas régime, et d'autre part pour limiter les vitesses de piston).
Mais le taux de compression est, caractéristique des moteurs Atkinson, inférieur aux taux de détente (effet obtenu de nos jours en laissant la soupape d'admission ouverte au début de la phase de compression, contrairement je crois, aux premiers moteurs historiques utilisant le brevet Atkinson, qui étaient réellement à 5 temps grâce à une conception particulière du villebrequin), c'est à dire similaire à ceux des moteurs des cycles Otto de même technologie.
Pour une Prius 2 ou une Yaris, en supposant un taux de compression égal à 10,5 à 11, ce qui est classique pour un moteur atmosphérique à injection indirecte, on a donc une cylindrée "réelle", celle qui va déterminer la puissance et le couple, de 10,5/13*1,5 à 11/13*1,5, soit de 1,21 à 1,27 l.
Au passage, c'est pour ça que lorsque la batterie est déchargée sur une P2, dire qu'on se retrouve avec un
petit moteur de 1,5 l est incorrect. On se retrouve en fait avec un
tout petit moteur de 1,2 à 1,25 l (avec un très bon rendement mais mou), et une Prius non hybride serait probablement un supplice à conduire avec son thermique Atkinson seul
.
Alors comment fait la GS450h ? C'est là qu'intervient l'injection directe du D4S. Comme indiqué à plusieurs endroits de ce forum,
par exemple dans ce topic, injecter directement dans la chambre permet de refroidir celle-ci (la vaporisation de l'essence absorbe de l'énergie) et donc de comprimer plus sans détonation (la compression d'un gaz le chauffe, et un mélange air-essence trop chauffé va détonner spontanément, c'est le fameux cliquetis), donc d'augmenter le taux de compression. La précédente Lexus GS450h, déjà en D4S, avait un taux de compression de 11,8:1, et on peut désormais arriver sur des atmosphériques à des taux de 12,5:1 (Audi RS4 par exemple), voire 14:1
! (Mazda Skyactiv).
Un autre avantage théorique est que l'injection directe permet de fonctionner en mélange pauvre à charge partielle (c'est à dire qu'on injecte l'essence en fin de compression, et en moindre qu'entité qu'à mélange
stoéchiométrique, ce qui permet encore d'économiser du carburant à charge partielle) ; je dis théorique, car je ne sais pas si c'est utilisé en cycle Atkinson : il n'y aurait peut-être plus assez d'énergie pour pousser le piston jusqu'en bas de sa longue course
.
On gagne ainsi sur les deux tableaux, valeurs spécifiques et rendement
: le taux de compression se rapproche du taux de détente et par conséquent la cylindrée "réelle" se rapproche de la cylindrée "apparente" du moteur, ce qui pemet d'obtenir des meilleurs puissances et couples spécifiques. Par ailleurs, on gagne aussi en rendement, car rappelons-le, le rendement théorique du cycle Otto croit avec le taux de compression, qui reste le principal "driver" de son rendement.
Pour répondre à l'interrogation de Sandoli, pourquoi les moteurs de la nouvelle Crown et de la nouvelle GS arrivent à tourner si vite en cycle Atkinson
😱: je suppute que c'est du au progrès des matériaux et des traitements thermiques, qui autorisent plus de contraintes sur les bielles et le villebrequin et des frottements segments/chemises plus importants, et donc des vitesses de piston plus grandes.
C'est d'ailleurs peut-être en partie pour ça que les valeurs spécifiques du 2,5l de la future IS sont plus modestes que celles de la GS450h
. En effet, avec 2,5 l pour un 4 cylindres, on commence vraiment à avoir de grosses gamelles et on s'approche des limites de ce qui se fait en cylindrée unitaire essence de voitures particulières (je crois qu'on fait plus sur des moteurs très "pépères", de camions militaires par exemple), du fait des contraintes engendrées.
Ca amène d'ailleurs ma question subsidiaire : avec ces grosses cylindrées unirtaires, on commence à ressentir les vibrations du 4 cylindres en ligne (dues au couples de second ordre, je crois), et c'est pourquoi les 2,5 l 4 cylindres en ligne ont souvent été dotées d'arbres d'équilibrage (porsche 944 par exemple). Sera-ce le cas sur l'IS300h, sachant que la maîtrise des vibrations est cruciale sur une hybride
?
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Sacré gueule 
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et une vidéo statique 
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