Comment fonctionnent les moteurs de voiture : moteurs à combustion interne vs. moteurs électriques expliqués

Deux machines très différentes font avancer la plupart des voitures sur les routes aujourd'hui. L'une brûle du carburant liquide à l'intérieur de cylindres métalliques ; l'autre utilise l'électricité pour faire tourner des aimants. Comprendre ce qui se passe sous le capot explique pourquoi ces véhicules se comportent, sonnent et se maintiennent de manière si différente.

Comment fonctionne un moteur à combustion interne

Selon le département américain de l'Énergie, un moteur à combustion interne (ICE) se compose d'un cylindre fixe et d'un piston mobile. Le carburant se brûle à l'intérieur du cylindre, et les gaz en expansion poussent le piston, qui fait tourner le vilebrequin et finalement entraîne les roues du véhicule.

La plupart des véhicules ICE fonctionnent selon un cycle à quatre temps, comme l'explique le département de l'Énergie : admission, compression, combustion/puissance et échappement. Pendant l'admission, le piston se déplace vers le bas alors qu'une soupape d'admission s'ouvre pour laisser entrer l'air et le carburant. Pendant la compression, la soupape se ferme et le piston se déplace vers le haut, comprimant le mélange air-carburant. Dans la course de puissance, le mélange comprimé s'enflamme — poussant le piston vers le bas — et dans la course d'échappement, le piston remonte alors qu'une deuxième soupape s'ouvre pour expulser les gaz brûlés.

Le département de l'Énergie distingue deux conceptions de moteurs principales : les moteurs à essence à allumage par étincelle, où une bougie d'allumage enflamme le mélange carburant-air, et les moteurs diesel à allumage par compression, où le carburant s'auto-enflamme dans l'air chaud et fortement comprimé. Les ICE peuvent également fonctionner avec des carburants alternatifs tels que le gaz naturel, le propane, le biodiesel ou l'éthanol, et peuvent être combinés avec des composants électriques dans des systèmes hybrides ou hybrides rechargeables.

Comment fonctionne un moteur de voiture électrique

Les véhicules entièrement électriques remplacent le moteur par un ou plusieurs moteurs électriques de traction alimentés par un bloc de batteries rechargeables, selon le site fueleconomy.gov du gouvernement américain et le Centre de données sur les carburants alternatifs (AFDC) du département de l'Énergie. L'AFDC énumère les composants principaux : une batterie de traction qui stocke l'énergie, un port de charge et un chargeur embarqué qui convertissent l'électricité CA entrante en CC pour la recharge, un convertisseur CC/CC qui abaisse la tension pour les accessoires, un contrôleur d'électronique de puissance qui gère la vitesse et le couple du moteur, et le moteur électrique de traction lui-même, qui entraîne les roues (dans la plupart des conceptions par une transmission).

Alimenté par la batterie de traction, le contrôleur d'électronique de puissance gère la quantité d'énergie électrique atteignant le moteur électrique de traction et contrôle la vitesse et le couple que produit le moteur, selon l'AFDC. Un système thermique séparé maintient la batterie, le moteur et l'électronique dans leur plage de température de fonctionnement appropriée, note l'AFDC.

Le freinage régénératif : le moteur fonctionnant en inverse

Une caractéristique sans équivalent dans un véhicule ICE conventionnel est le freinage régénératif. Comme le décrivent les pages de technologie grand public de Mazda, citant les estimations du département de l'Énergie, lorsque le conducteur lâche l'accélérateur, freine ou descend une pente, le moteur électrique inverse ses rôles : au lieu de consommer l'énergie de la batterie pour faire tourner les roues, les roues qui tournent font tourner le moteur, qui agit désormais comme un générateur et renvoie l'électricité à la batterie. Le département de l'Énergie estime, selon Mazda, que ce processus récupère environ 22 % de l'énergie de conduite dans les véhicules électriques lors d'une conduite combinée en ville et sur l'autoroute (par rapport à 5–9 % dans les hybrides). Parce que le freinage régénératif ne peut pas fournir la force de freinage nécessaire en cas d'urgence, les freins de friction conventionnels restent en place comme secours, note Mazda.

Pourquoi les deux systèmes diffèrent en efficacité

Fueleconomy.gov indique que les véhicules électriques convertissent plus de 77 % de l'énergie électrique prélevée sur le réseau en puissance aux roues, tandis que les véhicules conventionnels à essence ne convertissent qu'environ 12 % à 30 % de l'énergie stockée dans l'essence en puissance aux roues — le reste est perdu principalement sous forme de chaleur et par la friction du moteur. Fueleconomy.gov note également que les batteries des VE peuvent durer 12 à 15 ans dans les climats modérés et 8 à 12 ans dans les climats extrêmes, et qu'une recharge complète prend généralement 3 à 12 heures, avec une recharge rapide atteignant 80 % de capacité en environ 30 minutes.

Termes courants expliqués

• Vilebrequin : l'arbre rotatif qui convertit le mouvement vertical du piston en mouvement rotatif, selon le département de l'Énergie.
• Batterie de traction : le bloc de batteries rechargeables qui stocke l'énergie pour le moteur électrique de traction, selon l'AFDC.
• Contrôleur d'électronique de puissance : le composant qui gère le flux d'énergie électrique provenant de la batterie et contrôle la vitesse et le couple du moteur, selon l'AFDC.
• Freinage régénératif : utiliser le moteur électrique comme générateur pendant la décélération pour renvoyer l'énergie à la batterie, comme l'a décrit Mazda, citant les estimations du département de l'Énergie.