De quoi dépend le rendement d'un moteur thermique ?
Plan de l'article :
C'est une question à la fois vieille comme le monde (... des moteurs) et essentielle. Le rendement d'un moteur dépend de beaucoup d'éléments que nous allons voir ici, mais avant nous allons rappeler ce qu'est un rendement.
A lire : les techniques des constructeurs pour réduire la consommation de carburant
Qu'est-ce que le rendement en deux mots ?
Le rendement est le rapport entre ce que le moteur va utiliser comme énergie par rapport à celle qu'il va restituer. Dans le cas d'un moteur thermique, c'est le rapport entre la quantité de carburant qu'on va lui offrir (ou plutôt la quantité d'énergie déployée lors de la combustion : dilatation des gaz) et la quantité de travail qu'il va fournir en échange.
Bien entendu, la quantité de travail résultante est toujours inférieure à la quantité d'énergie qu'on lui a fourni, et on a par exemple un rapport de 40% pour un moteur thermique (un rendement de 140% serait impossible, car ça voudrait dire que le moteur développe plus de puissance qu'il n'en utilise).
A lire : les (nombreuses) différences techniques et de fonctionnement des moteurs essence et diesel
De quoi dépend le rendement d'un moteur thermique
C'est le moment d'attaquer le concret, à savoir de quoi dépend le rendement d'un moteur. Vous allez voir que les catalogues moteur des marques sont de bons indices pour savoir ce qui permet d'avoir un bon rendement, il suffit en effet de suivre l'évolution technique des moteurs thermiques modernes.
A lire : les avantages et inconvénients des moteurs 3 cylindres
Carburant utilisé
On en parle peu mais le rendement d'un moteur est avant tout lié au type de carburant qu'on lui fait ingérer ! En effet, chaque carburant contient en lui-même une quantité d'énergie différente (densité énergétique pour être plus rigoureux). Attention, car souvent on se mélange les pinceaux entre densité énergétique liée au volume et densité liée au poids ...
Bref, un même moteur aura un rendement différent selon qu'on lui met un carburant très énergétique ou pas (pouvoir calorifique).
On peut penser au taux d'octane qui est une mesure de la résistance à l'auto-allumage d'un carburant. Plus le taux d'octane est élevé, plus le carburant est résistant à l'auto-allumage, ce qui signifie qu'il peut supporter une compression plus élevée sans s'enflammer de manière incontrôlable. Cependant, il n'est pas le seul facteur qui détermine les performances d'un carburant. D'autres tels que la densité énergétique ou la "propreté de combustion" peuvent également affecter les performances du carburant et de l'ensemble du système moteur.
A lire : pourquoi le gazole brûle moins bien que l'essence sans plomb ?
Pompage
La contrainte de pompage influe sur la consommation de carburant, à savoir que les pistons ont un effort à faire lors de leur descente en phase d'admission pour aspirer l'air.
Cela est décuplé sur les moteurs essence qui ont un papillon d'air et qui doivent moduler le ratio air/carburant pour se rapprocher du rapport stoechiométrique.
Pour limiter cela on peut abaisser la cylindrée ou encore installer des dispositifs de soupapes variables/distribution variable qui n'ont pas les mêmes temps d'ouverture selon les régimes et charges moteur. L'aérodynamisme des chambres de combustion, de l'orifice d'admission ainsi que de la tubulure d'admission est aussi optimisée.
Frottements
Plus un moteur subit de frottements entre ses pièces internes, plus il perd en rendement. Il faut donc un minimum de surface qui frotte dans le moteur. Pour cela on va réduire la taille des cylindres et limiter le plus possible la surface des segments en frottement sur les parois des cylindres.
On va aussi faire en sorte de limiter le nombre de cylindres pour avoir moins de chambres de combustion à cylindrée égale, on a donc moins de frottement pour un même cubage.
Compression
C'est ici vital et déterminant. Plus un moteur a de compression plus l'énergie sera valorisée. Le taux de compression est le lien entre la cylindrée en PMB (point mort bas quand le cylindre est au plus bas et donc la chambre de combustion la plus vaste) et celle en PMH (point mort haut, quand le piston est au plus haut et a comprimé le volume d'air à son maximum). Plus le mélange aura été comprimé, plus il pourra se dilater lors de la libération de son énergie. Le piston accumulera plus d'énergie cinétique et on obtiendra plus de force mécanique à la clé (rendement = quantité d'énergie restituée par rapport à celle engloutie). Ce rapport est important car il détermine la quantité de travail que le moteur peut produire pour chaque cycle de combustion.
De plus, un taux de compression élevé amène une plus grande température dans les cylindres lors de la phase de compression, ce qui permet au carburant injecté d'être réchauffé d'autant plus et de mieux brûler : son énergie est mieux valorisée encore une fois.
A lire :
Etanchéité des cylindres
Ca rejoint un peu la compression (étanchéité et pression sont de toute manière corrélées), à savoir que plus la chambre de combustion sera étanche moins on perdra d'énergie mécanique liée à la dilatation liée à la combustion (et aussi on pourra bien compresser l'air, sans perte, entre PMB et PMH). C'est exactement comme une voile de bateau trouée, plus elle a de trouve plus on perd une partie de la force du vent à travers ces derniers. Dans un moteur c'est pareil, le vent est incarné par la combustion et les voiles par les pièces internes : pistons, segments, soupapes, joints d'injecteur et filetage des bougies.
Si mes segments ou soupapes fuient un peu, on aura une déperdition de l'énergie mécanique et une perte de rendement.
Masse des pièces mobiles
Plus les pièces mobiles du moteur sont lourdes, plus il y a une déperdition d'énergie pour les faire bouger. Cela est bêtement lié à l'inertie plus importante de ces dernières, qui nécessite donc plus énergie pour les mouvoir. Le but des motoristes est donc de les alléger le plus possible. Pour cela plusieurs méthodes :
Matériaux légers : les pistons sont traditionnellement fabriqués en alliage d'aluminium, qui offre une bonne résistance et une faible densité massique. Les constructeurs peuvent également utiliser d'autres matériaux composites tels que la céramique pour les moteurs haute performance.
Revêtements / galvanisation : ils appliquent parfois des revêtements spéciaux sur les pistons pour améliorer leur résistance et leur durabilité malgré l'allègement.
Conception à gorge : les pistons peuvent avoir des gorges d'allégement, qui sont des encoches usinées (des vides situés de manière intelligente) pour réduire son poids sans sacrifier sa résistance. Les gorges peuvent être placées autour de la jupe du piston ou sur la tête du piston. Les constructeurs peuvent également usiner une cavité centrale dans la tête du piston.
Réduction de la hauteur de la jupe : on peut aussi réduire la hauteur de la jupe du piston pour réduire le poids du piston sans trop compromettre la résistance.
Richesse
Pour consommer le moins possible, et donc accroître le rendement, l'idéal est de fonctionner le plus pauvre possible. En effet, c'est quand on maximise l'air par rapport au carburant qu'on optimise l'énergie offerte par le carburant. Hélas, et c'est logique, ce surplus d'énergie est proportionnellement accompagné d'autant de chaleur supplémentaire.
Les métaux finissent alors par se ramollir et ne plus tenir face à ces températures élevées, le moteur finit donc par casser.
Les constructeurs sont donc limitées par les lois de la physique et la résistance des différents métaux. Ils doivent donc limiter cela.
Température
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Selon la température de l'air le rendement variera car la pression atmosphérique n'est plus la même. À une température de -5 degrés, la densité de l'air est d'environ 1,32 kg/m³ (kilogrammes par mètre cube) alors qu'à une température de 40 degrés elle est d'environ 1,13 kg/m³. On a ici 15% d'écart sur 45 degrés de delta, ce qui pourra être encore plus dans un moteur sachant que l'air entrant peut être encore plus réchauffé par le moteur lui-même (admission qui finit par se réchauffer avec le moteur qui grimpe en température, l'échappement pas loin réchauffe tout le compartiment moteur).
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C'est donc aussi pour le rendement que les échangeurs thermiques sont présents dans les moteurs, le but est de maîtriser la température (en la réhaussant ou la rabaissant) afin de limiter les excès à la baisse ou à la hausse. Car quand un moteur est trop chaud ou trop froid il perd en rendement.
Enfin, un moteur froid consommera plus pour plusieurs raisons techniques (dont la compression) que je vous invite à lire ici.
injection
La manière d'injecter permettra de moduler encore une fois le rendement, et il y a plusieurs aspects à traiter.
Tout d'abord il y a une différence entre injection directe et indirecte, avec une plus grande efficience pour l'injection directe qu'on pourra piloter plus finement avec plus de possibilités (injecter dans le cylindre directement permet de faire plein de choses qu'on ne pouvait pas en indirecte, comme un mélange pauvre passager, une combustion stratifiée etc.).
Enfin, la pression d'injection est déterminante, et c'est pourquoi on a vu apparaître des pressions d'injection colossales ces dernières années (c'est aussi lié à l'injection directe qui nécessite plus de pression, car injecter dans un cylindre sous pression est moins facile que dans un collecteur où il règne un certain calme. Plus j'ai de pression plus je vais vaporiser le carburant. Plus je le vaporise mieux il va brûler. Mieux il brûle plus je valorise ^l'énergie et accroît le rendement.
A lire aussi : avantages et inconvénients de l'injection directe
Suralimentation
L'apport d'un turbo permet d'accroître le rendement par deux causes principales dont voici la première : récupérer une partie de l'énergie qui a dilaté les gaz dans la chambre de combustion. Je m'explique,e gaz qui entre dans le moteur (air) est moins volumique que celui qui sort (gaz d'échappements résultant de l'oxydation du carburant chauffé au contact de l'air : dilatation). La turbine du turbo côté échappement reçoit donc une énergie gratuite qui sert à faire fonctionner la turbine côté admission.
De plus, à cela s'ajoute la possibilité d'avoir une compression moteur accrue car on peut gaver le moteur en excédent d'air (le turbo compresse l'air pour qu'il prenne moins de place). Tout le monde sait que le taux de compression accroît le rendement, le turbo permet donc de faire évoluer cette valeur à la hausse quand la wastegate le laisse comprimer l'air.
Plus d'infos sur le fonctionnement et l'utilité d'un turbo ici
Cartographie
Une bonne cartographie, à savoir débrider le moteur le plus possible, permet d'améliorer son rendement. Ce n'est pas une légende, les moteurs qui ont gagné en puissance consomment moins et on retrouve ce phénomène sur les homologations WLTP qui comparent des moteurs identiques mais de puissance différente (plusieurs blocs vendus sous plusieurs puissances pour économiser surl e plan industriel). Approfondissez le sujet ici.
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