Bateaux de surface...

Il existe un certain nombre de projets en cours, que ce soit pour la marine civile ou militaire et pour des bateaux allant du simple petit bateau de plaisance à des bateaux de la marine marchande.
Parmi les premiers projets à voir le jour, on peut citer les travaux faits par l'EIVD (Ecole d'Ingénieurs du canton de Vaud en Suisse) qui a réalisé dès 1998 l'Hydroxy 100, un petit bateau monoplace mû par une pile PEMFC de 100 W. Depuis, d'autres prototypes ont suivi: l'Hydroxy300 (pile de 300 W) et bientôt l'Hydroxy3000.

En 2002, un bateau de la course de la Route du Rhum piloté par Roger Langevin embarque à son bord une pile à combustible. L'EIVD et Alca Torda sont notamment partenaires de l'opération.
On peut citer le projet pilote européen FC Ship visant à évaluer l'insertion de PAC dans les navires de la marine marchande.

Du côté américain, un petit bateau taxi développé par Millennium Cell, Seaworthy Systems et Duffy Electric Boat Company sera lancé début Août en Californie (Newport Beach). Le système de pile de 6 kW est fabriqué par Anuvu Fuel Cell Products, et doit fonctionner à l'hydrogène fabriqué grâce au système de Millenium Cell. Il s'agit d'un bateau pour 22 personnes qui devrait fonctionner 10 à 12 heures par jour.

...Sous marins

Siemens s'intéresse particulièrement aux applications des piles dans les sous marins. En fait, Siemens a même lancé son premier en 1984, cependant, il s'agissait d'une AFC de 100 kW, tandis que les nouveaux systèmes fonctionnent avec des PEM. En 2002, Siemens a lancé en partenariat avec HDW un sous marin - dit de classe 212 - avec une pile de 250 kW destiné à la marine allemande. Son nom est U31 et il a été baptisé en Mars 2002 et a été lancé en 2004. Il comprend 9 PEM d'une puissance de 30 à 50 kW et fonctionne à l'hydrogène et l'oxygène. 4 autres sous marins de ce type ont déjà été commandés, par la marine allemande, ainsi que 2 pour la marine italienne. D'autres prototypes plus élaborés - du nom de U214 - sont aussi en construction. 3 sont destinés à la marine grecque et 3 à la marine sud coréenne.

Schéma du sous-marin type U212A



Schéma du sous-marin type U214

Sous-marin U31

"Le bateau est encore de retour" avait titré le "New York Times" en annonçant en 1994 que la Marine Allemande adopterait un nouveau sous-marin révolutionnaire de la classe 212 A. "Conventionnel" ne serait pas adéquat ; "non-nucléaire" serait plus juste. Un sous-marin armé d’un système de propulsion à piles à combustible, indépendant de l’air, d’une production échelonnée, qui a frappé l’imagination mondiale. Un sous-marin qui dans des opérations normales peut difficilement être détecté. C’est le sous-marin de la marine allemande de demain.
Le baptème chez HDW à Kiel, le 20 mars 2002, était une étape importante sur le chemin de la mise en service du premier sous-marin "U 31" en mars 2004. Tout a commencé le 6 juillet 1994 avec le contrat de construction de quatre bateaux passé entre le "German Office for Defense Technologies & Procurement" et "ARGE U 212" qui a développé à Kiel le "Howaldtswerke-Deutsche Werft AG", son chantier naval principal, et à Emden, le Nordseewerke pour construire les sous-marins. Le premier bateau fut commencé le 1° juillet 1998 et lancé fin avril 2002. Des essais poussés furent alors entrepris au port et en mer.
En fait, les épreuves avaient commencé plus tôt, en janvier 2002. Les conditions de la Marine Allemande pour l’air-indépendance, des codes électroniques de très bas niveau et des systèmes de détection et d’armement fortement développés ont eu pour conséquence un degré élevé d’intégration. Il n’y a plus la classique séparation "plateforme-charge utile". Le système "chantier naval-fournisseur" devient maintenant une seule unité. Et, en conséquence, tout est vérifié à fond.
Une attention particulière a été naturellement portée aux composants nouvellement développés pour le bateau. Cela ne suffit pas à appliquer des considérations théoriques à un grand nombre de question posées. Ainsi, par exemple, deux vérifications à terre d’équipements entièrement intégrés, notamment le service d’essai de piles à combustible chez HDW à Kiel et le système de navigation et de commande d’arme (CWCS) ont trouvé des réponses pratiquement adaptées, avant même que le sous-marin ne fût mis à l’eau. Du temps et de l’argent ont ainsi été économisés.
La vie du jeune sous-marin commença réellement le 20 avril 2002 alors qu’il sentait l’eau sous sa quille pour la première fois et les essais pratiques complets commencèrent, bien qu’ils aient réellement débuté dans l’atelier de construction de sous-marins, chez HDW, concernant l’intégration et le démarrage de l’équipement à peu près au début de 2002, pour se poursuivre au siège même de HDW. C’était là que devait être obtenu le "Port Operational Certificate" qui prouverait que tout l’équipement fonctionnait de façon correcte individuellement et interactivement. Et, naturellement, l’équipement devait correspondre à des tests de spécifications exigeants.
L’ U 31 resta au port jusqu’au début de 2003, temps mis à profit par l’équipage initial pour se familiariser avec le bateau en réalisant un travail prévu pour quatre semaines au "HDW Naval Training Center" et sur le sous-marin lui-même. Après quoi, c’est la marine allemande qui fournirait l’équipage pour les essais ultérieurs en mer.
7 avril 2003 : Les essais en mer commencent
De Kiel, l’U 31 sera engagé dans des épreuves en eaux peu profondes commençant le 7 avril 2003 dans la moitié occidentale de la Mer Baltique. L’opération et la technologie marine complète y seront rapidement vérifiées. Le fait que, à part l’équipage, le chantier naval et le fournisseur, en compagnie du personnel d’inspection du "German Office for Defense Technology & Procurement (BWB)" sont à bord, suppose certainement des conditions de travail pénibles.

L’autre moitié des essais est réalisée principalement dans des zones d’eau profonde. On pense que l’U 31 quittera, fin juillet 2003, les eaux "natales" pour la première fois, et se dirigera vers la Norvège. Il ralliera Kristiansand, Stavanger et Bergen pour que la Marine Norvégienne, avec ses équipements, prête assistance à ses camarades allemands. L’acoustique, le sonar et le "fire control system" (FüWES) seront tous testés pendant les essais de plongée en profondeur, de préférence dans le Skagerak. Et les premières torpilles doivent aussi y être envoyées.

Le bateau sera de retour à Kiel à la mi-Mars 2004 une fois tous ces essais terminés. Le sous-marin reviendra encore à l’arsenal pour la fin des travaux et pour corriger les imperfections. HDW livrera alors enfin l’U 31 à la marine allemande qui le mettra en service. Le 20 mars 2002, lors de son baptême au champagne par sa marraine Bärbel Kaempf, conformément à la bonne tradition maritime, un haut dignitaire de la German Navy a pris la parole pour présenter le plus moderne sous-marin non-nucléaire du monde.

Sous-marins - Classe 212A

• Caractéristiques Principales Longueur approx. 56 m
• Ø approx de chambre de pression. 7/5.6 m
• Déplacement approx. 1400 t
• Équipage 27
• Moteur entraînement Diesel - électrique/unité piles à combustible

À la suite de la classe 209 - le plus réussi des sous-marins conventionnels du monde occidental, la Marine Allemande a passé une commande pour le développement d’un nouveau 212 Classe A auprès de Thyssen Nordseewerke (NSWE) à Emden. Il est actuellement construit à Kiel et Emden.

La coopération entre les ministères de la Défense Italien et allemand pour l’obention de sous-marins a eu pour conséquence la construction chez Fincantieri Navali Italiani S.p.A. de deux sous-marins identiques au 212 Classe A pour la Marine Italienne.

Le dispositif exceptionnel du nouveau sous-marin est son système de propulsion indépendant de l’air atmosphérique. Celui-ci est basé sur une pile à combustible d’hydrogène lente qui, non seulement rend le sous-marin plus difficile à détecter mais qui lui permet aussi de rester en immersion beaucoup plus longtemps.

Le Classe 212A est le premier sous-marin au monde a être équipé de cet unique système de propulsion. Son efficacité opérationnelle a déjà été démontrée de façon impressionnante au cours de longs essais sur un sous-marin de la Marine Allemande.

Photos du "U 31" en essais à la mer









Spécifications comparées des sous-marins types U212A et U214

Vous pourrez constater que je ne nageais pas dans l'utopie en équipant notre fier vaisseau d'un système de propulsion similaire, à part pour le réacteur nucléaire de 4ème génération producteur d'hydrogène qui ne sera pas en service avant une vingtaine d'années.

J'espère que ce post vous aura intéressé dans le fait qu'il permet d'envisager l'avenir de notre production énergétique avec optimisme, et particulièrement celui de notre Marine, mais bien entendu sans l'abandon du nucléaire.

En attendant, je vais continuer à développer notre navire "le Forum", créé et mis à la mer par notre Amiral FANCH !

Sources documentaires : CEA - Wikipédia - Réseau PACo - Site des retraités actifs du CEA consacré aux piles à combustible, etc.

COMMENT CALCULER UNE HÉLICE

Un petit intermède à la suite des ennuis d'hélice survenus à notre ami Georges SEGALEN. Je lui avait dit avoir refait une hélice de hors-bord pour un copain. C'était bien entendu une réalisation artisanale mais qui à bien fonctionné. Je n'ai plus les dimensions exactes en tête, mais voici brièvement résumée la méthode de calcul que j'avais utilisée pour la réalisation d'une hélice de type "hors-bord".

Maintenant, pour les grandes hélices des bâtiments, et notamment pour celles des sous-marins qui doivent être le plus "discrètes" possible, elle sont calculées, optimisée et même usinées après leur sortie de fonderie, à l'aide de machines sophistiquées couplées à des ordinateurs puissants pour permettre un écoulement idéal du fluide autour des pales.

Je ne développe pas la méthode de fabrication utilisée, c'était de la "mécano-soudure" et non de la fonderie. Les pales furent découpées dans de la tôle de laiton de 5 mm d'épaisseur et brasées avec précision sur le moyeux, en laiton également, pré-usiné sur un tour. La difficulté fut la déformation identique des trois pales et l'équilibrage de l'hélice après brasage.

Une très grosse hélice à cinq pales permettant de voir la manière dont ces dernières sont "vrillées" selon la variation de l'angle d'attaque en fonction des diamètres intermédiaires :

Les moteurs

J’ouvre ici un nouveau volet concernant le panorama, non exhaustif, des moteurs depuis l’origine jusqu’à nos jours. Les bâtiments sur lesquels nos prédécesseurs et nous même avons été embarqués, ont été, depuis le remplacement progressif de la voile, propulsés par toute une série de systèmes de motorisation. Il m’a semblé intéressant, notamment pour les « bouchons gras », de passer en revue un certain nombre de ces systèmes et d’évoquer les nouveautés prometteuses, sensées être économes en énergie.

Au fur et à mesure de l’apparition de « nouveautés » dans le domaine des moteurs, ce post pourra être enrichi.

Qu’appelle-t-on « moteur » ?

Un moteur est un dispositif transformant une énergie physique, chimique, électrique, thermique, ... en une énergie mécanique ou travail.

Historique

Les premiers moteurs utilisaient l'énergie potentielle de l'eau ou l'énergie cinétique du vent entraînant les roues à aubes ou les hélices des moulins.

Un des premiers moteurs fut la machine à vapeur. Le prédécesseur le plus ancien connu est l’Eolipyle d’Héron d’Alexandrie, datant du 1er siècle avant JC, qui n’était à l’époque considéré que comme un exercice de style amusant, mais dont personne n’imaginait que l’énergie utilisée pourrait remplacer un jour la traction humaine ou animale mise en oeuvre jusqu’alors. Par la suite, mais beaucoup plus tard, au cours du XVIIème siècle, après qu’un certain nombre de savant, dont Thomas Newcomen, aient réalisé des dispositifs utilisant la force de la vapeur d’eau, Denis Papin eut l’idée de mettre un piston dans un cylindre chauffé contenant de l’eau. Mais c’est James Watt qui va faire sérieusement progresser le système en inventant la soupape d’échappement, le condenseur, mais surtout le couple bielle-manivelle qui va permettre de transformer le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire continu. Par la suite il inventera le dispositif à double action.

On aura ainsi un moteur basé sur une chaudière produisant de la vapeur d'eau, vapeur qui pousse un piston dans un cylindre, ce mouvement est transformé en rotation par un jeu de bielles pour entraîner des roues ou un volant d'inertie. Au XIXème siécle, les moteurs à vapeur vont être mis au service de la propulsion navale, en complément puis en remplacement progressif de la propulsion éolienne. Ils feront tout d’abord tourner des roues à aubes, puis des hélices.

A la fin du XIXème siècle et pour les grandes puissances demandées par la propulsion navale, on va assister au remplacement des machines à vapeur à pistons et à expansions multiples par les turbines à vapeur. Deux types ont toujours cohabité, les turbinse à action (Rateau) et les turbines à réaction (Parson), mais aucun avantage particulier ne les départage. La différence se situe dans la façon dont la vapeur se détend entre les ailettes des rotors et des stators.

Au XIXème siècle toujours, le moteur à explosion fut développé et adapté aux premières automobiles puis aux navires. Depuis, il poursuit ses progrès en terme de rendement et d'adaptation aux normes antipollution. Ce moteur est, lui aussi, équipé de bielles et pistons, mais la production de chaleur se fait au même endroit que la production de travail.

Devant le besoin de toujours plus de puissance pour propulser les avions militaires, les moteurs à réaction furent activement développés pendant la Seconde Guerre mondiale en parallèle avec les moteurs fusée pour les missiles. Comme ces derniers ont un rapport poids/puissance sans équivalent, malgré des rendements plutôt faible, ils sont toujours développés activement pour la propulsion des avions et des fusées.

Dessin de l'Eolipyle



Schéma de la machine de Thomas Newcomen

Classification des moteurs

Moteurs à pression

Ces moteurs utilisent comme source de mouvement une différence entre une source de haute pression et une source de basse pression. La pression basse est généralement l'atmosphère, ou un cours d'eau. On mentionnera pour mémoire les "moteurs" à ressort et à élastique, et les autres systèmes qui transforment un mouvement mécanique (comme la chute d'un poids dans un champ de gravité) en un autre (poulies, horloges à poids, trébuchets,phares, etc.) : toutes machines intéressantes mais qui ne sont pas à proprement parler des moteurs, en raison d'un fonctionnement discontinu.

Isotherme

Les moteurs isothermes transforment une puissance hydraulique (pression x débit) en puissance mécanique (force x vitesse). Le cycle du fluide se fait théoriquement à température constante; mais en réalité le fluide s'échauffe : il s'agit là d'une perte due aux frottements. Ces moteurs à quelques différences technologiques près peuvent fonctionner à l'inverse ; ce sont alors des pompes et des ventilateurs

Moteur à air comprimé

rotatif : turbine, moulin à vent, éolienne, moteur pneumatique à palettes
linéaire : vérin pneumatique

Moteur hydraulique

linéaire : vérin hydraulique
rotatif : à pistons radiaux, à pistons axiaux et à palettes.

Thermique

La pression haute peut être obtenue par chauffage, l'ensemble pouvant alors constituer une machine à combustion interne ou externe selon la source de chaleur :

Machine à vapeur
Propulsion à réaction
Aérobies (utilisation de l'oxygène de l'air)
turboréacteur
statoréacteur
pulsoréacteur et moteur à ondes de détonation pulsées
Anaérobies (comburant embarqué)
moteur-fusée

Moteur thermique

Pour produire de l'énergie mécanique, les moteurs thermiques exploitent un cycle de Carnot, entre une source chaude et une source froide. La source froide est toujours externe : on ne connaît pas de réaction exploitable capable de produire de grande quantité de froid.

Par contre, la source chaude peut être interne (la chaleur est produite au sein du dispositif ) ou externe (la chaleur est apportée).


Moteur à combustion interne

Moteur 4 temps
Moteur à explosion
Mouvement alternatif.
par type de cycle de Carnot : moteur diesel
par type de cycle de Beau de Rochas : moteur à 2 temps et moteur à 4 temps
par type d'organisation des cylindres : moteur radial, moteur gnome (vilebrequin fixe) et moteur à cylindres rotatifs

Mouvement rotatif
Moteur gnome
Moteur Wankel
Quasiturbine
Moteur rotatif à chambre cylindrique (MRCC)

par type de combustible : Moteur à gaz, moteur à hydrogène, moteur diesel
Turbine à gaz

Moteur à combustion externe

Ces dispositifs sont ainsi appelés en raison de la domination des systèmes exploitant une chaleur produite par combustion, toutefois, en toute rigueur, cette chaleur peut être simplement récoltée (énergie solaire, géothermie, etc.) ou bien produite sans combustion (fermentation, réaction nucléaire, etc.). La source de chaleur ne modifie pas directement les principes applicables, même si, bien sûr, les moteurs sont adaptés aux caractéristiques de cette source.

L'important est que la source de chaleur est séparée du système de production du travail mécanique.

La combustion du carburant générant une augmentation de la chaleur, tout moteur doit être équipé d'un système de refroidissement appelé communément radiateur.

Machine à vapeur
Moteur à air chaud
Moteur Ericsson
Moteur Stirling

Moteur chimique sans combustion

Dans ces moteurs, la réaction chimique est exploitée directement pour produire du travail ou du mouvement ; la chaleur est un sous-produit (utile ou nuisible, selon le cas).

Flagelle
Muscle

Moteur électrique

Machine asynchrone
Machine synchrone
Machine à courant continu
moteur magnétohydrodynamique

Moteur à réaction non chimique

Moteur ionique
Moteur photonique
Moteur à plasma
Moteur atomique

Les moteurs à combustion interne

Le moteur à combustion interne, appelé moteur à explosion, est principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile, moto, camion et bateau) dans une multitude d'outils (tronçonneuse, tondeuse à gazon) ainsi que dans des installations fixes (groupe électrogène, pompe).

Le terme moteur à explosion, consacré par l'usage, est impropre car il ne rend pas compte de tous les phénomènes se produisant dans ces moteurs pour lesquels la dénomination à combustion interne est plus adéquate.

La détonation, forme particulière d'une explosion (vitesse de l'ordre du km/s), a parfois lieu, mais c'est un défaut (sauf lors du démarrage de la combustion des moteurs Diesel). Normalement c'est une déflagration qui se produit au sein de ces moteurs.

Nous emploierons Diesel en préservant la majuscule initiale du nom propre donc plutôt que diesel.

Un moteur à combustion interne est un moteur dont la combustion (production d'énergie) va se situer au même endroit que la production de travail.

On distingue ces moteurs :

des moteurs à combustion externe : moteur Stirling, moteur à vapeur ...
et des moteurs sans combustion : moteur électrique, moteur à air comprimé.

Classification

Les moteurs à explosion :

cycle à deux temps
cycle à quatre temps (cycle de Beau de Rochas)
moteur rotatif Wankel (voir Moteur Wankel)
principe Otto ou Diesel

Les moteurs à réaction :

réacteur d'avions
moteurs fusée
où la chaleur produite par la combustion est transformée directement en quantité de mouvement (masse × vitesse).

Types de carburant

Les moteurs peuvent utiliser différents carburants : essence, gaz, hydrogène (hydrogène obtenu par électrolyse) , eau , huiles végétales ...

Cependant, les cycles imposent les caractéristiques spécifiques :

Les moteurs basés sur le cycle Beau de Rochas utilisent de l'essence ou du gaz (gaz hydocarbure) ou hydrogène (voir moteur à eau).

Ceux basés sur le cycle diesel utilisent du gasoil, du fuel, du fuel lourd, du kérosène, de l'huile végétale, des esters d'huiles végétales (diester).

Les moteurs à réactions utilisent du kérosène, mais peuvent utiliser toute sorte de carburant, seul le système d'injection nécessite une adaptation.

Les moteurs à eau utilisent ou génèrent de l'eau, généralement avec additif.

Suralimentation des moteurs

Compresseurs et turbocompresseurs

L'air comprimé (ou parfois, dans le passé, le mélange comprimé) est alors fourni par un compresseur dit de suralimentation et dont on distingue différents types. Ce compresseur doit être entraîné par une source de puissance quelconque. Ce peut-être soit le vilebrequin du moteur (entraînement mécanique), soit une turbine d'échappement (turbocompresseur), soit un moteur auxiliaire indépendant, soit une combinaison de ces différents moyens.

Un turbocompresseur est un système qui récupère une partie de l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur à explosion afin de comprimer l'air alimentant le moteur, améliorant ainsi son rendement.

Le principe de la suralimentation des moteurs a été proposé dès les premiers développements de moteurs et en 1905 le brevet du turbocompresseur a été déposé par l’ingénieur suisse Büchi. Une des premières applications a été réalisée pendant la Première Guerre par l’ingénieur Rateau pour un moteur Renault utilisé sur un avion de chasse.

Ce principe est à ce jour, largement répandu sur les moteurs Diesel modernes et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence.

Les gaz d'échappement entraînent une turbine, reliée par un arbre à un compresseur. Ce dernier aspire de l'air ambiant, le compresse, et l'envoie dans les cylindres en passant éventuellement par un réfrigérant (par exemple un échangeur air/air dit aussi intercooler). Le fait d'envoyer de l'air déjà comprimé dans les cylindres permet de diminuer l'énergie à apporter en plus pour atteindre la pression requise à l'explosion.

D'un point de vue mécanique, le turbocompresseur est un dispositif délicat fonctionnant à des vitesses de rotation très élevées (typiquement 200 000 tr/min pour une voiture turbo-diesel actuelle) dont la fabrication exige une précision importante, dont résulte le prix d'un turbo. La lubrification dans le turbo est un problème crucial, et il faut toujours laisser un moteur turbocompressé tourner quelques secondes au ralenti avant de couper le contact, faute de quoi on coupe la lubrification du turbo avant qu'il n'ait eu le temps de ralentir suffisamment, ce qui a pour effet de réduire sévèrement sa durée de vie.

On peut augmenter dans d'énormes proportions la pression moyenne effective - et par là le couple et la puissance - d'un moteur alternatif à combustion interne en l'alimentant avec de l'air comprimé. Son taux de compression, c'est-à-dire le rapport des volumes contenus dans le cylindre avec le piston au point mort bas (PMB) et haut point mort haut (PMH) doit cependant être alors réduit de façon à ce que les pressions de compression (Pc) et de combustion (Pz) n'excèdent pas les limites admissibles. Pour les moteurs à essence, la limitation de Pc est nécessaire pour éviter les phénomènes d'auto-allumage et de détonation alors que sur les moteurs Diesel Pz est limité par la résistance mécanique des structures du moteur.

Moteur quatre temps essence ou gaz

Cycle à quatre temps :

Ces moteurs transforment l'énergie chimique stockée dans un carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides, d'où le terme d'explosions. Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindres confinant les combustions. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif. Mouvement transformé en rotation, par l'intermédiaire d'une bielle liée à un vilebrequin, sorte d'assemblage de manivelles sur un axe. Chaque cylindre est fermé par une culasse munie d'au moins deux soupapes. L'une de ces dernières relie le cylindre au collecteur d'admission et l'autre à l'échappement. Son cycle (de fonctionnement) se décompose analytiquement en quatre temps ou (phases) par lesquels passe successivement chaque cylindre. Le mouvement du piston est activé par la déflagration d'un mélange de carburant et d'air (servant de comburant) qui a lieu durant le temps moteur, seul à produire de l'énergie et que trois autres temps rendent possible. Le piston, immobile lorsque le moteur est à l'arrêt, se déplace durant le démarrage grâce à une source d'énergie externe (souvent un démarreur, moteur électrique installé de sorte qu'il puisse entraîner temporairement le moteur) jusqu'à ce qu'au moins un temps moteur produise une rotation (moment cinétique) de l'ensemble mécanique, grâce à laquelle le piston assurera sans aide les cycles menant au temps moteur suivant. Le moteur fonctionne, dès lors, seul et produit du travail.

Voici une description des cycles successifs d'un moteur à quatre temps :

1) • Admission d'un mélange air/essence présent dans le collecteur d'admission préparé par divers composants (souvent un carburateur) : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston qui pompe ainsi ce mélange dans le cylindre(-0,1 a -0,3 bar dans la chambre de combustion);
2) • Compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission puis remontée du piston qui comprime le mélange afin d'augmenter la puissance de l'explosion donc la quantité de travail produite(12 à 18 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion);
3) • Allumage, combustion : juste au moment où le piston atteint son point culminant avant retour (nommé par convention le point mort haut) on alimente la bougie d'allumage avec une source d'électricité à haute tension. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur qui, en repoussant le piston, libère l'énergie nécessaire au mouvement(Pression moyenne=40 bars dans la chambre de combustion);
4) • Échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés devenus inutiles, dans l'échappement afin de laisser place à une nouvelle charge de mélange. À ce stade, le cycle reprend, donc le temps suivant est l'admission. (0,2 bar dans la chambre de combustion)



Dessin d'un moteur 4 cylindres essence avec arbre à cames latéral (1900)



Moteur Diesel quatre temps

Un moteur Diesel est un moteur à explosion dont l'allumage n'est pas commandé, mais spontané, par phénomène d'autoallumage et n'a donc pas besoin de bougies d'allumage. Cela est possible grâce à l'utilisation d'un très fort taux de compression d'environ 18 à 20, permettant d'obtenir une température de 800˚C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour augmenter la température de la chambre de combustion, lorsque la pression d’injection est basse (< 100 bars) et que de ce fait le diamètre des gouttelettes de carburant est de l’ordre de 0,01 mm. Leur présence devient inutile lorsque la pression d’injection est élevé,e ce qui donne des diamètres de gouttelettes de combustible de l’ordre du micromètre (0,001 mm), dans ce cas le délai d’inflammation est beaucoup plus court.

Les moteurs Diesel fonctionnent, habituellement, au gazole, au fuel lourd ou aux huiles végétales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps qu'à quatre temps. Ce type de moteur au taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile à partir de 1990.

Principe

Comme le moteur à explosion à essence, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissant dans des cylindres fermés par une culasse reliant le cylindre aux collecteurs d'admission et d'échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.

Il repose sur l'autocombustion d'un mélange air / gazole / huile végétale brute qui, comprimé dans 1/20 du volume du cylindre (environ 65 bar), voit sa température portée à environ 450°C. Sitôt comprimé, le mélange s'enflamme seul (sans bougie) presque immédiatement. En brûlant, il augmente fortement la température et la pression, repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (axe moteur).

Le cycle Diesel à quatre temps comporte :

1) • admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston ;
2) • compression de l'air, la soupape d'admission étant fermée, grâce à la remontée du piston ;
3) • injection : peu avant le point mort haut on introduit, par un injecteur, le carburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur ;
4) • échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

Vitesse

Les vitesses de rotation des moteurs diesels sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet plus le moteur est gros, plus le diamètre du piston est grand, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :

moteur lent : moins de 200 tr/min
moteur semi-rapide : entre 400 et 1000 tr/min
moteur rapide : 1000 tr/min et plus

Usage

On utilise le moteur Diesel lorsque l'on a un besoin d'un couple important ou d'un bon rendement (locomotives, bateaux, camions) ou sur les automobiles.

En revanche, il est rarement utilisé sur les motos et les avions, notamment pour une question de masse embarquée. Toutefois, l'utilisation aéronautique de moteurs Diesel commence à se développer : l'avion de tourisme français Ecoflyer de APEX aircraft (ex-Robin) équipé d'un moteur Diesel Centurion, ou le motoriste SMA ( http://www.smaengines.com ) en sont deux exemples.

Le gazole ayant un pouvoir calorifique massique plus important que l'essence et bénéficiant d'une taxation légèrement plus favorable en France, les moteurs Diesel semblent plus économiques à l'usage bien que plus chers à l'achat.

Avantages

Les raisons de son succès dans l'automobile, en plus d'avantages fiscaux qui relèvent de la politique et non de la technique, tiennent essentiellement à son rendement supérieur à celui du moteur à essence et qu'il consomme moins de carburant. Ce rendement peut être encore amélioré par l'utilisation d'un turbocompresseur (les plus récents modèles sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime) et l'injection directe à haute pression.

Il faut noter que si l'injection directe existe depuis le début du moteur Diesel, elle n'était pas utilisée en automobile pour des raisons techniques (fumées et bruit supérieur) mais seulement sur les moteurs lents (industriels, poids-lourds et marins).

Avec les nouveaux injecteurs-pompe, rampe commune et piézo-électrique la pression atteint jusqu'à 2 500 bars (contre 900) ce qui assure une pulvérisation du gazole turbulente, continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion ; cette technologie porte le nom de HDI (chez PSA, dont l'expertise en matière de moteurs Diesel auto est reconnue) pour « High-pressure Direct Injection ». Cette injection haute pression a été inventée par la société Elasys, filiale de Fiat, et a équipé pour la première fois une Alfa-Romeo.

Le turbocompresseur de suralimentation permet de récupérer l'énergie perdue à l'échappement (environ 25 % de l'énergie fournie par le carburant) et de l'utiliser pour augmenter la quantité d'air (donc d'oxygène) introduite dans le moteur (en fait, c'est une pompe) ce qui est particulièrement utile en altitude.
Pour faciliter le départ à froid en élevant la température des parois de la chambre de combustion et de l'air admis, les moteurs diesel (notamment les moteurs de poids-lourds) sont parfois équipés de systèmes de préchauffage (parfois appelés bougies) ou de réchauffage d'air.

À l'origine considéré comme un moteur « sale » du fait de son carburant moins raffiné et du bruit important qu'il produisait, le Diesel est aujourd'hui très performant en termes de pollution aussi bien atmosphérique que sonore. Les motorisations Diesel produisent actuellement moins de CO2 que leurs équivalents à essence, et ont réglé en partie leur problème de particules grâce aux filtres à particules.

En 2006 le carburant pour Diesel en Amérique du Nord aura son contenu en soufre fortement réduit, rendant possible une diffusion populaire. Les teneurs en souffre des carburants sont diminuées dans l'ensemble des pays pour réduire les dérivés soufrés émis.
Ce moteur peut brûler de l'huile végétale, à la place du pétrole.

Inconvénients

Les inconvénients des premiers moteur Diesel qui avaient tendance à être plus lourds, plus bruyants et moins puissants n'existent plus sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable et rampe d'admission commune ou injecteur-pompe (VW). Néanmoins, certains problèmes subsistent. En particulier, ils émettent des particules polluantes. Même si, aujourd'hui, les particules sont mieux gérées et mieux contenues et ceci grâce à une meilleure gestion du moteur et un filtre à particules.

Des solutions pour l'amélioration de ce moteur au niveau du bruit (claquements notamment à froid), de l'émission de particules et d'oxydes d'azote sont aujourd'hui proposées.

La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et bien entendu des dispositions d'insonorisation.
La réduction de la quantité de particules émises dépend de la qualité du carburant et des dispositifs permettant de les diminuer (amélioration de l'injection, multiples injections, ..). Certaines particules sont difficilement combustibles donc un filtre à particules (FAP) assez coûteux est nécessaire. Cette technologie se généralise toutefois depuis l'adoption des normes antipollution européennes EURO IV. Cependant certains FAP laissent encore passer les particules les plus fines et les plus cancérigènes.
Le problème des oxydes d'azote (NOx) sera sans doute plus difficile à résoudre car ils sont créés en présence d'oxygène aux températures élevées par ailleurs nécessaires à un bon rendement. Les émissions de particules et de NOx sont un équilibre entre une combustion efficace, une émission de NOx faible et un niveau de particule émis faible. Le dispositif le plus courant est l'utilisation de la recirculation des gaz d'échappement (EGR : Exhaust gas recirculation) .

Il semble par conséquent difficile de diminuer les NOx sans diminuer le rendement des moteurs ; or ce dernier détermine directement l'émission de dioxyde de carbone (CO2), responsable de l'effet de serre.

La voie de la catalyse des NOx semble aussi difficile car ils sont assez stables et se dégradent en quatre heures sous l'effet des ultraviolets pour se transformer en ozone (O3), gaz très irritant, toxique donc nuisible en basse atmosphère, mais indispensable en haute altitude.
L'utilisation des moteurs Diesel permet de réduire les émissions de CO2, au détriment des émissions de particules. Il existe des carburants de synthèse (Fischer-Tropsch) dénués de soufre, qui permettent de réduire les émissions de particules à des niveaux très faibles. Ce carburant, le di-méthyl éther peut être synthétisé à partir d'hydrocarbures. Cependant, toute synthèse (ou transformation chimique) induit une consommation et une émission de CO2. Il est nécessaire de comptabiliser l'ensemble de la dépense énergétique, et pas seulement ce que le consommateur final est à-même de percevoir et de concevoir.

Compétition

PSA a déclaré engager une Peugeot, dénommé 908, équipée d'un moteur Diesel V12 aux 24 heures du Mans 2007, ce moteur aura deux filtres à particules.

En 2006, le groupe Volkwagen a conçu l'Audi R10 avec un moteur V12 TDI (Turbo Diesel à Injection directe). Elle a gagné les 12 heures de Sebring puis les 24 heures du Mans en juin 2006.

Coupe d'un moteur diesel 4 cylindres simple arbre à cames en tête récent

Moteur W16 de la Bugatti "Veyron"



Le moteur à cylindres en W est, à l'origne, une variante du Moteur avec cylindres en V qui comporte 3 bancs de cylindres. Ce type de moteur a principalement été utilisé dans le domaine de l'aviation. Le Napier Lion, utilisé sur les Supermarine de la Coupe Schneider et sur différentes voitures de record, est le moteur en W le plus connu.

Par extension, on appelle actuellement moteur à cylindres en W une variante du Moteur avec cylindres en V où chacun des blocs du moteur en V n'est pas constitué de cylindres strictement alignés, mais placés en quinconce, formant ainsi une sorte de V dans chaque branche du V principal, le tout formant un W.

Moteur deux temps

Historique

Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1860. Il fonctionne selon le cycle de Beau de Rochas mais intègre deux de ses étapes dans un seul mouvement de piston.

Dans sa version économique dotée d'un simple carburateur son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d’une puissance et d'un couple nettement plus élevés (60 à 70 % à isocylindrée et isorégimes, bien sûr !), il est demeuré longtemps le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs et de quelques motos sportives répliques de motos de compétition en GP et tout-terrain.

Depuis 1990, on s’intéresse de nouveau au moteur à deux temps pour l'automobile mais en injection directe, ce qui constitue une (r)évolution, sans utilisation concrète pour l'instant, notamment du fait de la difficulté de maîtriser la dépollution.

Technique

Fonctionnement du cycle 2 temps : Les moteurs « deux temps » respectent le cycle Beau de Rochas en utilisant les deux côtés du piston : la partie supérieure pour les phases de compression et de combustion et la partie inférieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de conséquence, d'échappement). Ils épargnent ainsi les mouvements (donc latences, frottements …) de deux cycles non producteurs d'énergie et produisent davantage de couple et de puissance.

Avantages

Les moteurs « deux temps » permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'étanchéité demeure difficile à assurer et certains effets de l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.

Les principaux avantages de ces moteurs sont :

leur combustion à chaque tour moteur (leur puissance massique très élevée malgré des régimes souvent relativement faibles) ;
leur simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ;
la fiabilité qui en découle.
leur faible frottement, et donc leur faible consommation de carburant lorsque ces moteurs sont équipés d'une injection directe de carburant.
leur capacité à utiliser les combustions détonantes(CAI)

Inconvénients

Les principaux inconvénients de ces moteurs sont :

• l'usure rapide, surtout à haut régime, due aux canaux de transferts (les segments assurant l'étanchéité passent devant des lumières, ils y subissent des contraintes importantes et usent la chemise) ;
• le niveau de pollution par hydrocarbures imbrûlés HC : une partie des gaz chargés en essence qui n'ont pas brûlé sortent directement à l'échappement (solution technique : injection directe) ;
• le graissage pose parfois problème (segments et bas moteur) car l'huile diluée dans l'essence pour assurer la lubrification brûle mal donc produit des composés imbrûlés évacués par l'échappement.
• quasi-absence de frein moteur.

Pour toutes ces raisons, les moteurs deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition car ils polluent beaucoup plus que des moteurs quatre temps équivalents (penser aux tondeuses à gazon, tronçonneuses, vélomoteurs, moteurs hors-bord, petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélisme, …).

Le développement de moteurs quatre temps à forte densité de puissance paraît donc nécessaire… aux services marketing, mais pas aux bureaux d'étude !

Les émissions de polluants des moteurs 2 temps et le nombre élevé de ces moteurs rendent nécessaire l'application de norme de réductions de pollution.

Avenir

Toutefois, les moteurs deux temps présentent encore un fort potentiel dans des secteurs spécifiques, par exemple celui des très grandes puissances (propulsion marine ou production électrique) où des Diesels deux temps dits « moteurs lents » délivrent plus de 95 000 chevaux avec un excellent rendement (50 %).

Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre atteint un mètre de diamètre et la course jusqu'à trois mètres. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 120 tours/minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et la faible consommation mais leur encombrement (ils occupent trois étages de la plupart des navires équipés) est toutefois parfois gênant, tout comme celui de leurs homologues quatre temps.

e turbocompresseur fonctionne à des vitesses de rotation très élevées (typiquement 200 000 tr/min pour une voiture turbo-diesel actuelle)

Quelque chose m'échappe Daniel : 200 000 tr/mn ? ?

entre parenthèse : dommage qu'on ne puisse découper
le moteur 4 temps en fonctionnement et le mettre
dans ma voiture.
Quelles économies

Eh oui, les turbo-compresseurs tournent à ces vitesses là. Pour supporter de telles vitesses de rotation, l'arbre du turbo tourne dans des paliers "à huile", c'est à dire que l'huile de graissage est injectée entre l'arbre et le coussinet par de petits orifices et il n'y a aucun contact entre le métal de l'arbre et celui du coussinet de palier.

merci pour la réponse

Une autre animation d'un moteur 2 temps :



Comme décrit dans le texte précédent, ce type de moteur enchaîne les 4 temps du cycle en un seul tour, alors que le moteur à 4 temps les enchaîne en 2 tours.
Durant la phase de compression dans le cylindre moteur, le piston engendre une dépression dans le carter, ce qui permet d'aspirer le mélange carburé. Durant la phase de détente, le piston comprime le mélange carburant-comburant dans le carter jusqu'à ce que la position du piston dévoile les lumières d'admission par le(s) canal(aux) de transfert. A ce moment la lumière (fenêtre) d'échappement libère les gaz brulés et détendus. Le mélange carburé sous pression remplit le cylindre et finit de chasser les gaz d'échappement jusqu'au moment où, le piston en remontant pour la nouvelle compression, masque les lumières d'admission et d'échappement.
En fait, dans un moteur 2 temps, l'aspiration et la compression se font en même temps, mais de chaque coté du piston. Il en est de même pour l'admission et l'échappement.
C'est pourquoi j'ai bien détaillé les phases dans le gif animé ci-dessus.

Dans les moteurs Diésel 2 temps, on ne peut utiliser l'aspiration et l'admission par l'intermédiaire du carter. C'est la raison pour laquelle on est obligé de mettre en oeuvre soit un compresseur mécanique, soit un turbocompresseur ou une pompe de balayage autonome pour chasser le reste des gaz d'échappement et suralimenter le moteur.