Consommation de carburant des véhicules automobiles

Un véhicule automobile en mouvement selon un profil de vitesse donné est soumis à chaque instant à un système de forces égales et opposées appliquées aux roues : La force de traction produite par le moteur via la chaîne cinématique et la résistance à l'avancement totale R_t.

La résistance à l'avancement R_t[3] est la somme des résistances à l'avancement : R_t = R_roul + R_air + R_α + R_i

R_roul = μ_roul P_vehcosα (résistance au roulement)

avec μ_roul : coefficient de roulement, P_veh : poids du véhicule, α : angle de pente

R_air = 1/2 ρ_air S_fveh C_x V²_flux (résistance aérodynamique)

avec ρ_air = masse volumique de l'air, S_fveh = surface frontale du véhicule[4], C_x = coefficient de traînée[5], V_flux = Vitesse véhicule +/− vitesse du vent

R_α = P_veh sin α (résistance à la pente)

avec Pveh : poids du véhicule, α : angle de pente

R_i = (m_veh + m_ce) γ_veh (Force d'inertie liée à l'accélération)

avec m_veh = masse du véhicule, m_ce = inertie de translation équivalente des parties tournantes du moteur, de la chaîne cinématique et des roues.

Pour suivre un profil de route avec une consigne de vitesse donnée, le moteur doit produire à chaque instant une force aux roues égale et opposée à la résistance totale R_t. La puissance instantanée du moteur P est alors égale à R_t V.

Cartographie d'un moteur indiquant la consommation spécifique en fonction du couple (N m) et de la vitesse de rotation (tr/min)

La consommation d'un moteur thermique varie avec la vitesse de rotation (régime en tours par minute, tr/min) et la charge (couple produit sur l'arbre moteur, en newton mètre, N m).

Pour analyser la consommation de carburant d'un moteur, il est pratique d'utiliser un diagramme du type joint[8] qui indique la consommation spécifique (g de carburant par kWh) pour chaque couple (N m) et vitesse de rotation (tr/min). On observe sur un tel graphique appelé « cartographie moteur » qu'il existe plusieurs combinaisons possibles de couple et vitesse de rotation pour produire une même puissance (par exemple points de fonctionnement 1,2 et 3 du graphique joint).

L'efficacité énergétique du moteur pour un point de fonctionnement donné est le rapport entre l'énergie mécanique produite pendant un temps dt et l'énergie chimique consommée sur cette durée (43,8 MJ/kg pour l'essence).

η = Pm x dt / (Pm x Cse/3600 x D_carb x dt) = 1 / (Cse/3600 x Dcarb) avec P_m : Puissance moteur, Cse : Consommation spécifique (en g/kWh ou g/3600 kJ), Dcarb : densité énergétique du carburant (en MJ/kg ou kJ/g).

Sur le graphique joint, le point de fonctionnement 3 correspond à une efficacité énergétique de 33 % proche de la ligne de consommation minimale du moteur. À l'inverse, l'efficacité énergétique du point de fonctionnement 1 n'est que de 24 % et dans les zones de faible charge, elle est inférieure à 20 %.

Sur un cycle de type NEDC, l'efficacité énergétique correspondant à la moyenne des points de fonctionnement. Pour un moteur essence atmosphérique, elle est de l'ordre de 20 %, ce qui signifie que 80 % environ de l'énergie disponible dans le carburant est rejetée dans l'atmosphère sous forme de chaleur à travers l'échappement et le circuit de refroidissement du moteur.

Il est pratique de présenter sur un même diagramme l'énergie nécessaire pour déplacer un véhicule sur un trajet donné (abscisse) en fonction de la consommation de carburant ou des émissions de CO₂ réalisées sur ce même trajet (ordonnée). Cette représentation nommée « diagramme énergétique » permet de tracer des droites d'iso-efficacité énergétique qui correspondent aux différentes technologies de moteurs et ainsi d'estimer pour une catégorie de véhicule donnée les émissions de CO₂ sur le trajet. L'exemple joint[9] montre que pour atteindre le seuil de 50 g de CO₂ par km (soit environ 2 l/100 km) sur cycle NEDC avec un véhicule urbain (catégorie B), il faut utiliser un moteur hybride plug-in ou alors réaliser sur ce véhicule un allègement considérable.

Diagramme énergétique pour estimer les émissions de CO₂ d'un véhicule automobile

Le tableau ci-dessous donne les ordres de grandeur des gains à réaliser sur les principaux inducteurs de la voiture pour gagner 1 g de CO₂/km[9].

La préoccupation de réduction de la consommation a d’abord été dictée par l’envolée du coût des carburants lors des grands Chocs pétroliers des années 1970. Le principal impact sur le marché automobile a été le retour à des véhicules plus compacts et moins lourds. Dans cette période, les constructeurs ont mené des recherches pour réduire la consommation et ont présenté des prototypes pouvant atteindre jusqu'à 2 l/100 km avec des technologies conventionnelles, sans hybridation ni électrification (Renault VESTA 2 1987 : 1,94 l/100 km). Ces travaux n’ont eu malheureusement que peu d'impact sur les véhicules de série qui ont continué de s'alourdir pour satisfaire les normes de sécurité et assurer plus de performance et de confort pour les usagers. La préoccupation de réduction de consommation est réapparue dans les années 2000 avec la mise en place de réglementations CAFE dans certains pays, puis la mise en place par les États de fiscalités discriminantes pour les véhicules à forte consommation[10]. Sont apparues alors des technologies qui visaient prioritairement à améliorer l’efficacité énergétique du moteur : hybridation par Toyota Hybrid Synergy Drive (1997), puis électrification par Nissan et Renault (2010).

C'est aussi dans cette même période que les motorisations diesel qui émettent de l'ordre de 15 % de CO₂ en moins que les moteurs essence ont pris le pas en Europe. En Europe de l'Ouest, la part du diesel dans les véhicules nouvellement immatriculés est passée de 13,8 % à 53,3 % entre 1990 et 2013[11].

Les premiers cycles de mesure de la consommation ont été élaborés en 1962 par l'organisme français UTAC[12] à partir de cycle urbain (Urban Driving Cycle). Ce cycle a ensuite évolué vers le cycle NEDC encore en vigueur début 2015.

Mais c'est aux États-Unis que fut instaurée la première législation CARB (California Air Resources Board) en 1968, avec pour objectif premier de mesurer la pollution plutôt que la consommation en raison de la dégradation de la qualité de l'air dans plusieurs villes de l'État de Californie[12].

En Europe, la consommation de carburant par les voitures est donnée par le constructeur en faisant référence au cycle NEDC. Ce cycle sera remplacé au plus tard en 2014, retardé à 2020, dans le cadre de la norme Euro 6[13]^,[14] par le cycle WLTP, conçu pour être le plus proche possible des conditions d'utilisation réelles.

La réglementation européenne fixe des limites aux constructeurs pour les émissions moyennes des véhicules neufs vendus dans l'année sur le périmètre des 27 pays de l'UE.

Pour les véhicules particuliers de catégorie M1, ces limites sont fixées à 130 g de CO₂/km en 2015 puis 95 g de CO₂/km en 2020[15].

Réglementation CAFE Europe 2015

Les seuils sont définis selon un paramètre d'utilité qui est la masse moyenne des véhicules pour chaque constructeur. Le seuil de 130 g de CO₂/km en 2015 est donné pour une masse 1 372 kg qui correspond à la moyenne de la flotte européenne en 2006, mais les seuils varient pour chaque constructeur en fonction de la masse moyenne de la flotte de véhicules avec une pente de 4,57 g de CO₂/kg pour 100 kg[16]. Cette pente est inférieure à la pente « naturelle » que l'on obtiendrait avec de véhicules utilisant les mêmes technologies. Ainsi, la réglementation est plus exigeante pour les constructeurs qui commercialisent les véhicules les plus lourds et réciproquement.

Par ailleurs, des conditions particulières sont mises en œuvre dans la réglementation pour inciter à la diffusion de dispositifs innovants (Éco-innovations qui produisent des gains de consommation en dehors du cycle normalisé) ou de véhicules à faibles émissions de CO₂ (Supercrédits pour les véhicules électriques).

Cette réglementation est très incitative pour les constructeurs et la plupart d'entre eux sont en ligne[17] pour satisfaire le seuil réglementaire de 130 g de CO₂/km en 2015. La prochaine étape aura lieu en 2020 avec un seuil réglementaire de 95 g de CO₂/km qui sera beaucoup plus difficile à atteindre.

La France applique une fiscalité de type bonus-malus à l'achat du véhicule basée sur les émissions de CO₂ normalisées.

En 2015, les seuils sont les suivants[10] :

Bonus : Il ne s'applique que sur les véhicules neufs ayant fait l'objet d'une réception communautaire et n'ayant jamais été immatriculés en France ou tout autre pays de l'Union européenne.

Malus : Il s'applique sur tous les véhicules neufs et d'occasion lors de leur première immatriculation en France. Pour les véhicules d'occasion (achetés à l’étranger) un abattement de 10 % par année de circulation est appliqué.

Les émissions de CO₂ réglementées sont les émissions en usage « du réservoir à la roue » (« tank to wheel » en anglais), qui correspondent à la combustion du carburant dans le moteur.

Pour comparer le bilan carbone des différentes énergies utilisées pour la propulsion des véhicules, on utilise la notion d'émissions de CO₂ « du puits à la roue » (« well to wheel » en anglais).

Pour ce faire, on évalue les émissions de CO₂ produites lors des différentes étapes d'extraction, transformation et transport du carburant jusqu'à la pompe.

Ainsi, les émissions de CO₂ d'un véhicule électrique qui sont nulles en usage, vont varier considérablement en fonction du mode de production de l'énergie électrique et le mix énergétique des pays.

C'est aussi, en utilisant cette notion « du puits à la roue » que l'on peut justifier de l'intérêt des biocarburants pour laquelle la partie « du puits au réservoir » est négative car on considère que la croissance du végétal dont ils sont issus se réalise par captation du CO₂ dans l'atmosphère lors de la réaction de photosynthèse.

L'électricité d'origine nucléaire, qui représente 77,5 % de la production nationale française brute, ou hydro-électrique, solaire, éolienne, qui représente 17,7 % en 2014, ne produisent également aucune émission de CO₂[18].

Les résultats d'essais de consommation sur le profil NEDC sont rapportés dans les deux unités (l/100 km) et émissions de CO₂ (g/km) pour trois profils de vitesse :

• Cycle urbain de 800 s avec 4 motifs répétés d'accélération jusqu'à 15 km/h, 30 km/h et 50 km/h.
• Cycle extra urbain de 400 s avec plusieurs paliers de vitesse jusqu'à 120 km/h.
• Cycle complet donnant des valeurs pondérées. En général, ce sont ces valeurs qui sont communiquées par les constructeurs et qui servent de référence pour les réglementations et la fiscalité.

L'exemple ci-dessous[19]montre l'intérêt d'analyser l'ensemble des résultats pour faire un choix pertinent par rapport aux usages.

Ainsi, pour une utilisation essentiellement urbaine, un véhicule hybride qui tire avantage de sa capacité à récupérer l'énergie lors des décélérations pour la restituer en accélération est plus performant lorsqu'il y a beaucoup d'arrêts et de variations de vitesse, à l'inverse un véhicule diesel est plus efficace pour un usage routier car il bénéficie d'une meilleure efficacité énergétique que le moteur essence du véhicule hybride dans ces conditions d'utilisation.

Le tableau ci-dessous donne quelques caractéristiques pour les carburants automobiles usuels.

Caractéristiques en fonction de la vitesse pour différents modèles des États-Unis. Axe horizontal: vitesse du véhicule en miles par heure (60 mph ~ 100 km/h); axe vertical efficacité de la consommation en miles par gallon (1 gallon US ~ 3,8 litres): l'efficacité est maximale pour les vitesses moyennes, et chute aux extrêmes

En France, l'ADEME s'appuyait sur la consommation théorique (cycle NEDC) désormais (cycle WLTP) pour réaliser un classement des voitures selon les grammes de CO₂ par kilomètre émis par les voitures[19].

Exemple de consommation de carburant (l/100 km) en fonction de la vitesse du véhicule (km/h) avec différents rapports de boite de vitesses

Il est courant pour les usagers de constater un écart important entre la consommation réelle observée et la consommation homologuée (de l'ordre de 25 %[20]supérieure aux valeurs homologuées). Ces écarts peuvent s’expliquer de plusieurs façons :

• Les conditions d’usage sont très différentes des conditions d’homologation, par exemple dans les cas suivants :
  • Trajets très courts ou pourcentage d'autoroute important.
  • Véhicules très chargés ou transport d'objets sur une galerie.
  • Pneumatiques sous gonflés.
  • Temps froid avec courts trajets et usage dégivrage ou chaud avec usage de la climatisation.
  • Les agencements des villes actuelles contribuent de manière importante à la hausse des consommations de carburants nombreux ralentisseurs, feux tricolores non synchronisés et ronds-points, lors des relances le moteur est sollicité avec une consommation qui s'envole. Bien entendu le niveau de pollution est en lien direct avec le surplus de consommation de carburant.
  • Conduite nerveuse avec accélération et freinages brutaux ou régimes inadaptés liés à un mauvais choix de rapport de boite (boite manuelle).
• les constructeurs utilisent leur expertise pour exploiter les tolérances de la procédure d’essai afin de minimiser la consommation homologuée. Cette pratique s’est développée depuis la mise en place de réglementations fiscales dans certains pays avec des seuils très discriminants qui ont des impacts commerciaux considérables.

Il est possible pour un usager de réaliser une consommation proche de la valeur homologuée sous certaines conditions d'usage mais surtout s'il pratique une conduite adaptée (Écoconduite).

Le tableau ci-contre montre l'importance du rapport de boite de vitesses sur la consommation[8].

• Réduire le besoin énergétique
• Améliorer l’efficacité énergétique
• Aides à la conduite écologique (écoconduite)

Puisque la finalité est de réduire la contribution des transports aux émissions globales de CO₂ sur la planète, il est plus pertinent de raisonner en émission de CO₂ par personne et par kilomètre. Des études sont menées pour évaluer cet indicateur pour différents moyens de transport[21]. Pour l'automobile, cet indicateur est très influencé par le kilométrage annuel et le nombre de passagers. Les coûts d'usage (dont prix du carburant) et les conditions de circulation dans les zones urbaines de forte densité incitent les automobilistes à de nouvelles pratiques.

• Covoiturage
• Mobilités alternatives
• Télétravail

Le L/100 km est l'unité courante en Europe. D'autres unités sont utilisées dans le monde, notamment dans les pays anglo-saxons qui n'utilisent pas le Système international d'unités.

• ADEME Agence pour le Développement et la Maîtrise de l’Énergie
• WLTP : Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures
• NEDC : New Driving Cycle
• CAFE : Corporate Average Fuel Economy
• Économiseur d'essence
• Efficacité énergétique dans les transports
• Coefficient de traînée
• Aérodynamique automobile

• Notices d'autorité :

  • Bibliothèque nationale de France (données)
  • Bibliothèque du Congrès
  • Gemeinsame Normdatei
• http://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/incitations-financieres-vehicules-2014-7376.pdf
• https://web.archive.org/web/20141208203825/http://ec.europa.eu/clima/policies/transport/vehicles/cars/faq_en.htm
• (en) « Monitoring of CO2 emissions from passenger cars – Regulation 443/2009 », sur European Environment Agency (consulté le 29 septembre 2020)
• https://weber.fi.eu.org/consommation/ script gnuplot (calcul de consommation d'un véhicule)

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