Rendement d'un moteur à explosion

Le rendement d’un moteur à explosion est le ratio de la puissance mécanique restituée par rapport à la puissance thermique fournie par le carburant.

Actuellement, à leurs meilleurs points de rendement, c’est-à-dire papillon grand ouvert et à une vitesse de rotation d’environ les deux tiers de leur vitesse maximale, les meilleurs moteurs de série pour usage automobile ont un rendement de:

• 35 % pour un moteur à essence à allumage commandé ;
• 45 % pour un moteur diesel.

À quoi sont dues les pertes dans un moteur ?

• Aux pertes 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 :
  • 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)

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

Comment lutter contre les pertes ?

Du cycle thermodynamique

• En augmentant le taux de compression, les limites étant l’auto-allumage pour les moteurs à essence. 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

• En isolant certaines pièces avec de la céramique (tête de piston, culasse et même cylindre), ce qui pose des problèmes de prix, de fissuration et d’usure. C'est utilisé en compétition.
• 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

• 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 améliorant la lubrification avec de meilleures huiles ou en tentant de lubrifier avec du gaz, ce qui n’a jamais réussi de manière probante.

Des frottements piston/cylindre

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

Des frottements d’embiellage

• En remplaçant les paliers lisses par des roulements à billes, ce qui se fait sur nombre de moteurs motos et sur quelques moteurs bi-cylindres automobile mais pose des problèmes de robustesse du vilebrequin et de démontabilité.

Des frottements de distribution

• En utilisant des commandes de soupape électriques, pneumatiques ou hydrauliques, au contrôle délicat.

Le rendement maximal

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 dépasse légèrement 50 %. Ces moteurs de grande puissance (7 500 à 90 000 kilowatts) 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, 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 rendement, une partie de l'énergie de gaz d'échappement est récupérée via des turbo-alternateurs et peut être restituée à la ligne d'arbre grace à des machines synchrones.

Moteur pour automobile

Pour un usage automobile, on demande aux moteurs de varier rapidement 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, du fait que l’on fonctionne généralement 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 mises en chauffe, le rendement moyen aux roues ne dépasse guère 12 %^[1]. Il existe donc une importante marge de progression.

Plusieurs solutions sont possibles pour améliorer le rendement global des voitures :

• Les voitures à transmission hybride ‘série’ ou un groupe électrogène à puissance généralement fixe, donc fonctionnant au meilleur point de rendement alimente une batterie qui délivre une puissance variable à un moteur électrique.
• Les voitures à transmission hybride ‘parallèles’ ou un moteur de puissance modérée entraîne les roues. Ce moteur 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. Ce moteur étant plus proche de sa charge maximum a un meilleur rendement.
• 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

Les embiellages à roulements à aiguille

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 1960 et 1970, qui comportait deux cylindres à plat.

Les moteurs à désactivation d’une partie des cylindres

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 y a toujours quelques pertes par frottement sur les cylindres désactivés. 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)

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, donc 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

Il existe des systèmes de levée variables mécaniques 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.

Les pistons sans efforts latéraux

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

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 (en) et Scania^[2].

La récupération de l’énergie de refroidissement

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.

Le moteur Bajulaz^[3] 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^[4] 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%^[5],[6].

Combiner diverses solutions

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

Annexes

Articles connexes

• Architecture des moteurs à pistons
• (en) Six-stroke engine, moteur à six temps

Liens externes

• (en) Existing and Future Demands on the Turbocharging of Modern Large Two-stroke Diesel Engines - Wärtsilä Corporation, 1-2 octobre 2002 [PDF]

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