Cycle d'Atkinson

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 et les moteurs Sky-Active chez Mazda, 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.

Figure 1 : cycle d'Atkinson

Le cycle d'Atkinson idéal est composé de :

• 1-2 compression adiabatique réversible ou isentropique,
• 2-3 absorption de chaleur isochore, la pression augmente rapidement mais le piston ne bouge pas encore ;
• 3-4 absorption de chaleur isobare, la combustion continue et le piston se déplace ;
• 4-5 détente isentropique,
• 5-6 dégagement de chaleur isochore,
• 6-1 dégagement de chaleur isobare.

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.

Ce type de fonctionnement auquel on ajoute un compresseur à l'admission constitue le cycle de Miller.

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).

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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 :

• Honda Accord Hybride 2014.
• Honda CR-Z 1,5 L I-VTEC SOHC série LEA, compression géométrique 10.8:1.
• Toyota Yaris hybride.
• Toyota Auris HSD II
• Toyota Prius automobile hybride avec un taux de compression (purement géométrique) de 13,0:1.
• Ford Escape hybride/Mercury Mariner/Mazda Tribute automobile hybride 4X2 et 4X4 avec un taux de compression de 12,4:1.
• Toyota Camry hybride automobile hybride avec un taux de compression de 12,5:1.
• Toyota RAV4 hybrid.
• Chevrolet Tahoe hybride automobile hybride 4x4 avec un taux de compression de 10,5. 10,8:1.
• Hyundai Sonata Theta II 2,4 L DOHC plus hybride série-parallèle avec batteries polymère ion développée dans leurs laboratoires. taux de compression : 10,5:1.
• Mazda CX5 MZR 2012 2,0 L de 165 ch avec un taux de compression « théorique » le plus élevé au monde de 14:1.
• Lexus IS 300h associe un moteur électrique de 105 kW et un quatre cylindres essence 2,5 L à cycle Atkinson de 181 ch (environ 133 kW).
• Mitsubishi Outlander PHEV (2019), deux moteurs électriques de 82 ch et 95 ch et un moteur thermique à cycle d'Atkinson de 2.4 l et 135 ch.
• Kia Niro Hybride et Hyundai Ioniq Hybride : un moteur 4 cylindres essence à injection directe (GDI) de 105 chevaux à cycle Atkinson 14:1 associé à un moteur électrique de 32 kW (43 ch) et 170 Nm (jusqu’à 141 chevaux de puissance et 265 Nm de couple).
• Ford Mondeo IV Hybride : 4 cylindres 2 L essence à cycle Atkinson associé à un moteur électrique pour une puissance totale de 187ch.
• Honda CR-V hybride 2019
• Kia Forte 2019 et + moteur 2.0 atmosphérique
• Kia Soul 2020 et + moteur 2.0 atmosphérique

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.

• (en) Animation of Atkinson Cycle Engine - Notez que cette animation montre le moteur Atkinson original, qui utilise un embiellage complexe pour permettre les différentes courses de compression et de détente. Cependant, l'illustration présente des courses identiques. Pour modifier les courses, le point de rotation à droite (celui qui lie la structure à la bielle verte) doit être descendu par rapport à la structure. Ceci permet plus de mouvement angulaire lorsque la bielle tourne, donnant une course plus courte pour l'admission que pour la détente. De fait, un point de rotation coulissante permettrait de changer le ratio des courses en continu.
• (en) Modified Atkinson Cycle Engine: distribution variable alternative augmentant le couple à bas régime sur un moteur à cycle d'Atkinson.
• (en) COMPARISON OF PRIME MOVERS SUITABLE FOR USMC EXPEDITIONARY POWER SOURCES, Oak Ridge National Laboratory
• (en) « Rotary Atkinson cycle engine » [archive du 5 janvier 2013] (consulté le 4 septembre 2017) Page Internet comportant des détails et des comparaisons avec les moteurs Wankel et conventionnels.
• (en) The Prius's Not So Secret Gas-Mileage Secrets Bref essai sur l'usage du cycle d'Atkinson dans la Toyota Prius afin d'améliorer le rendement.

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