Consommation spécifique de carburant
La consommation spécifique CS (en anglais : Specific Fuel Consumption - SFC), est un terme technique qui est utilisé pour quantifier le rendement énergétique d'un moteur par rapport à sa puissance ou sa poussée. Il permet de comparer le rendement de moteurs différents.
Définition[modifier | modifier le code]
La consommation spécifique de carburant est la masse de carburant nécessaire pour fournir une puissance ou une poussée dans un temps donné. Elle s'exprime :
- en g/kWh - grammes de carburant par kilowatt heure, ou bien
- en g kN−1 s−1 - grammes de carburant par kilonewton seconde.
La consommation spécifique de carburant dépend de la conception des moteurs, les différences de consommation spécifique de carburant entre des moteurs utilisant la même technologie ont tendance à être assez faibles.
Consommation spécifique et puissance[modifier | modifier le code]
La "Consommation spécifique" désigne la consommation d'un moteur thermique en fonction de la puissance développée et du temps. Elle est usuellement chiffrée en g/kWh ou en kg/kWh.
Une courbe de consommation spécifique peut être tracée en fonction du régime moteur (en tr/min) et du couple exprimé en N m (ou de la PME, pression moyenne effective exprimée en bar). Les constructeurs fournissent généralement une courbe de CS à pleine charge, c'est-à-dire accélérateur à fond, qui n'est pas représentative de l'utilisation réelle d'un moteur à charge partielle. Pour calculer la consommation effective d'un moteur, il faut disposer de la valeur de la CS pour tous points de régime et de couple. L'ensemble de ces points permet de tracer des courbes "ISO CS".
La consommation spécifique est généralement la plus basse entre 75 % et 100 % du couple. La CS peut augmenter fortement à très bas régime et à faible couple, selon le type de moteur : turbines (réacteurs), 2 temps, 4 temps essence ou diesel. Elle augmente aussi généralement au-dessus du régime de couple maximal.
Consommation spécifique et poussée[modifier | modifier le code]
La consommation spécifique de carburant peut être rapportée à la poussée en (kilonewtons ou kN). C'est alors une poussée spécifique, ce qui signifie que la consommation de carburant est divisée par la poussée.
La consommation spécifique de carburant pour les propulseurs (par exemple, turboréacteurs, turboréacteurs à double flux, statoréacteurs, moteur-fusée, etc) est la masse de carburant nécessaire pour fournir la poussée pour une période donnée, par exemple g s−1 kN−1 - grammes de carburant par seconde kilonewtons, en unités métriques (ou lb h−1 lbf−1) - livres de carburant par heure livres de poussée, en unités impériales. La masse du combustible est utilisée plutôt que son volume pour la mesure de la quantité de carburant car elle est indépendante de la température[1].
La consommation spécifique de carburant des moteurs à réaction fonctionnant dans l'air ambiant à leur maximum d'efficacité varie plus ou moins inversement avec la vitesse, ce qui signifie que la consommation de carburant par km ou mile peut être une comparaison plus appropriée pour les aéronefs se déplaçant à des vitesses très différentes.
Elle est inversement proportionnelle à l'impulsion spécifique.
Consommation spécifique des moteurs à réaction[modifier | modifier le code]
Plusieurs facteurs influent sur l'efficacité énergétique des moteurs.
- L'augmentation de taux de compression des moteurs à réaction permet de diminuer la consommation spécifique de carburant.
- Les moteurs à réaction (turboréacteurs et turbopropulseurs) sont généralement beaucoup plus petits et plus légers que les moteurs à pistons à puissance équivalente. Ces deux caractéristiques réduisent la traînée aérodynamique de l'avion, réduisant ainsi la puissance nécessaire pour mouvoir l'avion.
Par conséquent, les moteurs à réaction sont plus efficaces pour la propulsion des aéronefs que ce que pourrait indiquer une analyse rapide et simpliste du tableau ci après.
- La consommation spécifique de carburant varie avec le réglage des gaz, l'altitude et le climat.
- Pour les moteurs à réaction, la vitesse de vol a aussi un effet significatif sur la consommation spécifique de carburant ; elle est approximativement proportionnelle à la vitesse de l'air (en fait, la vitesse d'éjection), mais la vitesse au niveau du sol est aussi proportionnelle à la vitesse de l'air. Par conséquent, bien que la valeur nominale de la consommation spécifique de carburant soit une mesure utile du rendement du moteur, il doit être divisé par la vitesse pour obtenir un moyen de comparer les moteurs qui volent à des vitesses différentes.
Par exemple, le Concorde a une vitesse de croisière de Mach 2 avec ses moteurs donnant une consommation spécifique de carburant de 1,195 lb lbf−1 h−1 (voir ci-dessous), ce qui équivaut à un consommation spécifique de carburant de 0,51 lb lbf−1 h pour un avion volant à M 0,85, ce qui serait très compétitif, même avec les moteurs modernes. En effet, il est le moteur à réaction le plus efficace[2]. Toutefois, Concorde a finalement une moindre efficacité aérodynamique (en raison de la géométrie de sa voilure adaptée au vol supersonique, son ratio portance/traînée est beaucoup plus faible) et une structure plus lourde.
Unités[modifier | modifier le code]
| Impulsion spécifique (/poids) | Impulsion spécifique massique | Vitesse d'éjection | Consommation spécifique de carburant | |
|---|---|---|---|---|
| SI | = X secondes | = 9,8066 X N s/kg | = 9,8066 X m/s | = (101972/X) g kN−1 s−1 |
| Unités impériales | = X secondes | = X lbf s/lb | = 32,16 X ft/s | = (3600/X) lbf/h |
Valeurs typiques de consommation spécifique de carburant de quelques moteurs-propulseurs[modifier | modifier le code]
Il est nécessaire de se souvenir que la vitesse d’éjection donnée n'est pas valable pour les moteurs à réaction : un moteur à réaction accélère non seulement son carburant (brulé), mais aussi une masse d'air. La richesse du mélange est donc à prendre en compte.
| Type de moteur | Application | CS en lb lbf−1 h−1 | CS en g kN−1 s−1 | Impulsion spécifique (s) | Vitesse d'éjection (m/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| Moteur-fusée NK-33 (RP-1/LOX) | Vide | 10,9 | 309 | 330 | 3 240 |
| Moteur-fusée SSME (LH2/LOX) | Navette spatiale | 7,95 | 225 | 453 | 4 423 |
| Statoréacteur | Mach 1 | 4,5 | 127 | 800 | 7 877 |
| Turboréacteur Pratt & Whitney J58 | SR-71 à Mach 3,2 (avec post combustion) | 1,9 | 53,8 | 1 900 | 18 587 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | Concorde Mach 2 - vitesse de croisière (à sec) | 1,195[3] | 33,8 | 3 012 | 29 553 |
| Turboréacteur à double flux CF6-80C2-B1F | Boeing 747-400 - vitesse de croisière | 0,605[3] | 17,1 | 5 950 | 58 400 |
| Turboréacteur à double flux General Electric CF6 | Niveau de la mer | 0,307[3] | 8,696 | 11 700 | 115 000 |
Les turboréacteurs de dernière génération présentent pour la plupart un ratio de 0,55 en vol de croisière. Cette valeur, pour un Boeing 777 équipé de deux General Electric GE90 parcourant 10 000 km à une moyenne de 1 800 L/100 km, équivaut à environ 5 L/100 km par passager (pour 360 passagers), soit autant qu'une petite automobile[4].
Notes et références[modifier | modifier le code]
- Specific Fuel Consumption
- [1]
- (en) « Data on Large Turbofan Engines », Aircraft Aerodynamics and Design Group, Stanford University (consulté le )
- Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, chap. 6 - Quelques chiffres caractéristiques, p. 38-40.
