Pourquoi le moteur à deux temps a-t-il disparu des automobiles ?

Ce moteur simple, qui rejetait à chaque cycle une partie du carburant directement dans l'échappement, a dû disparaître des automobiles face aux strictes normes d'émissions des années 1980.
Ce moteur simple, qui rejetait à chaque cycle une partie du carburant directement dans l'échappement, a dû disparaître des automobiles face aux strictes normes d'émissions des années 1980.

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Le moteur deux temps a disparu des automobiles parce que son principe de fonctionnement de base rejette directement une partie du carburant et de l'huile à l'échappement ; les réglementations sur les émissions, durcies dans les années 1980, ont poussé cette architecture vers l'interdiction, et le développement rapide des moteurs quatre temps a comblé le vide. Mais ce n'est pas la fin de l'histoire. L'ascension et le déclin de ce moteur qui a fait bouger des millions d'automobiles, soulevé à la main et dont la production était extrêmement bon marché racontent l'un des règlements de comptes d'ingénierie les plus fascinants de l'histoire de l'automobile.

Points clés

  • Le moteur deux temps accomplit un cycle de puissance en deux tours de vilebrequin ; le quatre temps fait le même travail en deux tours.
  • Le moteur de la Trabant 601 ne comptait que 5 pièces mobiles et était assez léger pour être soulevé à la main.
  • Le deux temps trois cylindres de 841 cc de la Saab 96 produisait au départ 38 ch ; d'ici 1966, cette valeur était montée à 46 ch.
  • La production automobile à deux temps en Occident dans les années 1980 a pris fin en raison des règles d'émissions ; le bloc de l'Est a continué jusqu'environ 1991.
  • Le rapport carburant-huile typique 32:1; cette huile est brûlée et rejetée, gonflant les émissions d'hydrocarbures.

Comment fonctionne le moteur deux temps et pourquoi est-il si simple ?

La définition du travail d'un moteur à combustion interne est claire : admission, compression, combustion et échappement. Le moteur quatre temps répartit ces quatre phases sur les quatre courses du piston, soit deux tours complets du vilebrequin. Le moteur deux temps, lui, accomplit le même cycle en deux courses du piston, en un seul tour de vilebrequin. Le résultat est mathématiquement évident : la combustion se produit et la puissance est générée chaque fois que le piston atteint le point mort haut. Sur un quatre temps, la puissance n'arrive qu'à un seul des quatre temps moteur, tandis que sur un deux temps, elle arrive à chaque point haut. La fréquence des temps de puissance est doublée.

Le prix de cette vitesse est le sacrifice de la distribution. Dans la conception de base du deux temps à carter, il n'y a pas de soupapes ; leur rôle est assuré par les lumières dans la paroi du cylindre et par le mouvement propre du piston. La lumière d'échappement s'ouvre lorsque le piston descend pendant le temps de puissance ; le nouveau mélange air-carburant entre dans le cylindre par la lumière de transfert et chasse les gaz d'échappement restants. Ce balayage est à la fois l'élément le plus ingénieux et le maillon le plus faible du moteur - nous allons le voir. La lubrification repose sur une simplicité similaire : l'huile est mélangée au carburant, traverse le carter et brûle avec le moteur. Le mélange permet de fonctionner dans toutes les directions ; c'est pourquoi le moteur deux temps reste idéal pour les outils portables, où la direction de la gravité est sans importance.

Le balayage en boucle : l'amélioration cruciale

Les premiers moteurs à deux temps utilisaient un balayage à flux traversant simple, et la fuite du mélange frais dans l'échappement constituait un sérieux problème. Le système de balayage en boucle mis au point par Adolf Schnürle au milieu des années 1920 permettait au mélange frais de décrire une boucle contrôlée dans le cylindre, chassant ainsi les gaz d'échappement vers l'extérieur. Cette solution s'est répandue en Allemagne dans les années 1930, puis dans le monde entier après la Seconde Guerre mondiale. Les évaluations d'ingénierie ultérieures ont confirmé que le balayage en boucle était plus efficace que le flux traversant dans toutes les conditions ; tous les automobiles à deux temps de l'après-guerre furent construits sur cette architecture.

Les débuts : Clerk, Benz et la naissance du moteur sans soupapes

L'idée du deux temps est aussi ancienne que l'automobile elle-même. C'est l'ingénieur écossais Dugald Clerk qui breveta en 1881 le premier moteur à deux temps commercial à compression dans le cylindre ; mais la conception de Clerk était un encombrant dispositif réalisant la compression au moyen d'un cylindre de charge séparé. Une note historique intéressante : Karl Benz produisit un moteur à gaz à deux temps le 31 décembre 1879 et en obtint le brevet en Allemagne en 1880. Le premier moteur de celui que l'on considère comme le père de l'automobile était donc un deux temps, et non un quatre temps.

Le véritable tournant fut l'arrivée de la conception à balayage par carter, qui constitue l'épine dorsale du deux temps moderne. Cette approche est généralement attribuée à l'Anglais Joseph Day ; son employé Frederic Cock, en rendant le moteur totalement exempt de soupapes, créa la forme que nous connaissons aujourd'hui. La première application véritablement pratique vint également d'Angleterre : à partir de 1908, Alfred Angas Scott produisit des motocyclettes bicylindres refroidies par eau. La technologie mûrie sur la moto allait être transférée à l'automobile dans les décennies suivantes, précisément au moment où l'Europe en avait le plus besoin.

DKW et l'explosion du deux temps dans l'Europe d'après-guerre

Dans l'Europe de l'après-guerre, l'acier manquait, l'argent manquait, tout manquait. Moins une automobile comportait de pièces mobiles, plus elle pouvait être produite à bas coût et facilement réparée. Le moteur à deux temps était au coeur exact de ce calcul : moins de pièces, poids réduit, entretien plus simple. De plus, la fréquence double des temps moteurs signifiait une puissance supérieure par litre ; des performances raisonnables étaient ainsi possibles avec des moteurs de petite cylindrée.

Le nom au centre de cette scène était DKW. Son fondateur, le Danois Jørgen Skafte Rasmussen, avait acheté l'usine Audi de Zwickau en 1928. DKW commença à produire des automobiles à partir de 1929 et fournissait également ses moteurs à deux temps à d'autres constructeurs ; en 1929, il entama sa carrière en sport automobile avec des moteurs bicylindres de 600 cc délivrant 15 ch. Les conceptions DKW des années 1930 sont aujourd'hui considérées comme les oeuvres les plus importantes de l'histoire du moteur à deux temps. En 1953, la société présenta le modèle à traction avant, trois cylindres, 896 cc à deux temps DKW 3=6 sous le nom de "Sonderklasse".

Principaux constructeurs d'automobiles à deux temps

  • Saab (Suède) : utilisa un deux temps trois cylindres sur les 92, 93, 95, 96, Sonett II et leurs dérivés.
  • DKW et Auto-Union (Allemagne) : principal développeur et fournisseur de la technologie.
  • VEB Sachsenring (Allemagne de l'Est) : fabricant de la Trabant.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (Allemagne de l'Est) : produisait la Wartburg.
  • FSO et FSM (Pologne) : production sous licence de moteurs deux temps.
  • Suzuki et Subaru (Japon) : ont produit des automobiles deux temps jusque dans les années 1970.

Le principe était le même pour les microcars aussi. Sur des véhicules comme la Messerschmitt KR200, supprimer la marche arrière coûtait cher ; on pouvait obtenir la marche arrière en faisant brièvement tourner le moteur deux temps en sens inverse. C'était plus une logique de pénurie qu'une élégance d'ingénierie - mais ça fonctionnait.

Trabant et Wartburg : l'épine dorsale deux temps du bloc de l'Est

Yalnızca beş hareketli parçayla ve elle kaldırılabilecek hafiflikte bir motor, Trabant sahiplerine aracını kendi elleriyle yolda tamir etme özgürlüğünü veriyordu.

La Trabant était l'expression la plus pure de la philosophie du deux temps. Le moteur de la Trabant P50 venait en réalité de la DKW F8 : 500 cc, d'abord 17 ch puis 18 ch. La Trabant 601 qui suivait embarquait un moteur Otto deux temps à deux cylindres de 594,5 cc (72×73 mm). Les versions variaient selon la production : les moteurs de 1963 à 1970 développaient 23 ch, ceux de 1970 à 1990 produisaient 26 PS (19,1 kW) à 4200 tr/min. Le couple était de 53 Nm, la vitesse maximale d'environ 100 km/h, la puissance par litre de 38,7 ch.

Les chiffres sont modestes, mais le plus frappant se trouvait dans l'architecture du moteur : il ne comptait au total que 5 pièces mobiles et était si léger qu'on pouvait le soulever à la main. Dans les conditions de l'Allemagne de l'Est, cela signifiait que les propriétaires pouvaient réparer eux-mêmes leur moteur au bord de la route. Il y avait aussi un prix à payer : le moteur fonctionnait avec un carburant en mélange (mélange essence-huile), et dans les côtes à vitesse de croisière, les 23 ch et 52 Nm de puissance et de couple s'avéraient nettement insuffisants. Ce n'était pas un problème de performance, mais une question d'autonomie et de confort.

La marque sœur Wartburg était plus ambitieuse : elle a commencé avec un moteur deux temps trois cylindres de 910 cc dérivé de la DKW (28 ch au départ), puis la cylindrée fut portée à 991 cc après 1962. Ces moteurs offraient une conduite de classe supérieure par rapport à la modeste unité de la Trabant - mais ils reposaient sur le même principe de base et devaient payer le même prix environnemental.

Saab : le son le plus élégant du deux temps

L'une des interprétations les plus réussies de l'automobile deux temps a été réalisée en Suède. La première automobile de Saab, la Saab 92, est entrée en production en décembre 1949 et s'est distinguée par sa carrosserie extrêmement aérodynamique. L'entreprise a développé des moteurs trois cylindres à balayage en boucle de 750 et 850 cc basés sur le dessin DKW ; l'unité standard de 750 cc produisait 36 à 42 ch selon l'année et le modèle. Le moteur à vilebrequin à admission du rallye Monte Carlo, lui, atteignait 65 ch - une valeur impressionnante pour un deux temps de petite cylindrée.

Saab 93 (décembre 1955) : avec elle est arrivé le moteur trois cylindres en ligne, et cette unité fut celle qui fit connaître le nom de Saab dans le monde. Saab 96 (1960-1980) embarquait au départ un deux temps trois cylindres de 841 cc : 38 ch au lancement, 46 ch jusqu'en 1966. Mais l'étau se resserrait peu à peu. Saab a progressivement abandonné les deux temps au milieu des années 1960 et est passée au Ford Taunus V4 à partir du millésime 1967. La Saab 96 de 1967 est entrée dans l'histoire comme « la dernière automobile deux temps de haut niveau ». Le caractère silencieux, sans fumée et sans tracas du quatre temps avait aussi conquis le client suédois.

Pourquoi les automobiles à deux temps ont-elles disparu ? Le calcul des émissions et du carburant

La raison de leur disparition peut se résumer en un seul chiffre : 32:1. Un deux temps typique à carter-piston comprimé utilise un système de lubrification pétrole-huile appelé « total-loss » ; le rapport carburant-huile est d'environ 32:1. Une partie de cette huile est brûlée, une autre est rejetée dans l'atmosphère sous forme de gouttelettes d'échappement. Comparé à un quatre temps de puissance équivalente, le rejet d'hydrocarbures est nettement plus élevé. S'y ajoute un second problème mécanique : dans les architectures sans soupapes, pendant la période où les orifices d'admission et d'échappement restent ouverts simultanément, une partie des vapeurs de carburant fraîches s'échappe vers l'échappement. Les petits moteurs refroidis par air produisent en outre des températures de combustion élevées générant du NOx.

La consommation de carburant découle de la même origine. Tandis que le mélange carburant-air comprimé produit un effet refroidissant sur le piston, une partie s'échappe directement vers le tuyau d'échappement ; autrement dit, une partie du carburant brûle sans produire de travail ou sort sans même être brûlée. Bien que le rendement thermodynamique théorique du cycle soit élevé, en pratique les pertes de balayage annulent cet avantage, et les deux temps consomment plus de carburant que les quatre temps dans le monde réel. La fuite du mélange frais vers l'échappement pendant la courte période où les orifices d'admission et d'échappement sont ouverts ensemble constitue la contrainte physique fondamentale qui a scellé le destin du deux temps.

Le paradoxe de la simplicité

La raison d'être fondamentale du deux temps était sa simplicité ; mais les exigences modernes ont renversé cet avantage. Les conceptions à deux temps tentant de corriger les émissions et le rendement sont devenues aussi chères, lourdes et complexes qu'un quatre temps - c'est-à-dire qu'elles perdaient leur raison d'être. L'injection directe aurait pu éliminer en grande partie la fuite de carburant des deux temps à carburateur ; mais cette solution signifiait un coût et une complexité incompatibles avec la philosophie du moteur bon marché. En Occident, des réglementations de plus en plus strictes sur la pollution de l'air ont mis fin à la production d'automobiles à deux temps dans les années 1980 ; le Bloc de l'Est a résisté avec la Trabant et la Wartburg jusqu'à environ 1991.

Pourquoi les motocycles ont-ils abandonné plus tard ?

Le même calcul valait pour les deux roues, mais le calendrier a fonctionné un peu différemment. Honda avait déjà renoncé bien plus tôt aux motos de route ; elle a en revanche arrêté la vente de motos tout-terrain à deux temps aux États-Unis en 2007. Aujourd'hui, toutes les nouvelles automobiles à combustion interne vendues aux États-Unis sont à quatre temps - le deux temps est officiellement installé dans la poubelle de l'histoire automobile.

Où vivent aujourd'hui les moteurs à deux temps ?

Éliminé des automobiles, le deux temps n'a pas totalement disparu ; il n'est simplement resté que dans des volumes et des tolérances juridiques réduits. Son avantage puissance/poids et sa capacité à fonctionner dans tous les sens restent décisifs dans certaines applications. Aujourd'hui, les moteurs à deux temps vivent dans les domaines suivants :

  • Motos, scooters et cyclomoteurs de petite cylindrée et à mélange
  • Moteurs marins, motoneiges et karts
  • Outils à main : tronçonneuse, souffleur de feuilles, coupe-bordures
  • Tuk-tuks, voitures RC, avions ultralégers et modèles réduits
  • Gros diesels deux temps : applications industrielles, maritimes, ferroviaires et de génération électrique où le poids importe peu

La tendance reste néanmoins claire : les réglementations antipollution des pays développés réduisent pas à pas les domaines d'utilisation du deux temps. Dans les régions où les réglementations restent laxistes, les petits deux temps conservent leur popularité sur les motos et les cyclomoteurs.

Conclusion : la leçon d'histoire d'une équation d'ingénierie

La disparition du moteur deux temps des automobiles ne s'explique pas par la mauvaise qualité de la technologie, mais par le changement des critères de comparaison qu'elle avait gagnés. L'équation des années d'après-guerre privilégiait le nombre de pièces, le coût et le rapport puissance/poids ; le deux temps l'emportait sur ces trois points et fit rouler des millions d'automobiles avec DKW, Saab, Trabant et Wartburg. L'équation des années 1980 privilégiait quant à elle les émissions, la consommation de carburant et l'ingénierie de précision - et la contrainte physique créée par les pertes de balayage et le graissage à perte condamna le deux temps à la défaite dans ce calcul. Rarement dans l'histoire de l'automobile une technologie a offert une leçon aussi claire sur la solidité de ses avantages : comprendre quand elle était performante, mais aussi quand elle est devenue obsolète, fait partie intégrante de toute décision de conception.

Sources