La voiture thermique est un véhicule terrestre propulsé par un moteur à combustion interne qui transforme l'énergie chimique d'un carburant en énergie mécanique. Ce type de véhicule a révolutionné la mobilité et reste aujourd'hui très populaire dans le monde. On estime que plus de 90% des voitures en circulation sont des voitures thermiques.
L'histoire des voitures thermiques
L'invention du moteur à combustion interne remonte à la fin du XIXe siècle, avec des pionniers comme Karl Benz et Gottlieb Daimler. Le premier véhicule automobile à moteur à essence a été présenté en 1886 par Karl Benz, marquant ainsi le début de l'ère de la voiture thermique. Le succès des voitures thermiques s'est développé au XXe siècle, notamment grâce à la production de masse et à l'amélioration des technologies. La Ford T, lancée en 1908, a permis de démocratiser l'accès à l'automobile pour un large public.
Fonctionnement d'un moteur thermique
Cycles de combustion
Les moteurs thermiques fonctionnent selon différents cycles de combustion. Le cycle Otto, le plus répandu, est utilisé dans les moteurs à essence, tandis que le cycle Diesel est utilisé dans les moteurs diesel. Ces deux cycles diffèrent par leur mode d'allumage du mélange air-carburant : l'allumage par étincelle pour le cycle Otto et l'auto-inflammation pour le cycle Diesel. Le cycle Otto est caractérisé par un rapport de compression plus faible que le cycle Diesel, ce qui explique sa consommation de carburant plus importante.
Composants d'un moteur thermique
Un moteur thermique se compose de plusieurs pièces essentielles :
- Cylindres : Ces cavités abritent les pistons et sont le lieu de la combustion. Le nombre de cylindres varie en fonction de la puissance du moteur : un moteur 4 cylindres est plus courant pour les voitures de tourisme, tandis qu'un moteur V8 est plus puissant et utilisé dans les voitures de sport.
- Pistons : Ces éléments mobiles transforment l'énergie de la combustion en mouvement linéaire. Le mouvement des pistons est synchronisé par le vilebrequin.
- Vilebrequin : Cet axe relie les pistons et transforme le mouvement linéaire en mouvement rotatif. Le vilebrequin est relié à la boîte de vitesses, qui transmet la puissance aux roues.
- Soupapes : Ces éléments contrôlent l'admission d'air et l'évacuation des gaz brûlés. Les soupapes d'admission s'ouvrent pour laisser entrer l'air dans le cylindre, tandis que les soupapes d'échappement s'ouvrent pour évacuer les gaz brûlés.
- Système d'allumage : Ce système crée l'étincelle nécessaire à l'allumage du mélange air-carburant dans les moteurs à essence. Le système d'allumage comprend une bobine d'allumage, des bougies d'allumage et des fils haute tension.
Transformation de l'énergie
La combustion du carburant dans les cylindres crée une explosion qui pousse les pistons vers le bas. Ce mouvement linéaire est transformé en mouvement rotatif par le vilebrequin, qui est ensuite transmis aux roues du véhicule. L'énergie chimique du carburant est donc convertie en énergie mécanique pour propulser la voiture. Ce processus implique des pertes d'énergie, notamment sous forme de chaleur.
Système d'alimentation
Le carburant est injecté dans les cylindres par un système d'injection ou par un carburateur. Les moteurs modernes utilisent généralement un système d'injection électronique pour une meilleure précision et un meilleur rendement énergétique. Les voitures thermiques utilisent différents types de carburant : l'essence, le diesel et, plus récemment, le gaz naturel.
Système d'échappement
Le système d'échappement évacue les gaz brûlés et les polluants générés par la combustion. Les pot d'échappement et les catalyseurs réduisent les émissions nocives pour l'environnement. Cependant, les voitures thermiques émettent malgré tout du CO2, des NOx et des particules fines, contribuant au réchauffement climatique et à la pollution atmosphérique. Les normes Euro, mises en place en Europe, visent à réduire les émissions des voitures thermiques. Par exemple, la norme Euro 6, en vigueur depuis 2015, impose des limites strictes pour les émissions de NOx et de particules fines.
Différences entre les voitures thermiques
Types de moteurs
Les voitures thermiques se distinguent principalement par le type de moteur utilisé : à essence ou diesel. Les moteurs à essence sont généralement plus légers, plus silencieux et offrent de meilleures performances à haut régime. Les moteurs diesel sont plus économes en carburant, ont un couple plus élevé et une meilleure endurance. Cependant, ils sont également plus lourds, plus bruyants et émettent davantage de NOx et de particules fines.
Par exemple, la Volkswagen Golf est disponible avec un moteur à essence 1.5 TSI de 150 chevaux ou un moteur diesel 2.0 TDI de 150 chevaux. Le moteur à essence offre une accélération plus rapide, tandis que le moteur diesel est plus économique et offre un meilleur couple à bas régime.
Transmissions
Les voitures thermiques peuvent être équipées de différentes transmissions :
- Transmission manuelle : Le conducteur change les vitesses manuellement, offrant un contrôle précis et une meilleure économie de carburant. La transmission manuelle est généralement moins coûteuse qu'une transmission automatique.
- Transmission automatique : La boîte de vitesses change automatiquement les vitesses en fonction de la vitesse et du régime du moteur, offrant un confort de conduite accru. Les transmissions automatiques sont de plus en plus sophistiquées, avec des technologies comme la boîte à double embrayage ou la boîte à variation continue.
- Transmission robotisée : Ce type de transmission combine les avantages de la transmission manuelle et automatique, offrant un changement de vitesse plus rapide et une consommation de carburant réduite. Les transmissions robotisées sont souvent associées à des systèmes d'embrayage à sec, ce qui peut provoquer un léger à-coup au passage des vitesses.
Technologies de réduction des émissions
De nombreuses technologies ont été développées pour réduire les émissions des voitures thermiques :
- Injection directe : Ce système injecte le carburant directement dans la chambre de combustion, améliorant la combustion et réduisant les émissions. L'injection directe permet d'obtenir un meilleur rendement énergétique et une puissance plus importante.
- SCR (Selective Catalytic Reduction) : Cette technologie utilise un catalyseur et un fluide d'échappement diesel (DEF) pour réduire les émissions de NOx. Le SCR est particulièrement efficace pour les moteurs diesel.
- FAP (Filtre à Particules) : Ce filtre capture les particules fines émises par les moteurs diesel, réduisant ainsi la pollution atmosphérique. Le FAP est obligatoire sur tous les véhicules diesel neufs en Europe depuis 2011.
Hybridation
Les voitures hybrides combinent un moteur thermique à un moteur électrique, offrant une meilleure économie de carburant et de faibles émissions. Ces véhicules utilisent le moteur électrique pour démarrer et rouler à faible vitesse, tandis que le moteur thermique prend le relais à vitesse plus élevée. Les voitures thermiques hybrides peuvent être rechargeables, ce qui leur permet de fonctionner en mode électrique pur sur de courtes distances.
Par exemple, la Toyota Prius est une voiture hybride rechargeable. Elle peut parcourir environ 50 km en mode électrique uniquement, ce qui la rend idéale pour les trajets urbains. La Toyota Prius est l'une des voitures hybrides les plus vendues dans le monde.
Avantages et inconvénients des voitures thermiques
Avantages
- Prix d'achat inférieur : Les voitures thermiques sont généralement moins chères à l'achat que les voitures électriques.
- Infrastructure de recharge accessible : Les stations-service pour les voitures thermiques sont beaucoup plus répandues que les bornes de recharge pour les voitures électriques.
- Autonomie supérieure : Les voitures thermiques peuvent parcourir des distances plus longues sans recharge que les voitures électriques. Une voiture thermique peut parcourir en moyenne 600 km avec un plein d'essence, tandis qu'une voiture électrique peut parcourir environ 300 km avec une charge complète.
- Performances élevées : Les voitures thermiques offrent généralement de meilleures performances en termes d'accélération et de vitesse de pointe que les voitures électriques.
Inconvénients
- Émissions polluantes : Les voitures thermiques émettent du CO2, des NOx et des particules fines, contribuant au réchauffement climatique et à la pollution atmosphérique.
- Consommation de carburant : Les voitures thermiques consomment du carburant fossile, qui est une ressource non renouvelable et dont la production est polluante.
- Coût d'entretien élevé : Les voitures thermiques nécessitent un entretien plus fréquent et plus coûteux que les voitures électriques.
- Bruit de fonctionnement : Les moteurs thermiques émettent un bruit important, ce qui peut être gênant en ville.
L'avenir des voitures thermiques
L'essor des voitures électriques et l'évolution des réglementations environnementales obligent les constructeurs automobiles à revoir leurs stratégies et à développer des technologies plus propres pour les voitures thermiques.
Les normes Euro, qui fixent des limites d'émissions de polluants pour les véhicules, deviennent de plus en plus strictes. Les constructeurs automobiles doivent donc investir dans des technologies de réduction des émissions comme l'injection directe, le SCR et le FAP.
Des technologies émergentes comme les moteurs hybrides, les carburants synthétiques et les carburants de synthèse pourraient également jouer un rôle important dans l'avenir des voitures thermiques. Ces technologies pourraient permettre de réduire les émissions et d'améliorer l'efficacité énergétique des voitures thermiques.
Malgré les défis, les voitures thermiques continueront à jouer un rôle important dans le paysage automobile pendant plusieurs années encore. Leur prix d'achat plus abordable, leur autonomie plus élevée et leur infrastructure de recharge plus accessible les rendent toujours attractives pour certains conducteurs. Cependant, l'avenir des voitures thermiques sera probablement marqué par une transition progressive vers des technologies plus propres et plus durables.