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RÉSUMÉ
Le moteur thermique domine certains secteurs économiques, notamment celui des transports. Son évolution et degré de développement sont liés aux contraintes socio-économiques et environnementales du XXe siècle, et doivent être mis en concurrence avec d’autres solutions et technologies dans les nouvelles perspectives de développement et mobilité durables. Après un examen des principes de fonctionnement et des perspectives de développement en cours et à venir, le moteur thermique, et notamment à combustion interne, est comparé aux autres scénarios réalistes pour une application dans les transports selon les approches de puits à la roue et de cycle de vie.
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Luis LE MOYNE : Dr., Ing. École nationale supérieure des arts et métiers - HDR Énergétique des transports, Université Pierre et Marie Curie, Paris 6 - Directeur de l’Institut supérieur de l’automobile et des transports, Université de Bourgogne, Nevers, France
INTRODUCTION
Les moteurs thermiques utilisant la combustion ont dominé la production d’énergie et la propulsion dans les transports depuis le début de l’ère industrielle. Avec les préoccupations environnementales, d’abord liées à la pollution urbaine locale puis à l’effet de serre global, les énergies « propres » tendent à reléguer dans l’opinion les moteurs à combustion dans une catégorie de technologie obsolète. Il convient d’analyser le fonctionnement et le potentiel de ces machines, issues d’une époque et d’une société où les préoccupations environnementales étaient d’arrière-plan à l’aune des objectifs sociétaux et industriels actuels et à venir.
Confronté à des technologies qui d’emblée semblent résoudre les enjeux liés aux émissions polluantes et à effet de serre comme l’éolien, le solaire, le nucléaire, et l’utilisation directe de l’électricité, le moteur thermique pâtit des caractéristiques que l’industrie a bien voulu ou pu lui donner : une technologie peu onéreuse, fiable, peu gourmande en matières et matériaux précieux, mais au rendement souvent mauvais engendrant pollution et bouleversement climatique. Nous nous proposons d’étudier, dans ce qui suit, le potentiel des motorisations thermiques à répondre aux exigences de rendement énergétique et de faible bilan carbone qu’exige le futur, en mettant en évidence ce qui est constitutif du moteur thermique en matière d’avantages et d’inconvénients et en le distinguant de ce qui relève des choix de conception hérités des critères économiques du passé.
Pour un moteur utilisant la combustion comme source de chaleur pour générer le mouvement, le rendement énergétique est directement lié aux émissions de gaz, qu’ils soient à effet de serre et/ou polluants. Le meilleur moteur dans un souci écologique est donc d’abord celui qui génère pour une puissance donnée le moins d’émissions et qui fait donc le meilleur usage du combustible dans la transformation d’énergie chimique/calorifique en mouvement.
Dans une vision plus large, le meilleur moteur est celui qui, lors non seulement de son utilisation mais également lors de sa production, ainsi que celle de son combustible, de son lubrifiant, de son liquide de refroidissement, de ses accessoires, et de tout élément nécessaire à sa production et à son exploitation, consomme le minimum de ressources et génère le moins de rejets pour une puissance donnée.
Le rendement énergétique, c’est-à-dire le rapport entre la production de mouvement utile et la consommation de combustible, est donc capital pour interroger l’avenir d’un moteur. La notion peut être étendue à d’autres rapports, par exemple celui des émissions polluantes ou celui des ressources fossiles ou minérales globalement.
En fonction des priorités, on pourrait préférer pour l’usage urbain des moteurs émettant peu de polluants et préférer pour les transports lourds sur de longues distances des moteurs émettant peu de gaz à effet de serre.
Afin d’éclairer les compromis actuels et le potentiel pour d’autres priorités, plus en phase avec la préservation de l’environnement, il convient de revenir sur les raisons historiques de l’état de l’art ainsi que sur le principe de fonctionnement des moteurs thermiques.
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MOTS-CLÉS
mobilité durable moteur à combustion interne analyse du cycle de vie bilan du puits à la roue gaz à effet de serre
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Atouts de l’hybridation, optimisation de l’efficacité et des polluants
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4. Combustions avancées et combustibles alternatifs
Le principe de fonctionnement des moteurs et chambres à combustion repose sur le confinement d’un mélange réactif dans une enceinte où la chaleur dégagée peut être récupérée. Il faut pour cela entretenir la réaction de combustion aussi longtemps que nécessaire et partout où le mélange a été distribué pour consommer efficacement le combustible. Cette stabilisation ou ce contrôle de la flamme ou de la combustion comporte l’étape initiale de l’allumage, ensuite le développement puis l’extinction de la flamme.
L’allumage peut être obtenu spontanément par auto-inflammation dans des conditions élevées de température ou de pression, sinon il doit être obtenu par un apport d’énergie supplémentaire. Lorsqu’un apport d’énergie est nécessaire, la méthode la plus répandue est l’allumage du mélange par une étincelle électrique (bougie d’allumage). Mais de nombreuses autres façons d’apporter localement ou globalement un surplus d’énergie permettant d’activer la combustion sont possibles.
Le développement de la flamme a été réalisé traditionnellement selon deux schémas simplistes que sont la flamme de prémélange et la flamme de diffusion. Les mécanismes complexes qui interviennent dans le déroulement réel de la réaction permettent d’envisager de nombreuses variantes pour le développement de la flamme, avec bien entendu des schémas intermédiaires mettant en place des prémélanges partiels, des combustions multisites, etc.
Le développement de la flamme comporte une élévation forte de la température et une déperdition par contact avec les parois. Une meilleure gestion des réactions chimiques et des transferts de masse et de chaleur permet une amélioration parfois sensible du rendement énergétique.
4.1 Stratification du mélange et confinement de la combustion
La réduction des pertes thermiques nécessite soit de réduire la température des gaz de combustion, soit de réduire les surfaces froides d’échange avec les gaz de combustion, soit de réduire le coefficient d’échange avec les parois froides :
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réduire la température des gaz de combustion a en général un effet contrasté sur le rendement énergétique mais améliore en revanche les émissions de NOx car ceux-ci se forment...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - Automotive trends report. - Executive summary 2019, EPA-420-S-20-001, mars 2020.
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(2) - SONG (S.), ZHANG (H.G.) - Performance study for miller cycle natural gas engine based on GT. - Power Journal of Clean Energy Technologies, vol. 3, n° 5, sept. 2015.
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(4) - KÉROMNÈS (A.), DELAPORTE (B.), SCHMITZ (G.), Le MOYNE (L.) - Development and validation of a 5 stroke engine for range extenders application. - Energy Conversion and Management, vol. 82, p. 259-267, ISSN 0196-8904 (2014).
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(5) - ISMAIL (Y.), DURRIEU (D.), MENEGAZZI (P.), CHESSE (P.) et al - Potential of exhaust heat recovery by turbocompounding. - SAE Technical Paper 2012-01-1603 (2012) https://doi.org/10.4271/2012-01-1603
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Combustion dans les moteurs diesel.
-
Technologie des moteurs alternatifs à combustion interne.
-
Pollution atmosphérique. Origine et réduction des émissions au niveau moteur.
NORMES
-
Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Principes et cadre - ISO 14040 - 2006
-
Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Exigences et lignes directives - ISO 14044 - 2006
ANNEXES
Émissions de CO2 : Règlement (UE) 2019/631 du Parlement européen et du Conseil du 17 avril 2019.
Émissions des véhicules : Règlement (UE) 2018/858 du Parlement européen et du Conseil du 30 mai 2018.
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