Il y a plus de six ans, Mazda a présenté une technologie qui promettait de révolutionner la combustion interne. Aujourd'hui, nous nous demandons s'il ne s'agissait pas d'une illusion.
Skyactiv-X, comme l'appelle Mazda, représentait l'aboutissement de décennies de recherche et de développement de l'industrie automobile sur un moteur à essence à allumage par compression. Pendant des années, les principaux constructeurs automobiles et groupes de recherche ont travaillé à la création d'un moteur à allumage par compression à charge homogène (HCCI), qui promettait une économie de carburant comparable à celle d'un moteur diesel avec beaucoup moins d'émissions.
Ford, GM, Nissan, Honda, Mercedes-Benz et Hyundai ont tous développé des prototypes de moteurs HCCI, et le ministère américain de l'Énergie a même financé des recherches sur cette technologie. Alors que la plupart des efforts semblaient s'essouffler, Mazda a fait de l'allumage par compression avec de l'essence une réalité.
Quelques notions de base : Les moteurs à essence fonctionnent généralement selon le cycle d'Otto. Dans ce cas, le moteur utilise une bougie d'allumage pour enflammer un mélange air-carburant soit prémélangé dans l'admission, soit, comme dans un moteur à injection directe, mélangé dans la chambre de combustion elle-même. Les moteurs diesel fonctionnent - vous l'avez deviné - selon le cycle diesel. La compression elle-même génère la chaleur nécessaire pour enflammer le mélange air-carburant. Il n'y a pas de bougies d'allumage.
"Un moteur diesel a un rendement plus élevé qu'un moteur à essence parce qu'il peut fonctionner avec un taux de compression plus élevé", explique Margaret Wooldridge, professeur au programme d'ingénierie mécanique de l'université du Michigan. "Mais le cycle d'Otto est intrinsèquement plus efficace que le cycle diesel, donc si nous pouvons faire fonctionner un moteur à allumage commandé à un taux de compression plus élevé, nous obtiendrons un meilleur rendement", explique Margaret Wooldridge. "La question est donc de savoir comment faire pour que l'allumage commandé à l'essence - où ce sont les propriétés du carburant qui limitent l'efficacité - ressemble davantage à un moteur diesel."
Un prototype de Mazda3 équipé d'un moteur Skyactiv-X.
Un moteur HCCI utilise de l'essence, mais fonctionne un peu comme un moteur diesel, en utilisant la compression au lieu de l'étincelle pour enflammer rapidement et uniformément un mélange air-carburant très pauvre. Ce mélange air-carburant est généré de la même manière que dans un moteur à essence, créant une charge homogène plutôt qu'hétérogène comme dans un moteur diesel. Un article paru en juin 2001 dans le Scientific American l'explique bien :
"Comme la quantité de carburant brûlant est faible par rapport au volume d'air à l'intérieur d'un moteur HCCI, les températures de combustion restent relativement basses. Cela signifie que le moteur ne produit que de faibles quantités d'oxyde et de dioxyde d'azote (collectivement, NOx). De même, comme la charge est bien mélangée et ne contient pas d'excès de carburant, la combustion ne génère que de faibles quantités de particules de suie. Le rendement des moteurs est élevé parce que le processus de combustion HCCI permet d'utiliser des taux de compression élevés, semblables à ceux des moteurs diesel (ce qui génère plus de puissance par unité de carburant brûlé) et parce que, comme les moteurs diesel, les moteurs HCCI peuvent répondre aux demandes de charge sans avoir recours à l'étranglement de l'admission, éliminant ainsi les 'pertes de respiration'."
Tout cela est bien beau, mais la combustion HCCI est un processus difficile à contrôler, de sorte qu'elle n'est possible que dans le cadre d'un ensemble très restreint de paramètres. Un rapport du New York Times d'août 2007 sur le prototype de moteur HCCI de GM note que l'allumage par compression n'était possible qu'entre 1 000 et 3 000 tr/min. Même dans cette plage, le conducteur devait être très prudent avec la pédale d'accélérateur. En dehors de cette plage de fonctionnement, le moteur revenait à l'allumage par étincelle classique.
Un moteur à essence Otto-cycle utilise l'étincelle pour contrôler le calage de l'allumage, tandis qu'un moteur diesel utilise l'injection de carburant pour la même raison. Selon M. Wooldridge, les deux offrent un contrôle très précis des performances du moteur. Il est beaucoup plus difficile d'obtenir une telle précision avec un moteur HCCI sans ces leviers. Sans étincelle, l'allumage par compression avec un mélange pauvre d'air et d'essence est imprévisible et, à un moment donné, la voiture doit de toute façon passer à l'allumage par étincelle.
La grande innovation de Mazda a été d'utiliser l'étincelle pour contrôler l'allumage par compression dans un processus appelé, de manière imaginative, allumage par compression contrôlé par étincelle (SPCCI). Comme l'explique un article du service de relations publiques de Mazda au Royaume-Uni, un moteur Skyactiv-X crée un mélange très pauvre d'air et de carburant pendant la course d'admission.
À la fin de la course de compression, un peu plus de carburant est injecté. Cela crée essentiellement deux mélanges air-carburant, un mélange riche formé juste à côté de la bougie d'allumage et un mélange plus pauvre dans toute la chambre de combustion. La bougie d'allumage enflamme le mélange riche et la boule de feu créée enflamme alors le mélange pauvre, commençant ainsi le processus d'allumage par compression. Comme la bougie d'allumage est toujours utilisée, le passage de l'allumage par compression à l'allumage par étincelle se fait rapidement et sans heurt.
Le fonctionnement de ce système nécessite beaucoup de matériel nouveau et on suppose qu'il est coûteux. Un capteur de pression dans le cylindre surveille les conditions à tout moment, tandis qu'un système d'injection à très haute pression, comme celui d'un moteur diesel, dose le carburant avec précision. Mazda utilise également un compresseur de suralimentation à embrayage de type Roots, non pas pour augmenter la puissance, mais pour appauvrir le mélange air-carburant jusqu'à deux fois le rapport idéal de 14,7:1.
Lors de son lancement, Mazda a vanté les mérites d'un moteur Skyactiv-X de 2,0 litres qui permettait une économie de carburant de 20 à 30 % par rapport à son homologue à allumage commandé Skyactiv-G. Dans sa version actuelle, avec un moteur Skyactiv-X de 2,0 litres, le moteur Skyactiv-X de 2,0 litres est plus performant. Dans sa version actuelle, avec un taux de compression de 15:1 (contre 16,3:1 pour les versions précédentes), le moteur Skyactiv-X développe 183 chevaux et 177 lb-pi de couple, contre 120 chevaux et 157 lb-pi pour le Skyactiv-G. Mais le Skyactiv-X affiche un rendement de 43,55 %. Pourtant, le Skyactiv-X affiche une consommation globale de 43,55 mpg selon le test européen WLTP. Cycle, tandis que la Skyactiv-G atteint 41,97 mpg. Les émissions de CO2 diminuent également, passant de 127 g/km à 121 g/km.
Il s'agit donc d'une forte augmentation de la puissance, qui s'accompagne d'une réduction de la consommation et des émissions. Et au moins, dans une Mazda3 britannique de la version supérieure, le moteur Skyactiv-X ne coûte qu'environ 8 % de plus. Génial, non ? Eh bien, Skyactiv-X ne semble pas encore avoir mis le feu aux poudres.
Mazda a refusé de dévoiler à Motor1 la répartition des ventes entre Skyactiv-X et Skyactiv-G, mais le SPCCI n'est disponible que sur le 2.0 litres de Mazda. Ce qui est le plus révélateur, c'est que Mazda n'a pas encore introduit Skyactiv-X aux États-Unis. Il s'agit du marché le plus important du constructeur, et de loin, puisqu'il a représenté environ 30 % de ses ventes l'année dernière. Au lieu de cela, il a mis en avant son moteur turbo de 2,5 litres, un groupe motopropulseur hybride rechargeable et un nouveau moteur à six cylindres en ligne de 3,3 litres.
Mazda a confirmé à Motor1 qu'elle travaillait sur un six cylindres Skyactiv-X, mais lorsqu'on lui a demandé si ce moteur ou tout autre moteur SPCCI serait commercialisé en Amérique, elle a simplement répondu : "Nous continuerons à faire de notre mieux pour offrir aux clients américains les produits/technologies qui répondent à leurs besoins".
Le six cylindres pourrait être notre meilleur espoir. Dans une interview accordée à Automotive News au début de l'année 2020, les ingénieurs de Skyactiv-X ont déclaré que le moteur actuel de 2,0 litres n'était pas assez puissant pour le marché américain. Ils ont également déclaré que les Américains n'accordent généralement pas autant d'importance à l'économie de carburant que les acheteurs d'autres marchés. Un moteur Skyactiv-X plus puissant pourrait donc convenir.
Selon M. Wooldridge, si l'industrie automobile s'efforce toujours d'améliorer la combustion interne, il n'y a pas beaucoup de travail en cours dans le domaine de la HCCI. "Il est possible de contrôler l'HCCI si l'on met en œuvre une technologie assez importante... La distribution variable a permis de réaliser de nombreuses avancées. Il y a eu des idées intéressantes avec le taux de compression variable", dit-elle. "Il est possible d'utiliser la force brute. Il ne fait aucun doute qu'il est possible d'en faire une réussite, mais d'après ce que j'ai vu, cela allait être très coûteux.
Pour Mazda, le fonctionnement du SPCCI nécessite une grande partie de ce matériel coûteux. Mazda est également un très petit constructeur automobile. Il n'a pas les ressources de GM, par exemple, mais il est confronté à la même pression pour engager d'énormes ressources dans l'électrification. Skyactiv-X est-il rentable dans sa forme actuelle ? Le sera-t-il un jour ?
Dans une récente interview accordée à Yahoo Finance, le PDG de Mazda North America, Tom Donnelly, a déclaré que la marque se concentrait sur les hybrides, les hybrides rechargeables et les véhicules électriques à batterie. Le SPCCI peut être bien adapté à un groupe motopropulseur hybride, dans lequel la voiture maintient le moteur dans sa fenêtre de fonctionnement la plus efficace et gère l'interaction entre la combustion interne et le(s) moteur(s) électrique(s). Mais il en va de même pour les cycles de combustion d'Atkinson et de Miller utilisés par les voitures hybrides d'aujourd'hui, et aucun ne nécessite tout le matériel sophistiqué du SPCCI.
En fin de compte, il est un peu trop tôt pour rendre un verdict sur Skyactiv-X, mais il semble que tout soit contre lui. Pourtant, nous vivons dans un monde en perpétuel changement. Mazda pourrait bien nous donner tort.