Rendement d'un moteur à explosion

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Le rendement d’un moteur « à explosion[N 1] » est le ratio de la puissance mécanique restituée par rapport à la puissance thermique fournie par le carburant. Ce rendement est toujours majoré par le rendement de Carnot, et ce dernier varie avec l'écart de température. Les rendements des moteurs à explosion peuvent donc être différents selon les types d'applications et de carburants considérés. Par exemple, les meilleurs moteurs de série pour usage automobile ont des rendements pouvant atteindre[1] 36 % pour un moteur à essence à allumage commandé et 42 % pour un moteur diesel ; tandis que les meilleurs moteurs industriels à fioul lourd peuvent avoisiner 50 %[2],[3].

À quoi sont dues les pertes dans un moteur ?[modifier | modifier le code]

  • Aux pertes irréductibles liées au cycle thermodynamique pour la plus grande part : toute la chaleur fournie ne peut pas être récupérée mécaniquement, la part restante se perdant dans les gaz d’échappement (voir cycle de Carnot).
  • aux pertes liées au refroidissement du moteur, nécessaire pour le maintenir à une température que peuvent supporter ses éléments ;
  • aux pertes par frottement :
    • dans la transmission (quel que soit son type) ;
    • des pistons dans les cylindres ;
    • dans l’embiellage et sur l'axe du vilebrequin ;
    • au niveau de la distribution (arbre à cames notamment) ;
    • des gaz à l’admission et à l’échappement ;
  • aux besoins des accessoires nécessaires au fonctionnement du moteur (pompes d’injection, pompe à eau, ventilateur, alternateur...)

À l'exception de l'énergie consommée par les accessoires, toutes ces pertes se transforment en chaleur.

Comment lutter contre les pertes ?[modifier | modifier le code]

Du cycle thermodynamique[modifier | modifier le code]

  • En augmentant le taux de compression, les limites étant l’auto-allumage pour les moteurs à allumage commandé. La température de fonctionnement augmente avec le taux de compression. Une suralimentation avec un compresseur mécanique ou un turbocompresseur permet d'améliorer le rendement notamment du fait qu'on peut refroidir les gaz admis en cours de compression, ce qui réduit la consommation d'énergie mécanique inhérente au cycle thermodynamique (pour les moteurs à explosion, l’auto-allumage limite toujours la pression maximale admissible).
  • En étant toujours à la compression maximale avec un moteur à auto-allumage (HCCI), solution difficile à contrôler.
  • En augmentant la course de détente, de façon à récupérer un maximum de puissance mécanique. Hormis les solutions mécaniques, on peut utiliser le cycle d'Atkinson, qui éjecte une partie des gaz d’admission déjà introduits en créant un retard sur la soupape d’admission.

Du refroidissement du moteur[modifier | modifier le code]

  • En isolant thermiquement certaines pièces, par exemple avec de la céramique (tête de piston, culasse et même cylindre), ce qui pose des problèmes de prix, de fissuration et d’usure. Utilisé principalement en compétition (où le coût et la maintenabilité ne sont pas des critères prépondérants).
  • En utilisant des moteurs à pistons opposés, supprimant totalement les pertes thermiques des culasses, puisqu'il n'y en a plus.

De l’ensemble des frottements[modifier | modifier le code]

  • Avec un cycle à deux temps, car il y a moins de tours par cycle moteur, ce qui pose des problèmes de pollution à cause de la combustion de l’huile de lubrification et pour lequel, sans injection directe, une partie du carburant part dans l’échappement.
  • En diminuant les efforts de frottement, soit en diminuant les efforts entre les pièces par une plus grande précision dimensionnelle (pièces mieux appairées avec des jeux mieux maîtrisés) , soit en diminuant les coefficients de frottements :
    • Par modification des pièces : meilleurs états de surface (pièces plus lisses), traitement de surface (thermique ou chimique, exemple : nitruration), modification du design des pièces afin de limiter les surfaces de contact.
    • Par une meilleure lubrification, en modifiant le fluide lubrifiant : des huiles possédant de meilleures propriétés ou en tentant de lubrifier avec du gaz (jamais déployé au niveau industriel) ; ou en modifiant le circuit de lubrification.

Des frottements piston/cylindre[modifier | modifier le code]

  • En prévoyant des systèmes de coulisseaux (moteurs industriels fixes) ou des transformations de mouvement à came annulant les efforts latéraux.

Des frottements bielles et vilebrequin[modifier | modifier le code]

  • En modifiant la technologie des paliers par exemple en remplaçant les paliers lisses par des roulements à billes (existe sur les moteurs de motos et sur quelques bi-cylindres automobile) ce qui peut poser des problèmes de tenue dans le temps et de maintenabilité.

Des frottements de distribution[modifier | modifier le code]

En utilisant des commandes de soupape électriques, pneumatiques ou hydrauliques, au contrôle délicat[réf. nécessaire].

Le rendement maximal[modifier | modifier le code]

Les meilleurs rendements de moteurs à explosion sont obtenus sur des moteurs industriels Diesel brûlant du fioul lourd destinés aux bateaux ou aux centrales électriques. Leur rendement est proche de 50 %[2],[3]. Ces moteurs de grande puissance (de 7 500 à 90 000 kW) sont des moteurs deux temps à longue course (plus de deux fois le diamètre du piston), équipés de turbocompresseurs délivrant des pressions de suralimentation de plusieurs bars.

Leurs bielles n’actionnent pas directement les pistons mais des coulisseaux, ce qui fait que les pistons ne reçoivent aucune poussée latérale et s’usent très peu. La durée de vie de ce genre de moteur dépasse les 50 ans. Ces moteurs tournant très lentement sont très hauts à cause des coulisseaux. Pour un moteur de 90 mégawatts, la vitesse de rotation va de 65 à 100 tours par minute et permet l'entraînement direct d'une hélice sans réducteur, ce qui permet de minimiser les frottements, de réduire l'entretien et d’améliorer le rendement. La hauteur dépasse 17 mètres (six étages), la masse est de plus de 2 000 tonnes et le diamètre des cylindres est d'environ 1 mètre.

Ces moteurs ont souvent des lumières d'admission et une soupape d'échappement. Afin d'atteindre de tels rendements, une partie de l'énergie des gaz d'échappement est récupérée via des turbo-alternateurs et peut être restituée à la ligne d'arbre grâce à des machines synchrones.

Moteur pour automobile[modifier | modifier le code]

Pour un usage automobile, on demande aux moteurs des variations rapides dans une large plage de vitesse et de puissance. Les moteurs ne peuvent donc pas être optimisés pour une puissance donnée. Le rendement à faible charge est très réduit. Dans une automobile, compte tenu des pertes liées à la transmission et du fait que l’on fonctionne souvent à une puissance de l’ordre de 10 à 20 % de la puissance maximale, des périodes d’arrêt, de l’alimentation des accessoires et des périodes de mise en chauffe, le rendement moyen aux roues est compris entre 14 et 26 %[4],[5]. Il existe donc une importante marge de progression.

Plusieurs solutions sont possibles pour améliorer le rendement global des véhicules automobiles :

  • Les véhicules à motorisation hybride "série" où un groupe électrogène de puissance généralement fixe, donc fonctionnant à son meilleur point de rendement, alimente une batterie d'accumulateur qui délivre une puissance variable à un moteur électrique[6] ;
  • Les automobiles à motorisation hybride "parallèles" où un moteur thermique de puissance modérée entraîne les roues est complété par un moteur/alternateur électrique qui apporte un complément de puissance quand nécessaire ou au contraire recharge la batterie quand la demande est faible, le moteur étant plus proche de sa charge maximale a un meilleur rendement global. La solution Toyota (HSD) où un train épicycloïdal avec une entrée de puissance pour le moteur thermique à Cycle d'Atkinson et deux autres pour des moteurs électriques (un pour la traction, un autre pour la gestion), permet de toujours utiliser le moteur thermique au plus près de son rendement maximal. Il existe aussi la solution PSA où le moteur/générateur électrique actionne l’essieu arrière, le moteur thermique traditionnel entraînant l'essieu avant. Il existe aussi une solution plus simple d'avoir un gros alternateur/moteur sur un moteur thermique traditionnel et une batterie de forte capacité. Comme les deux moteurs sont mécaniquement liés, cette solution ne permet pas des gains de rendement aussi importants.
  • En créant des moteurs à combustion dont le rendement aux diverses charges est amélioré. Il y a de nombreuses solutions en cours d’études depuis parfois des décennies, qui sont abordées au chapitre suivant.

Amélioration du rendement des moteurs[modifier | modifier le code]

A charge intermédiaire[modifier | modifier le code]

La plus grosse difficulté dans certains usages et en particulier l'automobile est la baisse importante du rendement aux charges intermédiaires. La tendance à l'augmentation de puissance des moteurs pour améliorer le confort de conduite fait aussi que les moteurs sont utilisés a des charges de plus en plus faibles, ce qui aggrave la situation. Il est donc souhaitable de chercher à améliorer le rendement aux charges intermédiaires.

Les moteurs à désactivation d’une partie des cylindres[modifier | modifier le code]

On cesse de faire fonctionner les soupapes sur certains cylindres quand la demande est faible. De ce fait, les cylindres restants fonctionnent à plus forte charge donc à meilleur rendement. C’est un peu compliqué et malheureusement il reste toujours les pertes par frottement sur les cylindres désactivés, on ne supprime que les pertes de pompage[7],[8],[9],[10]. La gestion de l’équilibre thermique du moteur est délicate. Cela s’utilise sur des voitures de haut de gamme de forte cylindrée, généralement à plusieurs rangées de cylindres.

Les moteurs à compression Variable (VCR)[modifier | modifier le code]

Par des systèmes mécaniques on peut adapter la compression suivant la charge du moteur. La majorité des systèmes utilisés comportent des déplacements de parties importantes du moteur ce qui crée des contraintes mécaniques ou de transmission. Une des exceptions est le moteur MCE-5, dont le bloc moteur reste d’un seul tenant. Ce moteur est proche de l’industrialisation.

La compression variable faciliterait la réalisation d'un moteur HCCI.

Les soupapes à levée variable[modifier | modifier le code]

Article détaillé : distribution variable.

Il existe des systèmes de levée variables mécaniques (tel que le système V-TEC chez Honda) ou d'autres sans arbres à cames à commande pneumatique, hydraulique ou électrique dit camless. On peut faire varier le remplissage du cylindre en utilisant le cycle d'Atkinson, améliorant le rendement à charge partielle. On modifie aussi les avances et retard d’ouverture en temps réel en fonction des paramètres instantanés du moteur. L’un des objectifs est notamment de ne plus avoir de papillon d’admission, limitant ainsi les pertes d’écoulement. Ceci faciliterait aussi la réalisation d'un moteur HCCI.

Avec les soupapes électriques, en plus de la levée variable on diminue les pertes de la distribution car la consommation électrique pour la levée des soupapes demande moins de puissance qu’un arbre à cames traditionnel. Les soupapes à levée pneumatique sont utilisées sur certains moteurs de camions.

Arrêter le moteur quand il ne sert pas[modifier | modifier le code]

Le service pour le transport implique des arrêts qui peuvent être fréquents en usage urbain. Sans charge, le rendement est nul et on peut économiser la consommation de ralenti simplement en arrêtant le moteur et en le redémarrant quand nécessaire.

Amélioration globale[modifier | modifier le code]

Les embiellages à roulements à aiguille[modifier | modifier le code]

Les paliers à aiguille ont moins de frottement que les paliers lisses, mais les bielles ne sont pas démontables et il faut assembler le vilebrequin et les bielles ensembles. Ce n’est pas adapté pour des manetons de gros diamètre. Les bielles étant plus légères, ceci facilite aussi les régimes rapides.

C’est une technologie courante en moteur moto, l’une des rares applications en automobile a été le moteur des Panhard des années 1950 et 1960, qui comportait deux cylindres à plat.

Les pistons sans efforts latéraux[modifier | modifier le code]

Le moteur Revetec propose un système remplaçant le système bielle/vilebrequin par une double came annulant totalement les efforts latéraux. Les pistons étant entraînés par des roulements roulant sur la came, il y a aussi un gain sur la transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif car il n’y a pas de paliers lisses. Le rendement maximum du dernier prototype atteint 38 % pour un moteur à allumage dont la distribution et les culasses sont relativement primitives. Ce moteur en est à sa deuxième génération de prototypes.

Le moteur MCE-5, dont l’objectif principal est d’être un moteur à compression variable, offre comme avantage complémentaire l’annulation des efforts latéraux sur les pistons par un système d’engrenage oscillant. Il comporte un vilebrequin et des bielles.

La récupération de l’énergie d’échappement avec une turbine[modifier | modifier le code]

Les turbocompresseurs utilisent l’énergie de l’échappement pour comprimer les gaz d’admission.

Il est aussi possible de coupler la turbine à l’arbre de transmission de façon à récupérer une partie de la puissance (moteurs turbo-compound (en)). Le train de réduction est complexe et ceci ne fonctionne correctement que pour une plage de puissance limitée. Ceci a été développé sur des moteurs d’avions à la fin des années 1940 et est utilisé actuellement sur des moteurs de camion Detroit Diesel et Scania[11] et Volvo[réf. nécessaire].

La récupération de l’énergie de refroidissement[modifier | modifier le code]

Le moteur Crower à six temps récupère la chaleur de refroidissement par injection d’eau dans le cylindre, ce qui crée de la vapeur dans un cycle moteur complémentaire à vapeur en plus du cycle à explosion. Il n’y a pratiquement pas de données sur les prototypes existants et le développement semble arrêté[12].

Le moteur Bajulaz[13] à six temps récupère la chaleur de refroidissement d'une chambre de combustion qui est séparée du cylindre. Cette chaleur est utilisée pour préchauffer de l'air dont l'expansion sera utilisée lors d'un cinquième temps.

Le moteur Velozeta[14] récupère la chaleur de refroidissement et d'échappement par injection directe d'air dans le cylindre lors de l'échappement. Il présente l'avantage additionnel de diminuer la pollution du fait d'un meilleur balayage du cylindre.

Le moteur thermique à récupération d'énergie: C'est le principe d'un moteur thermique couplé au principe d'un moteur à air chaud de type Ericcson, la liaison entre les deux systèmes est réalisée par un piston multifonctions. Il est espéré un rendement global de 65 %[15].

Les moteurs à deux temps[modifier | modifier le code]

Les moteurs deux temps simples, bien qu'ayant moins de pertes par frottement, ont souvent un rendement plus faible que les moteurs à quatre temps pour diverses raisons:

  • Dans le cas d'un prémélange air/combustible, une partie de ce mélange part directement dans l'échappement sans être brûlé lors de la phase de balayage, ce qui représente une perte et une importante source de pollution. Cette perte peut être supprimée en installant une injection directe dans le cylindre, ce qui fait que lors du balayage, il n'arrive que de l'air ne contenant pas de combustible.
  • Toute l'énergie de détente n'est pas utilisée car la détente est interrompue pour permettre le balayage des gaz d'échappement. Ceci peut être amélioré par divers moyens :
    • Avec une vanne installée dans l'échappement, qui freine l'échappement et permet de récupérer une petite partie de l'énergie de détente résiduelle.
    • Avec un turbocompresseur, le balayage étant amélioré par la pression du turbo, ce qui permet de réduire sa durée.
    • En ayant une course plus longue, ce qui allonge la durée du balayage ou permet une plus forte détente pour un même balayage.
  • Le balayage des gaz d'échappement par des gaz neufs consomme une énergie de pompage. Celle ci peut être réduite en installant une soupape d'admission, ce qui fait que le balayage ne se fait plus par le carter mais directement par un canal d'admission.

Les moteurs diesels industriels ayant actuellement les meilleurs rendements sont des moteurs deux temps lents, à très forte turbo-compression, très longue course et une soupape d'admission.

Les essais de moteurs deux temps à injection directe pour usage automobile ont donné des résultats intéressants pour le rendement, mais les problèmes de pollution liés à l'entraînement d'huile par le balayage par le carter n'ont pas permis de respecter les règlementations anti-pollution actuelles[réf. souhaitée].

Combiner diverses solutions[modifier | modifier le code]

Il faut noter que certaines des solutions exposées sont combinables, les effets de ces combinaisons étant plus ou moins cumulatifs. Par exemple un moteur Revetec à faibles frottements bénéficierait pleinement d’un système de soupapes à levées variables. La combinaison d’un moteur à compression variable et de soupapes à levée variable est positive, mais les avantages ne s’additionnent pas complètement.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Bien que l'expression soit inexacte, car il n'y a pas vraiment d'explosion, au sens strict du terme, mais une combustion rapide, c'est le terme couramment utilisé pour désigner un type de moteur à combustion interne à combustions successives et ne pas le confondre avec un moteur à combustion continue (turbomoteur) ou un moteur à combustion externe.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Les moteurs conventionnels., sur ifpenergiesnouvelles.fr, consulté le 17 novembre 2016.
  2. a et b « Renault présente un prototype de moteur diesel deux temps », sur Caradisiac.com, (consulté le 17 novembre 2016)
  3. a et b « Le moteur Diesel Industriel (MAN) » [PDF], sur cnam.fr (consulté le 17 novembre 2016)
  4. [PDF] Le rendement d'une voiture, illustration et calculs, sur hkw-aero.fr
  5. (en) Advanced Technologies & Energy Efficiency - fueleconomy.gov, un site du Département de l'Énergie des États-Unis
  6. [1] consulté le 13/11/2018
  7. (en) Cylinder deactivation, sur thoughtco.com
  8. (en) Cylinder deactivation - explained
  9. (en) Cylinder deactivation explained, sur carwow.co.uk
  10. (en) 5 new gas engine technologies: 4-Cylinder deactivation, sur howstuffworks.com
  11. Moteurs Scania Turbocompound, sur le site Scania
  12. Cf. Moteur à eau
  13. (en) Six-stroke engine « Copie archivée » (version du 15 mai 2007 sur l'Internet Archive) - Site de Bajulaz SA
  14. (en) Site de Velozeta
  15. Moteur thermique a récupération d'énergie équipé d'un piston multifonction double-effet et dessins, sur le site brevets-patents.ic.gc.ca, consulté le 9 décembre 2014

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]