Comment les moteurs à essence peuvent survivre dans un avenir de voiture électrique

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Les moteurs à combustion ne disparaîtront pas complètement de si tôt, voire jamais. Certaines tâches de transport ou environnements d'exploitation ne se prêtent tout simplement pas à une propulsion électrique à batterie ou à hydrogène. Un siècle et demi de recherche et développement a considérablement augmenté l'efficacité des moteurs à combustion, et les ingénieurs ont plein d'astuces supplémentaires dans leur sac qui promettent d'extraire encore plus de travail d'une molécule de carburant tout en produisant encore moins d'émissions nocives. En voici quelques-uns que nous surveillons, classés par ordre de complexité et de coût de mise en œuvre.

Le simple fait de pouvoir concevoir un moteur pour qu'il fonctionne à une compression de 15: 1 ou plus améliore considérablement son efficacité thermodynamique et sa densité de puissance, permettant une réduction supplémentaire de la taille du moteur. Cela nécessite un carburant à indice d'octane plus élevé, et un indice d'octane de recherche (RON) de 98 représente un point idéal, au-dessus duquel la production/le raffinage du carburant consomme plus d'énergie, ce qui diminue l'avantage énergie/CO2 du puits aux roues.

Les moteurs sont dimensionnés pour les pires scénarios, comme une accélération d'un quart de mile ou le remorquage de remorques lourdes jusqu'au barrage Davis. La désactivation des cylindres améliore l'efficacité dans les situations de conduite moins extrêmes en faisant travailler dur quelques cylindres Davis Dam tandis que les autres ne font rien. La gestion dynamique du carburant peut couper tout ou partie des cylindres des moteurs V8 de 5,3 et 6,2 litres de GM pour augmenter l'économie de carburant EPA de près de 12 %. Tula Technologies et Eaton proposent désormais des systèmes similaires pour les moteurs diesel long-courriers, où un rendement énergétique inférieur (1,5 à 4,0 %) rapporte d'énormes dividendes de NOx en maintenant les températures d'échappement nécessaires pour maintenir les catalyseurs allumés.

La puissance d'un moteur est limitée par la quantité d'air qu'il peut ingérer, c'est pourquoi les compresseurs de suralimentation alimentés par le vilebrequin et les turbocompresseurs alimentés par l'échappement ont été développés il y a plus d'un siècle. Des compresseurs de suralimentation électriques utilisant l'énergie récupérée alimentent, entre autres, les moteurs Volvo Drive E et Mercedes M256 ; l'ajout d'un moteur/générateur à un turbocompresseur élimine le décalage sous tension et permet la récupération d'énergie pendant la croisière. Deux riffs intéressants sur les surpresseurs à manivelle sont le ventilateur centrifuge Torotrak V-Charge, qui utilise une CVT pour adapter rapidement la vitesse à la demande, et le ventilateur de type Lysholm de Hansen Engine Corp, qui comporte une fenêtre qui s'ouvre ou se ferme pour répondre à la demande de pression d'air tout en minimisant les pertes pour offrir une efficacité turbo avec une réactivité suralimentée.

Parce que le carburant prend du temps à brûler, les bougies d'allumage conventionnelles s'allument alors que le piston se déplace déjà vers le haut, ce qui rend la combustion initiale contre-productive. Les schémas pour enflammer plus de mélange simultanément promettent une combustion plus rapide qui lui permet de se produire principalement en descente. Ford a développé des lasers proches de l'infrarouge pour allumer plusieurs points dans une chambre de combustion, mais le coût et la fiabilité restent problématiques. Le remplacement de la bougie d'allumage de Transient Plasma injecte des feuilles de plasma à basse température qui promet d'enflammer les mélanges ultra-pauvres rapidement et froidement pour une économie de carburant de 10 à 15 % et des NOx considérablement réduits. Même le nouveau système de préchambre Twin-Combustion de Maserati est considéré comme un accélérateur d'allumage.

Ce concept cake-and-eat-it promet une compression élevée pour une croisière parcimonieuse à faible accélération et une faible compression lorsque le turbo est en suralimentation. Le gadget de bielle composé Rube-Goldberg de Nissan fait varier la course du moteur, modifiant la compression à l'infini entre 8: 1 et 14: 1. Nous avons été déçus par les performances et l'économie de carburant du VC-Turbo de Nissan/Infiniti et nous nous demandons si la bielle excentrique du FEV pourrait être plus simple et fonctionner mieux. La pression d'huile délivrée via le vilebrequin fait tourner un roulement excentrique à l'extrémité du piston, modifiant la course sur une plage plus étroite, disons de 8: 1 à 12: 1, promettant une baisse de 5% de la consommation de carburant.

Efficacité d'un diesel avec des émissions d'essence! C'est la promesse dichotomique de HCCI, qui cherche à enflammer spontanément les mélanges d'essence pauvres par compression. GM, Mercedes et Hyundai avaient tous des programmes HCCI prometteurs, mais seule Mazda a mis HCCI en production. Sorte de. SkyactivX utilise une bougie d'allumage de temps en temps et est toujours considéré comme trop coûteux à vendre en Amérique du Nord. Nautilus Engineering a proposé un concept HCCI qui implique un petit piston au sommet du piston principal qui entre dans son propre petit cylindre à compression plus élevée en haut de la course pour déclencher l'allumage par compression. Cependant, nous n'avons connaissance d'aucun contrat OEM détenu par la société.

Les moteurs à combustion produisent beaucoup de chaleur et de vibrations; pourquoi ne pas l'utiliser pour produire de la vapeur ou de l'énergie thermoélectrique ou piézoélectrique ? Le système Turbosteamer proposé par BMW et de nombreux autres ont été abandonnés pour des raisons de coût et de poids. Les générateurs thermoélectriques à semi-conducteurs promettent de transformer la chaleur, généralement des composants d'échappement, directement en électricité. (La faisabilité de la production attend des améliorations de l'efficacité des matériaux requis par rapport au niveau actuel d'environ 5 %.) Et les chercheurs de l'Université Duke proposent d'utiliser des cristaux piézoélectriques comme ceux qui se dilatent avec la tension pour actionner les injecteurs de carburant directs afin de générer de l'énergie sous vibration.

Toute conception de moteur radicalement nouvelle fait face à une immense inertie industrielle. Néanmoins, quelques "meilleurs pièges à souris" semblent tenir le coup. Achates Power a récemment reçu une autre subvention de 5 millions de dollars de l'armée pour continuer à développer son moteur à trois cylindres, six pistons opposés, à double vilebrequin et à deux temps (illustré ci-dessus). Dans un prototype suralimenté et turbocompressé de 4,9 litres produisant 275 ch et 811 lb-pi, son efficacité aurait surpassé de 20 % un turbodiesel Power Stroke de 6,7 litres dans une Ford F-Series. Scuderi et Primavis ont proposé des moteurs à cycle divisé qui exécutent les cycles d'admission/compression et de combustion/échappement dans des cylindres séparés, chacun conçu pour leurs tâches disparates. Cela maintient les températures basses. Scuderi a rencontré des problèmes juridiques avec ses investisseurs, Primavis envisageait son petit moteur à deux temps principalement comme un prolongateur d'autonomie, et aucun des deux n'a fait beaucoup de nouvelles ces derniers temps, bien que leur science sous-jacente semble solide. Le concept LiquidPiston X-1 est un moteur rotatif Wankel "à l'envers" doté d'un rotor en forme de boîtier du Wankel vacillant à travers un boîtier vaguement triangulaire avec trois chambres de combustion. Le montage de joints d'huile sur le carter fixe facilite leur lubrification. Il est toujours en développement actif en tant que prolongateur d'autonomie. Et puis il y a de plus grands sauts de conception, comme le concept de turbine à combustion interne rotative d'Astron Aerospace, qui combine un fonctionnement à cycle divisé, HCCI, un cycle d'expansion super long et d'autres grandes idées. Il est également toujours en développement actif, générant des revendications de puissance, de couple et d'efficacité impressionnantes.

Biocarburants : L'utilisation d'énergie verte pour fabriquer du carburant à partir de plantes qui extrait le CO2 de l'atmosphère n'ajoute théoriquement aucun nouveau CO2 à notre « serre ». Mais courir avec de l'éthanol pur fabriqué à partir de maïs ne compte généralement pas, car la terre utilisée pour cultiver ce maïs a généralement converti la même quantité de CO2, qu'il soit devenu du carburant ou du sirop de maïs à haute teneur en fructose, donc aucune réduction nette de carbone ne peut être revendiquée. Les biocarburants fabriqués à partir de matières premières cellulosiques comme les tiges de maïs, l'herbe de miscanthus ou de nouvelles cultures plantées là où rien n'a été ou ne pourrait être cultivé/récolté avant comptent, et il existe de nombreux procédés pour convertir les matériaux cellulosiques ou même les déchets en éthanol, méthanol ou butanol. Plusieurs processus de transformation des algues en biodiesel ont également été identifiés. Malheureusement, ils sont tous trop coûteux pour concurrencer l'essence bon marché.

Capture directe du carbone : plusieurs systèmes ont été proposés pour extraire le CO2 de l'air et l'hydrogéner pour former un carburant hydrocarboné. Prometheus Fuels prévoit de fabriquer de l'essence à partir de CO2, et une collaboration Audi/Sunfire a l'intention de fabriquer du diesel à partir de "brut bleu" créé en utilisant de l'électricité verte pour combiner le carbone du CO2 avec l'hydrogène de l'eau. Carbon Engineering en Colombie-Britannique, au Canada, prévoit une production à l'échelle commerciale d'ici 2022. Et ReactWell LLC espère combiner un procédé du Laboratoire national d'Oak Ridge pour convertir le CO2 directement en éthanol avec son propre procédé de conversion ascendante en pétrole brut bio pouvant être raffiné en divers hydrocarbures.