Les moteurs

De Oleowiki.

Sont ici décrites les principales technologies de moteurs utilisés dans les transports actuels.

Sommaire

Moteurs thermiques

Moteurs à pistons

Moteur 2 temps

Les principaux avantages de ce moteur sont sa compacité et sa simplicité, ce qui en fait la solution idéale pour motoriser à moindre frais des mobylettes, avions radiocommandés et autres tondeuses à gazon. Ses inconvénients majeurs sont sa forte consommation et surtout son taux de pollution, inhérent au concept même : son carburant servant également de lubrifiant, il est constitué d’un mélange d’essence et d’huile minérale qui, brûlée, émet de nombreux gaz nocifs.

Moteur à essence

C’est le moteur qui anime la plupart des voitures particulières dans le monde. Il peut déplacer, sans aucun entretien pendant plusieurs centaines d’heures de fonctionnement, une masse d’une tonne à une centaine de kilomètres/heure pour une demi-douzaine de litres aux 100 kilomètres. Sa durée de vie dépasse allègrement le millier d’heures de fonctionnement.

Moteur Diesel

C’est le moteur qui anime une grande partie des voitures européennes, ainsi que pratiquement tous les camions, les trains et les bateaux. Son développement dans le parc automobile européen s’explique par sa capacité à produire moins de CO2 et de Nox au kWh que le moteur à essence (impulsion législative), ainsi que par un effet psychologique : les consommateurs ont plébiscité son usage car :

  • le moteur diesel consomme moins de litres au 100 kilomètres que son équivalent essence
  • le gazole est moins lourdement taxé que l’essence

même si ces avantages ne se traduisent par un gain économique réel que pour les gros rouleurs (plus de 20 000 km par an environ)

Le moteur Diesel a la capacité de pouvoir fonctionner avec de nombreux carburants (et sur une large gamme de puissance) depuis le kérozène (exemple : avion de tourisme Cessna 182 Diesel) jusqu'au fioul lourd (exemple : navires de marine marchande).

Moteur Wankel

Contrairement aux moteurs cités ci-dessus dont les pistons effectuent un mouvement de translation alternatif, le moteur Wankel, du nom de son inventeur, possède un unique piston rotatif. NSU (maintenant Audi) et Citroën ont longtemps cru à cette technologie innovante qui souffre d’un grave défaut : les joints entre le piston et la chambre de combustion doivent être changés fréquemment (tous les 50 000 km ?), ce qui nécessite un démontage complet du moteur. Seul Mazda continue à commercialiser une voiture équipée d’un moteur Wankel. En terme de consommation comme de pollution, ce moteur n’est pas structurellement supérieur à un moteur à essence.

Moteur Stirling

Contrairement aux moteurs à combustion interne cités ci-dessus, où le piston est poussé par la combustion du carburant à l’intérieur du cylindre, le moteur Stirling utilise la chaleur d’une source thermique pour faire se dilater un fluide confiné dans le cylindre, ce qui a pour effet de déplacer le piston. Le principal avantage est qu’il est ainsi possible d’utiliser n’importe quelle source de chaleur, éventuellement non fossile (solaire, géothermie…), pour le faire fonctionner. Son défaut majeur est son encombrement : il nécessite de grands radiateurs pour refroidir le fluide propulsif. Il est donc plutôt utilisé en station fixe, pour alimenter un alternateur à partir de la chaleur d’un four solaire par exemple. Des sous-marins suédois fonctionnent avec des moteurs Stirling (chauffés au gazole !) qui peuvent être très silencieux. Il pourrait concurrencer le turbopropulseur ou le moteur à combustion interne en aviation générale et aviation commerciale court-courrier. Il est très endurant et simple d’entretien.

On peut noter que le moteur Stirling est relativement efficient pour récupérer de l'énergie solaire, voir ce record de 31% établis en février 2008.

Moteurs à turbine

Turboréacteur

Utilisé uniquement en aviation, il équipe aujourd’hui tous les avions de chasse du monde et la plupart des avions de ligne.

C'est en réalité un statoréacteur auquel on a ajouté un compresseur pour lui permettre de fonctioner à des vitesses inférieures. La turbine ne servant qu'à entraîner ce compresseur.

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On l'utilise actuellement avec des carburants communèments nommés "Kérozènes", qui s'apparentent en fait au gazole voire du gaz naturel ; le kérosène est plébiscité par les motoristes car il possède un bon rapport énergie restituée / poids, se stocke à pression ambiante, est difficilement inflammable et ne présente donc pas de risques particuliers. De plus, le plus utilisé, le JET A1, ne gèle qu'à -50,-60°C, il ne nécessite qu'un faible réchaufage en vol pour ne pas givrer (Température à l'altitude de croisière des avions commerciaux voisine de -55°C en moyenne).

Turbopropulseur

Utilisé principalement en aviation, il s’agit d’un petit turboréacteur optimisé pour faire tourner une hélice en bout d’axe et non pour développer une poussée de gaz en sortie. Il est plus économique à l’achat, à l’exploitation (moindre consommation qu’un turboréacteur) et à l’entretien, ce qui en fait probablement le moteur du futur pour l’aviation court-courrier.

Moteurs électriques

  • synchrones
  • asynchrones

Piles à combustible

Les piles à combustible ne produisent pas d'énergie mécanique, mais de l'électricité (et de la chaleur) à partir d'un carburant liquide ou gazeux. Cette électricité alimente ensuite un ou plusieurs moteurs électriques.

Les piles à combustible embarquées tentent désespérément depuis des décennies de quitter leur usage de niche (spatial) pour conquérir le marché de la grande série (automobile) ; les problèmes à résoudre restent nombreux (prix, durée de vie, robustesse...).

La pile à combustible résidentielle a plus d'atouts : elle produit chaleur et électricité pour une maison ou un immeuble comme une centrale thermique à cogénération, mais en étant plus compacte et plus fiable (pas de pièces mécaniques en rotation).

Moteurs hybrides

Ce sont des moteurs thermiques couplés à des moteurs électriques, dans un but de flexibilité d’utilisation et/ou de réduction de la consommation. Les moteurs thermiques développent peu de puissance à bas régime et atteignent leur point idéal de fonctionnement à quelques millers de tours/minute (moteurs à combustion interne) ou à quelques dizaines de milliers de tours/minute (moteurs à turbine), contrairement aux moteurs électriques qui délivrent leur couple maximum au démarrage. Des batteries complètent généralement le dispositif. Les moteurs hybrides visent ainsi à prendre le meilleur des deux mondes. On distingue deux architectures :

  • l'hybride série, où le moteur électrique entraîne seul les roues ;
  • l'hybride parallèle, où les deux moteurs peuvent entraîner les roues selon différentes lois de gestion

Hybride Vapeur

Technologie utilisée, en architecture en série, il y a un siècle sur certains bateaux de fort tonnage, tels notamment le Normandie. Avec le retour du charbon, elle pourrait redevenir actuelle.

Hybride Essence

C’est celui dont on parle le plus, qui équipe notamment des véhicules hybrides comme la Toyota Prius. Concernant cette dernière, il s'agit d'une architecture peu courante, dite à dérivation de puissance : la Prius est dotée d'une architecture "au carré", pas vraiment parallèle puisqu'un train épicycloïdal permet de réunir les 2 moteurs électriques et le moteur thermique, alors que dans l'hybride parallèle il n'y a qu'un seul moteur électrique lié indirectement aux roues d'ailleurs et bien sûr le moteur thermique.

Voir les véhicules hybrides pour plus de détails sur les différentes architectures.

Hybride Diesel

Utilisé depuis un demi-siècle en ferroviaire par les locomotives dites diesel-électriques ainsi que par certains bateaux de fort tonnage, en architecture en série. C’est sans doute la solution d’avenir de la voiture particulière européenne, en architecture en parallèle.

Hybride à turbine

Utilisé aujourd’hui par certains bateaux de fort tonnage, alimenté en gaz naturel ; la technologie, en architecture série, a été introduite dans le ferroviaire (Turbotrain) dans les années 1970 mais elle est plus coûteuse à l’emploi que le diesel-électrique.

Voir aussi

Sur le forum Oléocène :

Moteurs exotiques

Moteurs à air comprimé

Ces moteurs très compacts et très légers permettent de restituer une partie de l’énergie dépensée à la compression de l’air. Leur rendement maximal théorique, tout comme celui des centrales hydrauliques réversibles, est de 50%.

L'inconvénient principal de ces moteurs est d'entraîner la production de beaucoup de chaleur inutile lors de la compression de l'air ; à l'inverse, ils "produisent" du froid en fonctionnant, du fait de la décompression, mais cela peut être vu comme un avantage (climatisation).

Ils sont aujourd’hui principalement utilisés pour la motorisation de jouets.

Moteurs à hydrogène

Il y a aujourd’hui deux façons efficaces de produire de l’énergie avec de l’hydrogène (sachant que la production d’hydrogène est par ailleurs très coûteuse en énergie) :

  • le moteur-fusée : la navette spatiale américaine et Ariane V utilisent tous deux des moteurs exploitant l’intense dégagement d’énergie mécanique et calorifique produit par la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène. Ces moteurs sont horriblement chers (le concept de la navette spatiale réutilisable a notamment été développée pour récupérer le moteur) et inadaptés à d’autres usages.

  • La pile à combustible : ce n’est pas un moteur à proprement parler, mais bien une pile électrique qui produit directement de l’électricité à partir d’une réaction chimique. Contrairement à une pile ordinaire, on la recharge en permanence en réactif (ici, hydrogène et oxygène) plutôt qu’en « combustible », terme impropre qui évoque une flamme inexistante dans ce procédé. La technologie est stabilisée depuis le programme Apollo (l’électricité nécessaire pour le voyage Terre-Lune était produite par piles à combustible) mais elle reste dispendieuse car elle fait appel à des métaux rares et chers (palladium) pour la catalyse de la réaction chimique. Voir aussi l'article Wikipédia

On peut aussi faire fonctionner un moteur à pistons avec de l'hydrogène, mais le rendement est loin d'être bon car la réaction exothermique de transformation de l'hydrogène en eau n'a pas les mêmes caractéristiques thermodynamiques qu'une combustion d'hydrocarbures. Certains concept-cars américains proposent néanmoins cette option, pour des raisons essentiellement marketing ; Ford a ainsi présenté au Salon de Detroit 2006 un 4x4 doté d'un V10 fonctionnant à l'essence, au méthanol ou à l'hydrogène.

Moteur à eau

Le moteur à eau est un serpent de mer des questions énergétiques. Il en existe de multiples types, souvent inventé par un illustre inconnu qui déclare avoir inventé un moteur idéal (pas de pollution, excellent rendement, très facile à construire, etc) mais doit se battre contre des puissances plus ou moins occultes, dont généralement les Majors pétrolières, pour le porter à la connaissance du monde.

La plupart de ces moteurs fonctionnent en dissociant d'abord l'eau en oxygène plus hydrogène (2 H20 -> 2 H2 + 02), puis en réassociant ce mélange dans une chambre de combustion où se produit la réaction chimique inverse, qui dégage beaucoup d'énergie (chaleur et variation de volume des gaz). De tels moteurs peuvent effectivement fonctionner, mais avec un apport d'énergie extérieur puisque, selon le principe de Lavoisier, "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" : l'énergie restituée dans la chambre de combustion est... au mieux égale, compte tenu des pertes, à celle nécessaire pour effectuer la dissociation de l'eau en amont.

Moteur Pantone

Le moteur Pantone est parfois improprement cité comme moteur à eau. En fait, il s'agit d'un moteur à combustion interne classique (de préférence un moteur diesel) alimenté par un carburateur particulier inventé par M. Paul Pantone, un autodidacte étatsunien, et qui peut fonctionner avec un mélange d'eau et d'hydrocarbures. Le principe de ce moteur consiste à transformer le carburant (essence ou gazole) et un peu d'eau par une réaction chimique appelée craquage, pour obtenir des molécules hydrocarbonées plus petites ; ces hydrocarbures légers sont ensuite brûlés par le moteur à combustion interne.

Pour un bricoleur, il est assez facile d'adapter un carburateur Pantone à un moteur classique ; On peut trouver de nombreuses expériences individuelles sur Internet.

Ce système doit néanmoins faire ses preuves en termes de :

  • performances énergétique et environnementale : à quantité de carburant consommée égale, combien d’énergie mécanique produit-il exactement par rapport à un moteur à combustion interne moderne (turbocompresseur, injection directe haute pression pilotée, filtre à particules, etc) ? Au-delà du test apparemment réussi du "mouchoir", quelles sont les rejets (en g/kWh) en HC non brûlés, en NOx, en particules... ? Ces performances sont-elles compatibles avec la norme Euro4 en vigueur depuis 2005 ?
  • passage à l’atelier ? Durée de vie moyenne du moteur ? Un moteur diesel classique « casse » dès lors qu’il y a un peu d’eau dans le carburant, l’eau étant incompressible : comment le système Pantone évite-t-il ce cas de figure ?

Il est probable que le système Pantone améliore surtout les performances globales de moteurs "rustiques" (pas de pilotage électronique de l'injection, pas de pot catalytique), ce qui en fait une solution éventuellement acceptable pour des vieux véhicules (camionnettes, tracteurs, etc).

Quasiturbine (marque déposée)

Développé par M. Guy Saint-Hillaire, un chercheur Canadien, ce moteur attend son heure de gloire. Apparemment, il s’agit d’une variante du moteur Wankel.

Statoréacteur

Moteur à réaction sans pièce tournante. Uniquement utilisé par quelques rares avions militaires (YF-12/SR-71) et les missiles, il ne fonctionne qu’à des vitesses supersoniques ; en-dessous, il se désamorce.