Constructeurs automobiles : Politiques de recherche et développement

By 16 March 2013

2. Les efforts continus de la filière automobile en matière de R&D et de Qualité

2.1. Les deux axes des politiques de recherche et développement chez les constructeurs

Renault est, derrière Sanofi Aventis, l’entreprise française qui a consacré le plus gros budget à la recherche et au développement en 2005 (2,264 milliards d’euros; +15,4 %). Il est suivi par PSA Peugeot Citroën, qui a investi 2,151 milliards d’euros l’an dernier.

Afin de répondre à de nouveaux défis, tels que la protection de l’environnement et l’amélioration de la mobilité et de la sécurité, les constructeurs d’automobiles concentrent actuellement leurs efforts sur ces deux domaines de recherche. Les résultats obtenus détermineront la place qu’occupera l’automobile, dans les années à venir, au sein de l’offre globale de transport.

a) L’environnement : réduire la consommation d’énergie et les émissions de CO2

De nombreux rapports ont révélé l’urgente nécessité de réduire les émissions polluantes et les gaz à effets de serre en particulier dans le domaine des transports. L’avis relatif aux «Enjeux de l’après-Kyoto » adopté le 26 avril 2006 par le Conseil économique et social a par exemple souligné le besoin d’engager une mutation globale du secteur: « L’attentisme à l’égard des nécessaires mutations du secteur conduirait à une hausse des émissions » . L’un des principaux axes de travail des constructeurs a donc été de proposer des automobiles moins polluantes. Les émissions de gaz nocifs dans l’atmosphère ont été particulièrement réduites. Reste la question du CO2 principal gaz à effet de serre, responsable du réchauffement climatique.

• Optimiser le fonctionnement des moteurs essence et diesel

La meilleure façon de réduire les émissions de CO2 est de diminuer la consommation des véhicules. Dans cette perspective, plusieurs pistes sont actuellement explorées : il s’agit d’optimiser la combustion, la taille du moteur et les frottements mécaniques. Par ailleurs, les recherches sont en plein essor sur les moteurs hybrides.

– L’optimisation de la combustion

Le moteur est la seule source d’énergie d’une voiture. Or plus son rendement est élevé, moins il rejette de gaz à effet de serre. Optimiser son rendement permet, pour une puissance disponible donnée, de fixer sa consommation.

Les points d’optimisation de la consommation de carburant d’un côté, de la réduction des émissions de l’autre, sont distincts. Tous les efforts sur le contrôle du moteur visent donc à trouver le juste équilibre entre ces deux contraintes. Un compromis s’impose. Pour qu’il demeure toujours le plus pertinent, les constructeurs n’ont de cesse de sophistiquer leurs calculateurs. Ceux-là sont capables de prendre en compte à la fois le style de conduite et les conditions du moteur (régime, occurrence de cliquetis, pressions, températures…). À partir de ces contingences, ils agissent sur des dizaines de paramètres, parmi lesquels le débit de carburant, l’avance à l’allumage, la pression de l’air d’admission ou encore le taux de recirculation des gaz d’échappement. La richesse du mélange air-carburant est ainsi contrôlée, ce qui détermine le rendement du moteur et au final, les émissions à l’échappement des différents gaz (monoxyde de carbone, hydrocarbures, oxydes d’azote, CO2 et vapeur d’eau).

– L’optimisation de la taille du moteur

La taille et le poids des pièces du moteur déterminent pour partie sa consommation : plus la cylindrée d’un moteur est élevée, plus son volume est important et plus les pièces, mises en mouvement, subissent d’inertie; les surfaces en contact sont importantes et les frottements élevés. Mécaniquement, le niveau d’énergie nécessaire pour, par exemple, inverser le sens de déplacement des pistons, augmente à son tour. La consommation et les rejets de gaz augmentent d’autant.

Inversement, un moteur de petite cylindrée peut tourner plus vite grâce à la faible inertie de ses pièces en mouvement. Ce qui lui permet de gagner en puissance par rapport à un moteur de cylindrée plus forte. Les recherches des constructeurs consistent donc à concevoir des moteurs qui, à performances égales, possèdent une cylindrée plus faible.

– Les véhicules hybrides

Les constructeurs français étudient déjà depuis un certain temps les potentialités de la technologie hybride. Son principe est d’associer un moteur thermique à un moteur électrique et de tirer le meilleur parti de chacun d’eux en jouant sur l’alternance des phases de conduite : à conduite urbaine, mode purement électrique, à vitesse plus élevée, mode thermique. En organisant la complémentarité des énergies électrique et mécanique, les moteurs hybrides optimisent la réduction de consommation et donc celle des émissions de CO2.

Aujourd’hui, le marché des hybrides se décline, selon la puissance de leurs alternateurs et de leur moteur thermique, en quatre catégories : les hybridations minimales, les hybridations légères, les hybridations intermédiaires et les hybridations complètes :

– un véhicule à hybridation minimale « minimal hybrid » possède un moteur électrique de puissance modeste, qui ne dépasse généralement pas 2 kW. Sa présence permet au moteur thermique de fonctionner en mode « stop & start » : lorsque la voiture cesse d’avancer, le moteur électrique prend automatiquement le relais du thermique. Une particularité qui réduit les émissions polluantes dans les embouteillages, et la consommation d’environ 4 %;

– dans un véhicule à hybridation légère « soft hybrid », le moteur électrique, d’une puissance de 5 à 15 kW, est directement couplé au moteur thermique. En plus d’assurer le relais en mode « stop & start », il joue un rôle de booster pour le moteur thermique, lui apportant sa puissance en phase de reprise. Les deux moteurs délivrent alors conjointement leur puissance. Puis le moteur électrique étant réversible, il se transforme en générateur. Concrètement, il boostera au freinage en même temps qu’il en stockera l’énergie dans une batterie, avant de la réutiliser, par exemple, lors d’une accélération. Ce fonctionnement permet d’utiliser un moteur thermique de plus petite cylindrée, plus respectueux de l’environnement. La consommation est finalement réduite de 10 à 15 %;

– un véhicule à hybridation intermédiaire « mild hybrid » possède un moteur électrique plus important, d’une puissance de 10 à 15 kW. Sa transmission offre la possibilité d’exploiter la puissance des deux moteurs soit conjointement, soit indépendamment. Ainsi, en plus de remplir les mêmes fonctions que le moteur d’un véhicule « soft hybrid », le moteur électrique d’un « mild hybrid » assure une traction électrique à basse vitesse, dans les embouteillages par exemple. Cette configuration permet de réduire la consommation de 20 à 25 %;

– dans un véhicule à hybridation complète « full hybrid », le moteur électrique peut atteindre une puissance de 150 kW et se substituer totalement au moteur thermique. Il puise son énergie dans une batterie de forte capacité, qui se recharge automatiquement durant les phases d’accélération, de décélération et de fonctionnement du moteur thermique. Sur des trajets urbains, le véhicule peut ainsi fonctionner en mode totalement électrique.

Cette technologie est très coûteuse à produire en série. À ce jour, et selon les catégories d’hybride, le coût supplémentaire pour le client (achat et maintenance) peut s’avérer dissuasif. De sorte que les modèles hybrides ne sont pas encore rentables pour les constructeurs. Toyota, avec sa Prius ne le cache pas.

• Améliorer l’architecture des véhicules

– L’allègement

Plus la masse d’une voiture est importante, plus le moteur doit fournir d’énergie pour la mouvoir. Or l’amélioration du confort, des normes de sécurité et des prestations dans les véhicules récents tend à augmenter leur poids. Pour pallier cet embonpoint, les constructeurs travaillent sur les matériaux. Un arbitrage savant s’opère entre acier, polymères et aluminium, qui prend en compte les contraintes de recyclabilité, de coût, d’usinage, de durabilité ou d’absorption des chocs, très variables selon l’usage et l’emplacement des pièces dans le véhicule.

Deux parties du véhicule sont particulièrement visées : le groupe motopropulseur (moteur et éléments associés comme la boîte de vitesses et la transmission) d’une part, et d’autre part l’habitacle et la carrosserie. En ce qui concerne le groupe motopropulseur, l’aluminium a progressivement remplacé la fonte des culasses. Il présente l’avantage d’être beaucoup plus léger tout en répondant aux contraintes mécaniques que sont, par exemple, la résistance aux températures et aux frictions.

Pour la carrosserie (pare-chocs, ailes, bac de roue de secours…) et l’habitacle, polymères et composites ont remplacé l’acier. En l’occurrence, les enjeux sont différents : ces éléments sont soumis aux agressions du monde extérieur et doivent résister à la corrosion, ainsi qu’aux rayures et aux chocs légers. Leur comportement face aux vibrations doit également être pris en compte, pour qu’ils ne deviennent pas source de nuisances acoustiques pour les utilisateurs du véhicule. Enfin, puisqu’il s’agit d’éléments immédiatement visibles, leur aspect mérite l’attention.

S’ajoute à cela le châssis et la structure, pour lesquels les aciers THLE (Très haute limite d’élasticité) et TTHLE (Très très haute limite d’élasticité) ont permis de réaliser des éléments plus légers et capables d’absorber l’énergie d’un choc. L’allégement représente un coût, lié à celui des matériaux de substitution utilisés, ainsi qu’à leur usinage et à leur mise en œuvre. Pour les constructeurs, la règle est que chaque kg gagné ne donne pas lieu à un surcoût supérieur à 3 euros.

• L’aérodynamique

L’amélioration de l’aérodynamique des véhicules a toujours été la manière la plus classique de réduire leur consommation. Plus l’aérodynamique (mesurée par le coefficient de pénétration dans l’air, Cx) est bonne, moins le moteur est sollicité, consomme et rejette donc de gaz dans l’atmosphère. Pour les constructeurs, l’enjeu est de trouver le compromis idéal entre une aérodynamique performante, des contraintes techniques et des exigences esthétiques. Pour les y aider, les outils numériques de simulation permettent de modifier un prototype de carrosserie et d’approcher plus facilement le modèle idéal.

• S’appuyer sur les énergies alternatives

Sous la pression du prix du baril de pétrole et d’une opinion sensibilisée aux enjeux environnementaux, les constructeurs développent les recherches sur la substitution de l’essence par des énergies alternatives, et son impact environnemental. Parmi les énergies en lice pour remplacer les carburants classiques figurent, à plus ou moins court terme, les carburants issus de la biomasse. Et à plus long terme, la pile à combustible, qui permet de ne rejeter dans l’atmosphère que de la vapeur d’eau.

– Les carburants issus de la biomasse

Les carburants issus de la biomasse, qui doivent permettre de réduire la dépendance vis-à-vis du pétrole, ont fait l’objet de très nombreuses études. Certaines solutions sont déjà opérationnelles ou fortement avancées, quand d’autres ne seront applicables que dans un futur plus lointain. Trois grandes familles se distinguent : les énergies fossiles, les énergies renouvelables et celles susceptibles d’être issues de sources multiples.

– Les énergies fossiles : des réserves limitées

Le GPL (Gaz de pétrole liquéfié) se compose de butane et de propane. Il est issu du raffinage du pétrole ou provient directement de gisements naturels. Si sa combustion dégage moins de dioxyde de carbone, son utilisation requiert la pose d’un réservoir spécifique, capable de résister à la pression qu’impose son stockage sous forme liquide, et une légère modification du circuit d’alimentation du moteur. L’utilisation du GPL est déjà répandue en France : plus de 1 800 stations-service le proposent à leur pompe.

Le GNV (Gaz naturel pour véhicules) provient de gisements naturels. Il est stocké à une pression de 200 bars, ou liquéfié et stocké dans des réservoirs spéciaux. Alors que ses performances environnementales sont supérieures à celles du GPL, il est beaucoup moins répandu. Utilisé dans certains pays (Argentine, Italie) pour les véhicules particuliers, il ne s’adresse en France qu’à des flottes captives disposant de points d’alimentation dédiés.

– Les énergies renouvelables : l’espoir

Les biocarburants ont l’avantage d’être issus de cultures spécifiques. Le colza fournit des substances (Esters méthyliques d’acides gras, EMAG) qui peuvent être introduits, à hauteur de 5 %, dans le gazole des véhicules diesel. De même, certains végétaux riches en sucre ou en amidon produisent de l’Ethyltertiobutyléther (ETBE), qui améliore la qualité des essences et leurs performances environnementales. Ces carburants nourrissent les espoirs du public, qui y voit un substitut aux énergies fossiles à la fois simple, peu onéreux et plutôt propre. Ils nourrissent également les espoirs de la filière agricole et de la filière automobile qui voit dans l’incorporation progressive de biocarburants dans les carburants conventionnels, une manière de rendre les véhicules encore plus propres, par la diminution des rejets en gaz à effets de serre, et davantage économes en matière de consommation en énergies fossiles.

– La pile à combustible

Ce qu’il est convenu d’appeler « les véhicules électriques » constitueront une réponse aux problèmes environnementaux lorsque sera réglée le problème du stockage de l’électricité. En effet, les seuls « réservoirs d’électricité » capables aujourd’hui d’assurer la puissance nécessaire sont les batteries. Or, elles sont lourdes, encombrantes et surtout, longues à recharger. En pratique, seul le remplacement d’une batterie « à plat » par une autre chargée permet de raccourcir cette opération.

La pile à combustible pourrait résoudre ces problèmes en utilisant de l’hydrogène, soit sous forme gazeuse, soit extrait d’un carburant liquide à l’aide d’un dispositif associé : un reformeur. En recombinant l’hydrogène à l’oxygène de l’air ambiant, elle produirait l’électricité nécessaire au fonctionnement d’un moteur électrique et ne rejetterait alors dans l’atmosphère que de la vapeur d’eau. Elle conjuguerait ainsi respect de l’environnement et souplesse d’utilisation.

La difficulté de cette technologie réside dans le stockage de l’hydrogène. Sous forme gazeuse, il n’est pas conditionnable de façon satisfaisante par le réseau de distribution actuel. Contrairement au GPL, stockable sous forme liquide sous une pression d’une dizaine de bars, l’hydrogène nécessite des pressions jusqu’à 70 fois supérieures ! Et ses molécules se faufilent par la moindre fissure. Très explosif, il impose d’importants dispositifs de sécurité. Le même problème se pose au niveau des réservoirs des véhicules.

Certaines solutions de stockage sont à l’étude, notamment dans des corps poreux, afin d’offrir la sécurité d’utilisation indispensable sur route. Une autre solution consiste à reformer un carburant conventionnel à bord du véhicule, via le reformeur. Cette solution présente l’avantage de pouvoir être mise en place sans attendre la création d’une infrastructure de distribution de l’hydrogène, mais a aussi l’inconvénient de générer du CO2 durant l’opération de reformage.

Renault travaille actuellement sur une solution hybride : une pile à combustible de moyenne puissance et un moteur thermique utiliseraient conjointement le même carburant. Cette source de puissance auxiliaire aurait alors pour vocation première d’alimenter en électricité les accessoires du véhicule, qui seraient ainsi utilisables même le moteur coupé, dans les embouteillages par exemple. Cette technologie permettrait d’assurer un fonctionnement électrique de la voiture en cycle urbain.

b) Sécurité passive et active

La sécurité routière est aujourd’hui devenue un enjeu de santé publique. En Europe, plus de 100 000 personnes sont tuées tous les ans dans les accidents de la route. C’est la première cause de mortalité chez les hommes de moins de 25 ans. À l’échelle mondiale, d’après l’Organisation mondiale de la santé (OMS), plus de 1,2 millions de personnes sont tuées chaque année sur les routes, et 50 millions blessées. Des chiffres qui devraient augmenter de 60 % d’ici 2020, en raison du développement de l’usage de l’automobile dans les pays émergents. De sorte que ces pays devraient subir une augmentation de 80 % des accidents alors que les pays de l’OCDE devraient bénéficier d’une baisse de 30 %. Les constructeurs mondiaux n’ont de cesse d’apporter à leurs modèles des solutions de plus en plus sophistiquées pour prévenir, corriger, protéger et sensibiliser conducteurs et passagers aux risques d’accident.

En Europe, les constructeurs ne se privent pas de communiquer sur le nombre d’étoiles obtenus lors des « crash tests » menés par l’organisme indépendant Euro NCAP. Les deux constructeurs français se placent dans le peloton de tête. La gamme Renault figure au meilleur niveau de sécurité passive : sept de ses modèles (Laguna II, Vel Satis, Espace IV, Mégane II, Scénic II, Clio III, Modus) ont obtenu la note, maximale, de cinq étoiles au test Euro NCAP. La Modus est même la première voiture de gamme inférieure à avoir obtenu cette distinction. De son côté, Peugeot et Citroën confirment leurs savoir-faire en matière de sécurité passive avec neuf modèles couronnés de cinq étoiles à l’euro NCAP. Il s’agit des Peugeot 1007, 207, 407, du coupé 407, de la 807 et des Citroën C4, C5, C6 et C8.

Pour obtenir de tels résultats, les constructeurs s’appuient sur quatre axes de recherche :

– l’étude des matériaux et de l’architecture des véhicules : elle vise à approfondir les connaissances sur la déformation de la caisse du véhicule lors de l’impact, afin d’améliorer l’absorption des chocs et d’obtenir de meilleures performances en terme de protection du conducteur et des passagers;

– l’amélioration continue des équipements de sécurité, notamment en terme morphologique : ceintures de sécurité à pré-tendeurs pyrotechniques et limiteurs d’efforts, airbags « intelligents » se déployant en fonction de la violence du choc, systèmes anti-intrusion de bagages… Tout cela assure une plus grande solidarité entre les occupants et le véhicule;

– l’accidentologie : elle assure une meilleure connaissance du comportement du conducteur et des passagers durant l’accident, d’un point de vue physique, cognitif et biologique. À ce titre, PSA et Renault ont été pionniers en se dotant, voici 25 ans, d’un centre d’expertise scientifique commun : le Laboratoire d’accidentologie, de biomécanique et d’étude du comportement humain (LAB);

– les technologies de prévention et d’évitement des accidents : elles permettent de limiter les situations accidentogènes, tout comme les technologies d’aide au freinage d’urgence, d’aide à la visibilité du conducteur (capteurs de pluie et allumage automatique des feux), d’aide à la conduite (navigation assistée, régulateur de vitesse…) ou d’analyse de la trajectoire latérale du véhicule.

Les constructeurs travaillent également sur les systèmes de communication entre le véhicule et son environnement. L’objectif, à terme, est d’équiper les véhicules de dispositifs qui donneront automatiquement et immédiatement l’alerte lors d’un accident, afin de faciliter l’arrivée des services de secours, d’améliorer l’information transmise aux autres véhicules et d’éviter le suraccident.

En 2004, le groupe PSA Peugeot Citröen a consacré 10 % de ses dépenses de Recherche & Développement à la sécurité, soit près de 220 millions d’euros.

L’automobile française : Une filière majeure en mutation
Avis et rapports du conseil économique et social
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