Décembre 2023 : Le cycle Atkinson

Le fonctionnement d’un moteur thermique repose sur des cycles thermodynamiques. Parmi les moteurs thermiques à 4 temps, la majorité des moteurs à essence utilise le cycle de Beau de Rochas (ou cycle d’Otto). Aujourd’hui, un autre cycle se développe sur les moteurs essence des automobiles hybrides : le cycle Aktkinson.

Alfonse Eugène Beau, dit de Rochas

Un peu d’histoire. Les bases théoriques et techniques des moteurs thermiques actuels ne sont pas récentes, le cycle thermodynamique d’Atkinson n’y échappe pas. C’est en 1882 que l’ingénieur britannique James Atkinson inventa ce cycle afin, pour l'anecdote, de ne pas avoir à reprendre les brevets de Nikolaus Otto. Ce dernier est considéré à l’époque comme l’inventeur du moteur à 4 temps mais ce titre sera attribué à Alphonse Eugène Beau un peu plus tard (et encore, ce n’est semble-t-il pas si simple).

Longtemps mis de côté, ce cycle revient doucement sur le devant de la scène dès la fin des années 1990.

La Toyota Prius, première auto moderne à utiliser un moteur à cycle Atkinson

Pour comprendre ce qu’est un moteur à cycle Atkinson, il faut déjà comprendre comment fonctionne un moteur à essence classique. En parallèle de notre page qui développe le sujet du moteur à 4 temps, nous allons donc faire un rapide rappel, en partant d’un piston positionné au plus haut de sa course, ce qu’on appelle le Point Mort Haut (PMH).

- 1er temps du cycle : le piston descend. L’air ou le mélange entre alors par le conduit d’admission qui est ouvert. C’est ce qu’on appelle l’admission.
- 2ème temps : lorsque le piston arrive au point le plus bas de sa course (Point Mort Bas ou PMB), l’admission est fermée et le cylindre remonte. Il compresse l’air ou le mélange. C’est la phase de compression. En fin de course, le mélange est enflammé.
- 3ème temps : l’explosion du mélange repousse le piston vers son PMB. C’est la détente et c’est en réalité, le seul temps “moteur” dans un cycle à 4 temps.
- 4ème temps : Après avoir passé le point mort bas, le piston remonte alors que le conduit d’échappement est ouvert. C’est ce qu’on appelle logiquement l’échappement.

Voilà la base. Maintenant qu’elle est la différence dans un moteur à 4 temps à cycle Atkinson ? Finalement, pas grand chose. LA grosse différence est le moment où a lieu la fermeture de l’admission. Avec le cycle Atkinson, la fermeture a lieu après que le piston ait passé pour la 1ère fois son point mort bas. Bref, ce cycle réduit le volume d’air ou de mélange et raccourcit le temps de compression.

A quoi cela sert-il ?

En gardant l’admission ouverte au début de la remontée du piston, une partie de l’air ou du mélange est chassé du cylindre. Quand la conduite d’admission est fermée et que le piston continue de remonter, il comprime moins de mélange. La pression est alors beaucoup plus faible, pression qui restera bien plus faible tout le long du temps moteur suivant, la détente. C’est l’objectif de l’application du cycle Aktinson. Plus la pression à la fin de la détente est faible, plus l’énergie issue de la combustion a été récupérée. Il “reste” moins d’énergie quand le piston arrive à son point mort bas.

Il y a aussi un autre avantage à cette plus faible pression ; augmenter le taux de compression, ou plus précisément le rapport volumétrique. Il s’agit du rapport entre le volume du cylindre lorsque le piston est au PMB et celui quand le piston est au PMH) sans risque de cliquetis et de phénomènes d’auto-allumage nocifs pour un moteur. Or, l’augmentation de rapport volumétrique améliore le rendement d’un moteur.

Si en plus, on rentre dans l’équation les frottements, le dimensionnement des pièces en mouvement, on s’aperçoit que le rendement, au sens thermodynamique du terme, c’est-à-dire le rapport entre l’énergie restituée et l’énergie consommée, est bien meilleur qu’avec un cycle Beau de Rochas ; meilleur combustion, moins de consommation, moins de rejets de polluants et de CO2. Mais alors pourquoi ne retrouvons nous pas ce cycle sur tous les moteurs ?

Comme nous l’écrivions, ce cycle n’a été développé tout seul. Il a été mis au point pour ne pas utiliser le brevet de Nikolaus Otto (ou d’Alphonse Eugène Beau de Rochas, comme vous le souhaitez). Ce brevet décrivait aussi une mécanique particulière. De plus, la gestion des temps d'ouverture de l’admission et de l’échappement n’étaient pas aussi "simples" qu'aujourd'hui. James Atkinson dessina alors un moteur bien différent des moteurs à cycle de Beau de Rochas, avec en particulier un système d’embiellage bien complexe.

Le moteur développé par Atkinson était mécaniquement bien plus complexe. Comme les brevets ne durent qu’un temps, ce cycle aurait pu être adapté à un moteur Beau de Rochas mais cela n’a pas été fait tout de suite. Il y a en effet une autre raison. Ce cycle fait aussi perdre du couple et de la puissance à cylindrée égale. Rien de bien surprenant puisqu’il utilise moins de mélange, même s’il l’exploite mieux…

C’est l'hybridation qui va lui donner sa chance. En effet, l’apport d’un moteur électrique qui compense la perte de couple et de puissance, l’utilisation de boîtes automatiques dont le nombre de rapports ne cesse d’augmenter, voire de l’utilisation de transmission à démultiplication variable en continu, permettent de maintenir le moteur dans ses régimes de meilleur rendement. Combiné à toutes les évolutions en termes de gestion d’injection, de calage de la distribution, il est aujourd’hui bien plus facile d’utiliser ce cycle sur un moteur à 4 temps.

Attention à ne pas confondre ce cycle Atkinson avec le cycle de Miller, plus récent. Ils ont des points communs, comme celui de baisser le volume d’air admis et donc de pression, mais ils ne reposent pas sur le principe.

Texte : Sébastien Péreaux