Après 166 ans, le moteur à combustion possède encore un potentiel inexploité

L’une des plus grandes découvertes de notre époque a été l’invention des moteurs à combustion interne, qui ont joué un rôle important dans le développement de l’industrialisation et, à son tour, de la civilisation humaine.

Ces moteurs ont été inventés pour la première fois au XIXe siècle, bien que des scientifiques et des ingénieurs aient commencé à contribuer à leur développement une décennie avant le début de cette période.

Une turbine à gaz a été développée en 1791, et un moteur à gaz a été breveté quelques années plus tard. Un brevet pour un moteur à combustion interne, qui fut également le premier à utiliser du carburant liquide, a été déposé en 1794, et avant la fin du siècle, le premier moteur à combustion interne américain a été construit.

Alors que la première automobile fonctionnant avec un moteur à combustion interne a été créée en 1862, le premier moteur à combustion moderne n’est apparu qu’un peu plus d’une décennie plus tard, en 1876. En 1885, Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach ont amélioré le design et ont inventé le premier moteur à combustion interne pratique ainsi que le carburateur.

Maintenant, comment fonctionne exactement un moteur à combustion ? Eh bien, pour commencer, la combustion est un processus chimique au cours duquel l’énergie est libérée lors de l’allumage d’un mélange de carburant et d’air. Les moteurs à combustion interne (ICE) convertissent partiellement cette énergie en travail mécanique.  

Lorsque le mélange de carburant et d’air est allumé, des milliers de petites explosions contrôlées se produisent, ce qui correspond à la combustion ou à la brûlure.

Dans les moteurs à combustion interne, l’allumage du carburant et la combustion se produisent tous deux à l’intérieur du moteur, qui comprend un cylindre fixe et un piston mobile. La combustion provoque l’expansion des gaz ainsi que la libération de chaleur, ce qui pousse le piston vers le haut et le bas. Cela, à son tour, fait tourner le vilebrequin grâce à un système d’engrenages dans la transmission, entraînant les roues du véhicule vers l’avant.

Il existe deux types de moteurs à combustion interne : le moteur à essence à allumage par étincelle et le moteur diesel à allumage par compression, la différence résidant dans la façon dont le carburant est fourni et allumé.

Les moteurs à combustion règnent mais rencontrent des défis

Aujourd’hui, plus d’un siècle et demi après leur invention, plus d’un milliard de moteurs à combustion interne (ICE) circulent encore sur les routes du monde entier.

Le marché mondial des moteurs à combustion, quant à lui, est actuellement évalué à environ 200 milliards de dollars et devrait encore croître à un TCAC de 9,2 % pour atteindre 300 milliards de dollars d’ici 2033, stimulé par la demande croissante de véhicules dans les marchés émergents et les avancées technologiques dans la conception des moteurs.

Cependant, le plus grand défi pour les moteurs à combustion est la montée des véhicules électriques (VE) et le renforcement des réglementations sur les émissions.

Mais bien que les VE deviennent de plus en plus courants, représentant environ 18 % de toutes les ventes de voitures neuves dans le monde, contre seulement 2 % en 2018, les VE restent une très petite proportion du total des véhicules à moteur à combustion sur la route. Avec une part de marché estimée à 3‑5 %, sur 100 véhicules à moteur à combustion, seuls un véhicule sur trois ou cinq est un VE.

La tendance croissante des VE est alimentée par la demande accrue de moteurs, ce qui entraîne l’épuisement des combustibles fossiles ainsi qu’une augmentation spectaculaire de la pollution dans le monde entier.

En raison de la prédominance de l’essence et du diesel comme carburants dans le secteur automobile, la pollution environnementale demeure la principale préoccupation liée aux moteurs à combustion. Les principales émissions de ces moteurs sont les hydrocarbures non brûlés, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote et les particules.

Cela entraîne de graves risques pour la santé et le réchauffement climatique, ce qui a poussé les pays du monde entier à mettre en place des réglementations strictes pour lutter contre les émissions du secteur automobile. Cela a conduit les ingénieurs et les chercheurs automobiles à expérimenter diverses technologies de moteurs ainsi que des carburants renouvelables et plus écologiques.

Alors que certaines nations envisagent même une interdiction totale des moteurs à combustion interne, les chercheurs font également progresser ces moteurs afin d’améliorer leurs performances et de réduire leur impact environnemental.

Rendre les moteurs à combustion plus efficaces en convertissant la chaleur perdue en énergie

Les moteurs à combustion interne produisent une énergie puissante, mais toute l’énergie créée n’est pas utilisée. En fait, seulement environ 25 % à 30 % de l’énergie chimique est convertie en puissance exploitable. 

La majeure partie est stockée dans le carburant qui se perd sous forme de chaleur à travers les systèmes d’échappement et de refroidissement du moteur. Cependant, il existe un moyen d’utiliser toute cette énergie perdue, et les scientifiques travaillent à trouver des solutions pour en faire un usage productif. 

Une étude publiée¹ cette année dans ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces a démontré comment la chaleur d’échappement peut être convertie en électricité, offrant une source d’énergie durable.

Avec le financement du Office of Naval Research, du Army Rapid Innovation Fund Program et du National Science Foundation Industry, des chercheurs du Département de génie mécanique de l’Université d’État de Pennsylvanie ont présenté un prototype de système de générateur thermoélectrique.

Le générateur thermoélectrique (TEG) peut réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de dioxyde de carbone (CO2). L’inefficacité du carburant est un contributeur majeur aux émissions de gaz à effet de serre (GES) et souligne la nécessité de systèmes innovants de récupération de chaleur perdue comme le TEG.

Ces systèmes TEG de récupération de chaleur utilisent des matériaux semi-conducteurs pour transformer la chaleur en électricité. 

Inventés il y a plus de deux cents ans, les systèmes TEG peuvent être utilisés dans les appareils électroniques, les dispositifs médicaux et l’aérospatiale. Ces systèmes n’ont aucune pièce mobile ni sous-produit chimique, ce qui leur permet de fonctionner silencieusement et de rester respectueux de l’environnement. Ils sont également durables, ne nécessitent aucun entretien superflu et sont adaptés à l’intégration dans des dispositifs massifs et flexibles.

Selon la recherche :

« La récupération d’énergie thermique pour les objets en mouvement à grande vitesse est particulièrement prometteuse pour fournir une source d’énergie efficace et durable afin d’améliorer les capacités opérationnelles et l’endurance. »

Le fonctionnement de la technologie thermoélectrique (TE) repose sur l’exploitation des différences de température entre une source de chaleur et la température ambiante. Cela permet à la technologie TE de fournir une alimentation constante à ces systèmes, réduisant la dépendance aux batteries traditionnelles tout en prolongeant les temps de fonctionnement.

Bien que prometteurs, les conceptions de nombreux dispositifs thermoélectriques actuels sont complexes et lourds et, à ce titre, nécessitent davantage d’eau de refroidissement pour maintenir la différence de température nécessaire. Cependant, comme le souligne la recherche, les travaux de conception de systèmes TEG intégrés sont bien en retard par rapport au développement des matériaux.

Ainsi, guidés par Wenjie Li et Bed Poudel, des chercheurs de Penn State ont construit un système TEG compact pour récupérer l’énergie thermique. Ces systèmes TEG peuvent convertir efficacement la chaleur résiduelle d’échappement non seulement des voitures, mais aussi d’autres véhicules à grande vitesse tels que les véhicules aériens sans pilote ou drones et les hélicoptères en énergie.

Ce nouveau TEG utilise du bismuth-tellurure comme semi-conducteur. Le Bi2Te3 est une poudre grise composée de bismuth et de tellure et possède d’excellentes performances thermoélectriques à basse température.

De plus, la recherche a utilisé des échangeurs de chaleur à ailettes en forme de plaque triangulaire, similaires à ceux des climatiseurs, pour capter la chaleur des conduits d’échappement des véhicules, comme les gaz d’échappement du moteur.

Un dissipateur thermique a également été intégré pour réguler la température. Cette pièce cylindrique à ailettes trapézoïdales longitudinales augmente considérablement la différence de température, ce qui a un impact direct sur la production électrique du système TEG.

Ce dissipateur thermique est conçu pour dissiper la chaleur par convection forcée, mais l’équipe a encore optimisé la conception à l’aide de simulations d’analyse par éléments finis (FEA) afin d’augmenter le gradient de température et la puissance de sortie électrique.

Grâce à cela, le prototype TEG de l’équipe a atteint une puissance de sortie de 40 watts sous un gradient de température de 190 °C avec des modules TE à base de bismuth-tellurure. Cette puissance suffit à alimenter une ampoule. 

Il est à noter que les résultats de la recherche ont montré que les conditions de fort débit d’air présentes dans les tuyaux d’échappement augmentent l’efficacité et la production électrique du système.

L’équipe a testé le système TEG dans des simulations reproduisant des environnements à grande vitesse, et il a démontré une grande flexibilité. Leur système de récupération de chaleur a produit jusqu’à 56 W pour des vitesses d’échappement similaires à celles d’une voiture, ce qui équivaut à cinq batteries lithium-ion (Li) 18650. Ces valeurs ont atteint jusqu’à 146 W pour des vitesses d’échappement comparables à celles d’hélicoptères, ce qui correspond à 12 batteries Li-ion 18650.

Les batteries Li-ion 18650 offrent les avantages d’une grande capacité, d’une longue durée de vie, d’une haute tension et d’une haute performance de sécurité. Elles sont le plus souvent utilisées dans les appareils électroniques, les VE et les dispositifs de stockage d’énergie.

Selon les chercheurs, le système TEG de la dernière étude peut être intégré directement aux sorties d’échappement actuelles et éliminer la nécessité de systèmes de refroidissement supplémentaires.

Les chercheurs croient en outre que ce travail pourrait ouvrir la voie à l’intégration pratique de dispositifs thermoélectriques dans les véhicules à grande vitesse, compte tenu de la demande croissante de solutions d’énergie propre.

Cliquez ici pour découvrir comment les véhicules à hydrogène font leur retour.

Les moteurs à combustion continuent d’évoluer

La récupération de la chaleur d’échappement des moteurs à combustion suscite en fait un intérêt croissant pour augmenter l’efficacité et réduire la consommation de carburant. Ces efforts contribuent à réduire la pollution environnementale et le réchauffement climatique.

Outre le TEG, les cycles de récupération, les dispositifs de turbo-compensation électrique (ETC), l’absorption de vapeur, le moteur Stirling (SE) et les générateurs thermo-acoustiques (TAG) sont utilisés pour récupérer la chaleur des systèmes d’échappement automobile et industriel.

Cependant, les générateurs thermoélectriques sont les plus adoptés en tant que technologie fiable, compacte et à état solide, capable de convertir la chaleur directement en électricité sans aucun mouvement mécanique. Ils sont également légers et sans vibrations, sans limitations d’orientation et sans émissions.

En plus de ces méthodes d’efficacité énergétique, les moteurs à combustion connaissent également d’autres avancées pour améliorer leurs performances, leur efficacité et leur durabilité environnementale.

Cela inclut l’injection directe de carburant, une technologie qui délivre le carburant directement dans la chambre de combustion, permettant ainsi un contrôle précis du mélange carburant-air. Les turbocompresseurs, quant à eux, compriment l’air d’admission, permettant aux moteurs plus petits de générer une puissance comparable à celle de leurs homologues plus grands.

Un développement intéressant a été la combinaison des moteurs à combustion interne avec des moteurs électriques, ce qui a donné naissance à des systèmes hybrides. Une chaîne de traction hybride offre la flexibilité d’utiliser l’énergie électrique pour la conduite à basse vitesse et le moteur à combustion pour les vitesses plus élevées.

Sous la direction d’entreprises telles que Honda, Hyundai, Lexus, BYD et Porsche, les véhicules hybrides gagnent beaucoup d’adhésion dans le monde entier, mais ils continuent de faire face à des défis en termes de coût plus élevé et de puissance moindre comparée aux voitures traditionnelles.

Un autre développement concerne le carburant qui alimente les véhicules à moteur à combustion interne. L’exploration de carburants alternatifs tels que l’éthanol, le gaz naturel, le propane et le biodiesel vise à réduire l’impact environnemental des moteurs à combustion en diminuant les émissions de GES et leur dépendance aux combustibles fossiles.

Parmi ces carburants alternatifs, l’hydrogène, en particulier, attire beaucoup l’attention des chercheurs et des entreprises qui souhaitent sauver les moteurs à combustion.

L’une des molécules les plus simples, l’hydrogène sous forme gazeuse, possède une densité énergétique extrêmement faible sauf à très haute pression et/ou à très basse température, et même dans ces conditions, sa densité énergétique reste bien inférieure à celle de la plupart des autres carburants liquides. Cela engendre des problèmes de stockage du carburant. Il génère également des émissions plus élevées d’oxydes d’azote (NOx).

Mais là où l’hydrogène brille, c’est dans la vitesse de combustion, qui est très élevée, bien plus que l’essence. De plus, la propriété zéro carbone de l’hydrogène, lorsqu’il brûle avec de l’oxygène, en fait un carburant alternatif attrayant. C’est pourquoi les moteurs à combustion interne à hydrogène et les piles à combustible à hydrogène connaissent un tel engouement.

Ces deux types de véhicules utilisent l’hydrogène. Dans les véhicules à moteur à combustion interne (ICEV), l’hydrogène est brûlé de manière similaire à l’essence, tandis que les véhicules à pile à combustible à hydrogène (FCEV) utilisent l’hydrogène dans un dispositif pour générer de l’électricité.

L’année dernière, des chercheurs de l’Université de l’Alberta ont présenté un nouvel alliage aluminium-nickel pour révolutionner les moteurs à combustion à hydrogène. L’alliage AlCrTiVNi5 offre une grande stabilité dans des conditions de chaleur extrême, une faible expansion thermique et une durabilité supérieure, le rendant idéal pour résister aux températures extrêmes de la combustion à hydrogène.

Toyota a également dévoilé l’année dernière plusieurs prototypes de moteurs à combustion interne pouvant fonctionner à l’hydrogène en plus de l’essence et d’autres carburants.

Leader des nouvelles approches des moteurs à combustion

Actuellement, les moteurs à combustion subissent une pression croissante de la part des VE et des réglementations sur les émissions, mais malgré tout, ils continuent de dominer le secteur des transports. Cela est principalement dû à l’infrastructure établie et à la disponibilité généralisée, mais ce n’est pas tout. Les entreprises progressent également considérablement dans la résolution du problème majeur des émissions.

Par exemple, Cummins (CMI ) et Ford Motor (F ) investissent dans la technologie des moteurs à combustion à hydrogène, tandis que ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) a créé l’architecture Duplex Burner pour améliorer l’efficacité énergétique et répondre aux normes d’émissions strictes.

Alors, examinons de plus près le potentiel d’investissement d’un innovateur qui continue de développer de nouvelles approches du moteur à combustion et de le faire prospérer.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ : WPRT)

Un fournisseur de premier plan de systèmes de carburants alternatifs avancés, Westport Fuel Systems (WPRT ) opère à travers plusieurs segments, dont Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM et Corporate. 

Avec une capitalisation boursière de 72,5 millions de dollars, les actions Westport se négocient actuellement à 4,70 $, en hausse de 27,93 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -1,57, et le ratio P/E (TTM) est de -2,91.

L’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 66,2 millions de dollars au troisième trimestre 2024, soit une baisse de 14 % par rapport au même trimestre de l’année précédente. Le chiffre d’affaires a été stimulé par la transition des actifs Heavy-Duty OEM vers Cespira, une coentreprise entre Volvo Group et Westport.

Grâce à cette coentreprise, Westport Fuel Systems et Volvo Group visent à développer, promouvoir et accélérer la commercialisation de la technologie HPDI. Cela les aidera à se concentrer sur la progression de solutions de transport abordables et durables utilisant le moteur à combustion interne fonctionnant avec des carburants renouvelables, pour l’instant, et l’hydrogène à l’avenir.

En particulier, on s’attend à ce que la coentreprise ait un impact significatif sur les applications lourdes mondiales de transport longue distance et hors route. Les moteurs à combustion interne alimentés par HPDI, a déclaré le CTO de Volvo, Lars Stenqvist, sont censés « jouer un rôle crucial dans les efforts mondiaux de décarbonisation du transport commercial ».

Au cours du troisième trimestre, la perte nette de l’entreprise s’élevait à 3,9 millions de dollars, et les liquidités et équivalents de liquidités à la fin du trimestre étaient de 33,3 millions de dollars.

« Nous restons confiants quant au rôle que les carburants alternatifs joueront pour favoriser la durabilité dans le futur du transport et des applications industrielles. »

– PDG Dan Sceli

En parlant d’hydrogène, il a noté un ralentissement du développement des infrastructures mondiales, ce qui, à son tour, a affecté l’adoption des applications automobiles et industrielles alimentées par l’hydrogène. Selon Dan :

« Le succès de ce marché dépend de l’installation d’infrastructures et de la production d’hydrogène propre, deux éléments qui se sont révélés lents à se concrétiser. »

Malgré cela, l’entreprise croit toujours que l’hydrogène en tant que carburant prévaudra, mais s’attend à ce que son adoption mondiale comme source de carburant propre soit un processus graduel plutôt qu’immédiat.

En attendant, Westport continuera à proposer une large gamme de carburants alternatifs à faible teneur en carbone et abordables tels que le propane, le gaz naturel, le gaz naturel renouvelable et l’hydrogène.

« Nous favorisons une performance plus propre en répondant aux réglementations sur les faibles émissions grâce à des applications pratiques utilisant l’innovation disponible aujourd’hui. »

– Dan

Conclusion 

Les moteurs à combustion sont à l’origine de la révolution de la mobilité. Cependant, un tel moteur ne fonctionne qu’avec un rendement d’environ 40 % tout en ayant un impact négatif important sur l’environnement en raison de l’utilisation de combustibles fossiles. Le secteur des transports est en réalité la deuxième plus grande source d’émissions de gaz à effet de serre dans le monde. 

Cela a conduit le monde à se tourner vers des alternatives plus vertes telles que les véhicules électriques. Mais cela ne s’arrête pas là ; même les moteurs à combustion évoluent pour suivre le changement environnemental, montrant leur potentiel inexploité même après un siècle. 

Des percées telles que les générateurs thermoélectriques (TEG) pour la récupération de chaleur perdue, les chaînes de traction hybrides et les carburants alternatifs comme l’hydrogène stimulent actuellement cette transformation. Grâce à la recherche et à l’innovation continues, les moteurs à combustion sont prêts à devenir plus efficaces et respectueux de l’environnement. Et à mesure que le monde adopte des technologies plus propres, ils ne coexisteront pas seulement avec les VE, mais pourraient même contribuer de manière significative à un avenir plus durable.

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