Cycle d'Atkinson

Le cycle d'Atkinson est un cycle thermodynamique utilisé dans un moteur à combustion. Il a été inventé par James Atkinson en 1882. Ce cycle, qui utilise une détente plus grande que la compression, améliore le rendement au prix d'une puissance plus faible. Il est utilisé dans les voitures hybrides modernes[1].

Moteur Atkinson tel que décrit dans le brevet américain no 367496

Conception
Animation d'un moteur à cycle Atkinson

Le moteur à cycle d'Atkinson original permettait l'admission, la compression, la combustion et l'échappement en un seul tour de vilebrequin. Il était conçu pour contourner les brevets de Nikolaus Otto.

Du fait de la conception particulière du vilebrequin, le taux de détente est supérieur au taux de compression, ce qui améliore le rendement du moteur par rapport à un cycle de Beau de Rochas conventionnel. Le cycle thermodynamique avec détente prolongée a été repris par Toyota pour ses hybrides, les moteurs Sky-Active chez Mazda, Ford avec le Ford Kuga et Renault avec les Captur et Arkana hybrides, ce qui permet d'améliorer le taux de compression (14:1) comparé à un cycle d'Otto, afin d'offrir un meilleur rendement : de meilleures consommations, des rejets de CO2 et de polluants (NOx, particules) réduits.

Cycle thermodynamique idéal
Figure 1 : cycle d'Atkinson

Le cycle d'Atkinson idéal (il ne s'agit pas de la courbe réelle thermodynamique du moteur - un cycle Diesel théorique présente le même profil de courbe) est composé de :

Moteur à quatre temps à cycle d'Atkinson

Le cycle Atkinson peut aussi faire référence à un moteur à quatre temps dans lequel la soupape d'admission est maintenue ouverte au-delà du point mort bas pour permettre l'éjection d'une partie de l'air ou du mélange précédemment admis. La compression ne se fait donc pas sur toute la longueur de la remontée du piston. La pression de fin de compression est moindre du fait de cette réduction de la quantité d'air ou de mélange admis. La course de détente reste inchangée, elle est donc plus longue que la course effective de compression. L'objectif du cycle Atkinson est d'abaisser autant que possible la pression de fin de détente, afin de récupérer un maximum d'énergie mécanique.

L'inconvénient principal d'un moteur à quatre temps à cycle Atkinson est sa puissance réduite par rapport à un cycle de Beau de Rochas classique de même cylindrée, car il admet moins d'air et donc moins de combustible.

Il n'est cependant pas démontré que le rendement global du moteur soit supérieur à un cycle Beau de Rochas, notamment vis-à-vis de la moindre utilisation de la cylindrée, masses en mouvement supérieures à puissance comparable, frottements internes supérieurs pour une puissance identique, etc. Si le rendement était supérieur, il serait standardisé pour tous les types de véhicules, car avec les nouvelles boites automatiques à un grand nombre de vitesses (7, 8, 9...), on pourrait toujours faire travailler chaque moteur dans sa meilleure zone de rendement[réf. nécessaire].

Ce cycle ne doit pas être confondu avec le cycle de Miller.

Moteur à piston rotatif à cycle d'Atkinson
Moteur rotatif à cycle d'Atkinson

Le cycle d'Atkinson peut être utilisé dans un moteur à piston rotatif. Dans cette configuration, on peut à la fois accroître la puissance et le rendement par rapport à un cycle de Beau de Rochas. Ce type de moteur comporte un cycle moteur par tour, tout en offrant la différence de pression de compression et de taux de détente propres au cycle d'Atkinson. Les gaz d'échappement sont évacués du moteur par de l'air comprimé de balayage. Cette modification du cycle d'Atkinson permet l'utilisation de carburants tels que le gazole ou l'hydrogène (voir les liens externes).

Véhicules utilisant le cycle d'Atkinson
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Toyota Prius 2004 NHW20

Dans un véhicule hybride, la puissance « de pointe » plus faible du moteur à cycle d'Atkinson[2] est compensée par un appoint de puissance par le moteur électrique. C'est le principe de base de la transmission des voitures hybrides à cycle d'Atkinson. Le ou les moteurs électriques peuvent être utilisés indépendamment ou en parallèle avec le moteur à cycle d'Atkinson afin d'obtenir la puissance et le couple désirés.

Véhicules utilisant le cycle d'Atkinson :

N.B. : le taux de compression défini ci-dessus ne correspond qu'à la course physique du piston du point mort bas au point mort haut, alors que la compression réelle dépend aussi du moment où la soupape d'admission se ferme.

Références
  1. Qu'est-ce que le cycle Atkinson dans les moteurs des voitures hybrides? auto123.com, consulté le 15 novembre 2014
  2. (en) John B Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, p. 184-186.

Liens externes
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