L'odeur de l'essence mêlée à celle de l'huile de moteur. Au centre, un établi où s'étalent pêle-mêle, du marteau à la clé de 12, tous les outils du parfait garagiste. Au fond, de vieilles armoires métalliques remplies de pièces détachées. Tout à coup, un vrombissement assourdissant envahit le vaste hangar : un étudiant vient de franchir la lourde porte séparant l'atelier de la cabine d'essai des moteurs. Alain Maiboom, chercheur au sein de l'équipe « Énergétique des moteurs à combustion interne » (EMCI), au Laboratoire de mécanique des fluides (LMF)¹, à Nantes, pointe son doigt en direction de la cloison transparente : « Au fond, vous apercevez le 2 litres HDI de chez PSA qui équipe notamment la 307. Ici c'est le 1,5 litre DCI et le K4M de chez Renault. Et à droite, un moteur un peu plus ancien qui équipait par exemple la 106. Chaque moteur est bardé d'une trentaine de capteurs qui enregistrent en direct la température et la pression des gaz à toutes les étapes d'un cycle. » La spécialité de l'équipe EMCI ? Le développement et l'optimisation de technologies dans le domaine des moteurs à combustion interne pour l'automobile. Avec deux objectifs majeurs : réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions polluantes. Un but poursuivi sur le double front de la simulation numérique et de la caractérisation expérimentale du fonctionnement d'un moteur.

De l'eau dans les rouages
Illustration avec l'une des nombreuses questions sur lesquelles planchent nos chercheurs : l'injection d'eau dans un moteur, sous la forme d'un léger brouillard, peut-elle permettre d'abaisser les émissions de dioxyde d'azote, un gaz devenu l'une des bêtes noires des normes antipollution, du fait de son effet irritant pour les poumons ? « Il se forme lorsque l'oxygène et l'azote de l'air, sous l'effet de la haute température qui règne au cœur d'un moteur thermique, se combinent. Ainsi, on espère que le brouillard d'eau, abaissant la température, diminuera la formation de ce polluant », détaille Alain Maiboom. Alors, l'œil vissé sur un écran de contrôle, Sami Shah, en deuxième année de thèse, suit les soubresauts d'une courbe représentant l'évolution dans le temps de la quantité d'eau injectée dans un moteur via un système prototype de sa fabrication. « J'essaie de stabiliser le système pour envoyer trois kilogrammes d'eau par heure, explique-t-il. Puis, je ferai une série de mesures des émissions polluantes. » Si les résultats sont là, un tel procédé équipera peut-être les prochaines générations de véhicules.
« Durant ma thèse, reprend Alain Maiboom, j'avais étudié la possibilité de réduire les émissions de dioxyde d'azote par un procédé de recirculation des gaz d'échappement dans le moteur. Ce système est déjà utilisé par certains constructeurs, et il s'agissait de bien comprendre l'influence de différents paramètres. Qui sait si l'avenir n'est pas dans une combinaison des deux procédés ? » Cette complémentarité entre optimisation de solutions existantes et mise au point d'idées nouvelles est au cœur de l'activité de l'équipe EMCI. « D'un côté, nous collaborons étroitement avec des constructeurs tels PSA ou Renault, et des équipementiers comme Valeo, sur des solutions existantes, explique Pascal Chesse, responsable de l'équipe. De l'autre, nous développons des prototypes. Notre rôle est alors d'indiquer aux constructeurs si ces options ont de l'avenir. Après, libre à eux de les exploiter ou pas, en intégrant des contraintes que nous n'étudions pas ici, comme la robustesse, la fiabilité ou la compacité du dispositif. »
Aujourd'hui, personne ne sait véritablement à quoi ressemblera le système de propulsion des futures générations d'automobiles. Une chose est sûre, leur cahier des charges devra intégrer de sérieuses contraintes environnementales. Il vise d'une part à réduire les émissions polluantes, d'autre part à baisser la consommation de carburant en vue notamment d'une diminution des émissions de dioxyde de carbone, puissant gaz à effet de serre. « De nombreux progrès ont été accomplis, assure Jean-François Hetet, directeur adjoint du LMF et membre de l'équipe EMCI. Mais aujourd'hui, nous devons faire face à une augmentation sans précédent du parc automobile mondial. Si nous voulons conserver notre liberté de déplacement, tout en prenant en compte la problématique du réchauffement et de l'augmentation du prix du pétrole, de nouvelles solutions sont à imaginer. » Pour Pascal Chesse, « si certaines voitures sont déjà dotées de batteries permettant de récupérer l'énergie mécanique dissipée lors du freinage sous forme électrique, on peut aussi envisager de le faire sous d'autres formes, mécaniques par exemple. Toutes les voies sont possibles et il faut tout essayer ».

Moteurs hybrides
Une possibilité est de se tourner vers des véhicules dits hybrides, associant généralement un moteur à combustion thermique (essence ou diesel) et un moteur électrique, ce dernier (moins polluant) prenant le relais dans certaines phases de fonctionnement d'une automobile. Sur cette problématique, le LMF est initiateur du projet « Pôle émergent pour la recherche ligérienne en énergie » (Perle) financé par la Région Pays de la Loire, dont l'ambition est de fédérer les savoir-faire de huit laboratoires, dont l'Institut de recherche en électrotechnique et électronique de Nantes Atlantique (Ireena). Comme l'explique Jean-François Hetet, « un hybride est évidemment plus complexe qu'un moteur thermique seul. D'où ce projet transversal associant des spécialistes aussi bien de l'électronique et de la mécanique que de l'optimisation algorithmique ».
En effet, non seulement le fonctionnement de chaque élément d'un moteur hybride doit être optimisé séparément, mais l'ensemble doit être composé de façon complexe afin d'atteindre les objectifs en termes de consommation, d'émissions ou de durée de vie. « L'idée consiste à mettre de l'intelligence dans le système afin d'aller vers les points de fonctionnement optimaux. Concrètement, il est nécessaire de modéliser de façon réaliste le fonctionnement de tous les éléments d'un hybride dans toutes les situations routières possibles. Puis de mettre au point des algorithmes de commande et des systèmes permettant au moteur de fonctionner de façon autonome et transparente pour l'utilisateur », détaille le chercheur.
Trois thèses ont déjà débuté dans le cadre du projet Perle. L'une d'elles, en cours au LMF, porte sur une meilleure prise en compte des modèles numériques de moteur à combustion. Jean-François Hetet poursuit : « Aujourd'hui, ceux-ci sont relativement simples. Mais lorsque nous arriverons à l'étape de la modélisation d'un hybride complet, avec le moteur thermique entouré de la batterie, et qu'il faudra déterminer le meilleur rendement du système en tenant compte de tous les types de parcours possibles, il sera essentiel de disposer de modèles intégrant plus de physique. »

De nouveaux bancs d'essai
Outre cette importante activité de modélisation, le projet Perle ira de pair avec une réfection des moyens expérimentaux de l'équipe EMCI. Dans le cadre du Contrat de projets État-Région 2007-2013, une plateforme régionale d'essais doit voir le jour pour les ensembles hybrides. Elle sera composée de trois nouveaux bancs d'essai moteur dits dynamiques, permettant d'étudier en détail les régimes dits transitoires de fonctionnement d'un moteur (freinage, changement de vitesse, descente…). « Nous disposerons aussi d'un banc d'essai à rouleaux dynamiques, sur lesquels on peut poser un véhicule, afin de tester directement le fonctionnement d'un moteur sur un véhicule, ajoute Pascal Chesse. Nous pourrons par exemple expérimenter différents scénarios de récupération d'énergie au cours de différentes phases réalistes de fonctionnement. »
En attendant, l'équipe EMCI ne manque pas de projets. Certains sont focalisés sur l'optimisation des performances du turbocompresseur d'un moteur, un élément permettant d'augmenter la pression du mélange air/carburant afin de gagner en efficacité et en puissance. Un autre consiste à caractériser en trois dimensions les instabilités aérodynamiques engendrées par l'écoulement des gaz autour d'une soupape. De fait, comme le précise Pascal Chesse, « la maîtrise du remplissage en air du moteur par les soupapes est l'une des clés de la performance et de la réduction de la pollution ».
Dans tous les cas, c'est une évidence, les activités de l'équipe EMCI sont à forte vocation appliquée. Ce qui n'empêche pas ses chercheurs de mettre systématiquement l'accent sur les aspects fondamentaux de leurs problématiques. Comme le résume Jean-François Hetet, « un moteur thermique est un objet on ne peut plus appliqué. Mais dont le fonctionnement se fonde sur des disciplines très fondamentales, telle la chimie, la thermodynamique physique ou l'aérodynamique. Par ailleurs, les résultats des recherches dans ce domaine ont des implications sociétales directes, c'est très stimulant ! » Sûr que ceux obtenus au LMF aideront à imaginer la voiture de demain.

Mathieu Grousson