Comment fonctionnent les moteurs thermiques, hybrides et électriques ?

Moteur thermique, électrique et hybride : quelles différences ?

Les véhicules essence et diesel dominent toujours le classement des ventes auto en France. Pourtant, la concurrence est de plus en plus rude avec l’essor des voitures électriques et hybrides. Dans ce contexte, il est plus que temps de faire le point sur ce qui différencie principalement ces trois technologies : le fonctionnement de leur moteur.

Moteur thermique : un fonctionnement en 4 temps

Bien qu’il existe des différences entre les différentes motorisations, notamment entre les diesel et essence, le fonctionnement d’un moteur thermique respecte un principe général : transformer l’énergie thermique produite par la combustion d’un carburant en énergie mécanique. Au moment de brûler au contact de l’air, le carburant déclenche une dilatation importante des gaz, augmentant ainsi la pression. Celle-ci va alors actionner les pistons vers le bas, ce mouvement étant ensuite transformé en rotation par un ensemble de pièces mécaniques afin d’actionner indirectement les roues.

Aussi appelé moteur à combustion ou moteur à explosion, le moteur thermique des voitures modernes est le plus souvent à 4 temps. Comme son l’indique, le cycle de fonctionnement repose sur 4 étapes, celles-ci variant légèrement entre motorisation essence et diesel.

L’admission : un mélange de carburant et d’air est intégré dans une chambre fermée, déclenchant l’ouverture du ou des soupapes d’admission. En descendant, le piston va alors aspirer le mélange dans le cylindre sous pression.

La compression : une fois le mélange carburant et air dans la chambre de combustion, la soupape d’admission se ferme afin de permettre la compression. Dans sa lancée du précédent cycle, le piston va alors comprimer le mélange jusqu’à 30 bars et le porter à une température de 400 à 500 °C.

La combustion : peu de temps avant le moment où le piston atteint son point culminant, appelé point mort haut (PMH), une étincelle est produite grâce à la bougie d’allumage, celle-ci créant un courant. Cette étincelle vient alors enflammer le mélange carburant et air, libérant des gaz chauds sous pression (40 à 60 bars) afin de repousser le piston vers le bas. Cette action du piston permet ainsi de déclencher une énergie mécanique, transmisse ensuite vers les roues.

L’échappement : une fois la combustion réalisée, le cylindre ne contient plus que les fumées créées par l’opération. La soupape d’échappement va alors s’ouvrir rapidement afin que ces fumées soient expulsées par l’action du piston qui remonte. Elles circulent alors jusqu’à l’échappement, sont traitées par un catalyseur afin d’en diminuer la pollution, avant d’être libérées dans l’air via le pot d’échappement. Le cycle peut alors redémarrer à la première étape.

Ce fonctionnement schématique ne s’applique cependant pas à tous les moteurs thermiques. Dans le cas d’une motorisation diesel par exemple, aucune bougie n’est nécessaire pour produire la combustion. En effet, celle-ci se crée grâce à l’injection à haute pression du carburant afin de produire un mélange instable avec l’air comprimé et l’oxygène.

Moteur électrique : la création d’un champ magnétique

Contrairement à son homologue thermique, le moteur électrique n’exploite pas l’énergie thermique produite par la combustion pour générer du mouvement. Pour sa part, il repose sur la création d’un champ magnétique permettant de produire une énergie mécanique. Le principe est de générer ce champ magnétique grâce à un courant électrique, mettant en mouvant un aimant ayant son propre champ. Cela permet alors de mettre indirectement les roues en mouvement, et ce, par l’intermédiaire d’un axe circulaire capable de transformer le mouvement initial en mouvement linéaire.

Bien que l’on distingue de nombreux types de motorisations électriques (rotatives, synchrones, asynchrones, linéaires, etc.), leur fonctionnement repose toujours sur trois éléments essentiels.

L’accumulateur : il s’agit de la batterie de la voiture, généralement lithium-ion, dont le rôle est de fournir un courant électrique au moteur afin d’actionner le mouvement des aimants.
Le stator : il s’agit de la partie fixe du moteur électrique. Constitué de bobines, il est alimenté en courant via l’accumulateur afin de produire un champ magnétique, capable de mettre en mouvement le rotor.
Le rotor : il s’agit de l’élément mobile du moteur qui, bien qu’il ne soit généralement pas alimenté en électricité, va se mettre en mouvement grâce au champ magnétique créé par le stator.

À l’heure actuelle, la plupart des moteurs électriques sont dits synchrones. Dans cette configuration, le stator se compose de plusieurs bobines (3 au minimum), tandis que le rotor prend la forme d’un aimant permanent (avec un pôle – et un pôle +). Lorsque le courant traverse les bobines, celles-ci se transforment en aimants. Dès lors, les pôles + et – des bobines vont attirer (- avec +) ou repousser (- avec – ou + avec +) le rotor afin de le mettre en mouvement, et ce, par le biais de la force magnétique créée.

En comparaison d’un moteur thermique, le moteur électrique présente plusieurs avantages :

il ne dégage pas de CO2 à l’usage ;
le rendement est supérieur, dans la mesure où l’énergie thermique produite par la combustion occasionne d’importantes pertes de chaleur ;
l’usure du moteur est moindre puisque la transmission d’énergie se fait sans contact via la force magnétique, contrairement au moteur thermique qui impose des frottements à ses pièces mécaniques.

Moteur hybride : la combinaison de l’électrique et du thermique

Comme son nom le laisse entendre, une voiture à motorisation hybride combine les deux technologies : un moteur thermique, le plus souvent essence, et un ou plusieurs moteurs électriques. Cette architecture permet de conjuguer les avantages de l’électrique et du thermique :

la motorisation électrique garantit une grande efficacité à basse vitesse et une absence d’émissions polluantes en fonctionnement ;
la motorisation thermique offre une autonomie plus importante et davantage de puissance à vitesse élevée.

Bien qu’il existe différentes technologies, que nous abordons par la suite, le fonctionnement d’un moteur hybride repose généralement sur 3 phases distinctes, l’ensemble étant géré et paramétré grâce au système électronique embarqué. Ce dernier tenant notamment compte du niveau de charge de la batterie, des besoins en électricité des occupants (chauffage, climatisation, etc.) ou encore de la température du moteur thermique.

Au démarrage : c’est le ou les moteurs électriques qui assurent la mise en mouvement de la voiture. Selon la technologie et les choix du constructeur, ils permettent juste le démarrage du véhicule ou peuvent être utilisés jusqu’à des vitesses élevées (70 km/h par exemple).
À l’accélération : lorsqu’une puissance plus importante que celle fournie par le moteur électrique est nécessaire, le moteur thermique entre en mouvement, remplaçant ou épaulant l’électrique, permettant dans ce second cas d’additionner les couples des moteurs.
Au freinage : lors des phases de décélération, mais aussi en descente, une partie de l’énergie cinétique produite est convertie en électricité afin de recharger la batterie, et ce, grâce au freinage régénératif, plus ou moins performant selon les modèles.

Comme nous l’évoquions précédemment, on distingue essentiellement trois niveaux d’hybridation, définis en fonction de l’importance du moteur électrique et de sa combinaison avec le moteur thermique.

L’hybridation légère : forme minimale d’hybridation, cette technologie nécessite que le moteur thermique soit constamment allumé lorsque le véhicule est en fonctionnement. Le moteur électrique, pour sa part, sert principalement à fournir un supplément de puissance lors des démarrages et des reprises. C’est le freinage régénératif qui vient recharger la batterie en descente et lors des décélérations, le véhicule ne pouvant pas être branché sur une borne.
Le full hybrid : associé à une batterie d’une capacité plus importante, variable selon les modèles, le moteur électrique peut fonctionner en complément du moteur thermique ou individuellement. Dans ce second cas, il est principalement utilisé lors des démarrages, des premiers kilomètres et à vitesse réduite. La recharge de la batterie se fait par récupération de l’énergie cinétique, mais aussi en utilisant la puissance du moteur thermique, le véhicule ne pouvant pas être branché à une borne une nouvelle fois.
L’hybride rechargeable : aussi connue sous le nom de « plug-in hybrid », cette technologie se distingue par l’usage d’une batterie d’une capacité plus importante, celle-ci pouvant être directement rechargée sur le réseau électrique (en plus du freinage régénératif et de la récupération de la puissance du moteur thermique). Les voitures hybrides rechargeables offrent ainsi une autonomie 100 % électrique plus élevée. Selon les modèles, le moteur thermique n’est utilisé que lorsque la batterie est déchargée et/ou au-delà d’une certaine vitesse.

On distingue également plusieurs dispositions mécaniques, définissant la connexion entre les moteurs thermique et électrique et impactant ainsi le fonctionnement du véhicule.

L’hybride parallèle : dans cette disposition, les deux moteurs peuvent être utilisés pour faire tourner les roues du véhicule. Il peut s’agir d’un système parallèle différencié (le moteur thermique est placé sur l’essieu arrière, tandis que le ou les moteurs électriques sont sur l’autre essieu et fonctionnent indépendamment), parallèle doublé (une motorisation hybride sur un essieu et un moteur électrique sur l’autre) ou parallèle simple (le moteur électrique et le moteur thermique sont placés sur le même arbre moteur).
L’hybride série : dans cette configuration, seul le moteur électrique est en mesure d’impulser un mouvement aux roues. Le moteur thermique, pour sa part, sert uniquement à produire de l’électricité afin d’alimenter la motorisation électrique.

CE QU’IL FAUT RETENIR

Le moteur thermique repose sur la combustion d’un carburant afin de créer de l’énergie thermique, transformée en énergie mécanique.
Le moteur électrique permet la création d’un champ magnétique grâce à des aimants, ces derniers produisant une énergie mécanique lorsqu’ils se repoussent ou s’attirent.
Le moteur hybride combine une motorisation thermique et une motorisation électrique. Ces deux dernières peuvent être utilisées conjointement ou séparément afin de mettre les roues en mouvement.

LE POINT DE VUE DE LAURIE

« Si ces trois technologies présentent leur lot d’avantages et d’inconvénients, tout laisse à penser que c’est bien la voiture électrique qui est amenée à se démocratiser à court terme, dans la mesure où tout l’écosystème tend vers cette réalité (réglementations, aides fiscales, etc.). »