Avec cette étude japonaise, la fiabilité des moteurs thermiques pourrait nettement s'améliorer

Les moteurs thermiques nous accompagnent depuis maintenant plus d’un siècle. La question est de savoir s’ils seront rapidement remplacés par les moteurs électriques. La réponse est assez évidente : ils seront remplacés, mais ça prendra encore quelques années. Car bien que son rendement énergétique reste inférieur à celui d’un moteur électrique, leur force réside dans la densité énergétique élevée du carburant, dans leur indépendance face aux conditions climatiques ou encore dans leur rapidité de ravitaillement qui ne nécessite pas d’infrastructure complexe.

En Europe, nombre de politiciens nourrissent l’espoir de les faire rapidement agoniser. Mais ne leur en déplaise, cette technologie continue de faire l’objet de développements industriels et scientifiques. Et ça se comprend : l’Europe n’est pas le monde d’une part et, d’autre part, une partie de la population du vieux continent n’est pas prête à passer à l’électrique. De ce fait, l’Europe a du mettre de l’eau dans son vin récemment et accepter que les moteurs thermiques (neufs) allaient continuer à vivre après 2035.

Pas le cliquetis

C’est précisément dans la continuité des développements qu’intervient une étude récente menée par des chercheurs japonais de l’Université des Sciences de Tokyo qui propose une approche inédite pour s’attaquer à l’un des points faibles persistants du moteur thermique : l’instabilité de la combustion qui est à la fois source de vibrations, de bruit et d’usure.

Et qu’on ne s’y trompe pas : l’étude ne parle pas de cliquetis. Le cliquetis est un phénomène bien identifié dans les moteurs à allumage commandé. Il se produit lorsqu’une partie du mélange air-carburant s’auto-enflamme sous l’effet de la pression et de la température, sans être initiée par l’étincelle de la bougie. Cette combustion incontrôlée génère des ondes de pression qui se propagent dans la chambre, provoquant un bruit métallique caractéristique. Si ces événements se répètent, ils peuvent entraîner une sollicitation élevée (et donc l’usure ou la casse) des pistons, de la culasse ou des segments, ce qui explique pourquoi les systèmes de gestion moteur cherchent en permanence à éviter ce mode de fonctionnement.

L’instabilité de combustion correspond à une problématique d’une autre nature. Elle ne résulte pas d’une auto-inflammation brutale, mais d’un comportement irrégulier de la combustion normale au fil des cycles. La propagation du front de flamme et la libération de chaleur varient dans le temps – sous l’influence de la turbulence et des écoulements internes – et engendrent des oscillations de pression qui dégradent progressivement le rendement et accélèrent l’usure des composants (comme les pistons, les parois de cylindre, les soupapes, etc.), indépendamment du cliquetis. Et, on s’en doute, sur des moteurs haute performance ou à haut rendement, cette instabilité est encore plus critique.

Analyser pour mieux intervenir

Une équipe de chercheurs dirigée par Hiroshi Gotoda (Tokyo University of Science) et Ryoichi Kurose (Kyoto University) a appliqué des outils mathématiques issus de la science des réseaux pour cartographier les zones de turbulence à l’intérieur de la chambre de combustion en traitant chaque partie de l’écoulement comme un nœud interconnecté. 

Dans ce modèle, ils ont constaté que certaines régions du flux jouent un rôle disproportionné dans le maintien de l’instabilité, un peu comme des carrefours centraux dans un réseau routier. Lorsque ces « hubs » s’activent, l’ensemble du système devient sensible aux oscillations ; lorsqu’ils sont inhibés, l’écoulement se stabilise. 

En identifiant ces zones critiques, les chercheurs ont démontré qu’il est possible de réduire nettement les vibrations et le bruit simplement en introduisant de petits obstacles physiques à des endroits stratégiques dans la chambre de combustion. Il s’agirait donc d’apporter quelques modifications de détails pour affiner la dynamique interne et obtenir un comportement plus stable.

Un moteur thermique increvable ?

Cette stratégie qui minimise les oscillations de combustion permettrait donc en automobile d’augmenter la fiabilité et la durabilité des moteurs thermiques tout en maintenant dans le temps les performances et le confort acoustique.

Pour l’heure, les premiers essais ont été menés dans des environnements expérimentaux contrôlés. Les prochaines étapes devront adapter ce principe à des géométries et des dimensions proches des moteurs de série, en tenant compte des contraintes de fabrication, de la variabilité des régimes de rotation et des exigences d’émissions. 

Si ces travaux se concrétisent, cette approche pourrait être intégrée au développement des moteurs de prochaine génération qui présenteraient alors une longévité accrue. Plus fiables, les moteurs thermiques deviendraient alors aussi plus propres sur le long terme et ils pourraient donc respecter les quotas d’émissions bien plus longtemps que ce que l’Europe prescrit : 5 ans et 100.000 km pour la norme Euro 6 et bientôt 8 ans ou 160.000 km pour la norme Euro 7.

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