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RÉSUMÉ
Cet article traite des moteurs 2 temps lourds quasi exclusivement utilisés en marine. Il présente les raisons de leurs succès sur ce marché, ainsi que les volumes et les acteurs. Les fondements de leur excellent rendement, 50 % et plus, sont dévoilés. Une grande partie de l’article décrit leurs composants constitutifs, si spécifiques du fait de leurs tailles, de la nature des carburants, et de l’embiellage à crosse. L’électronique joue un rôle primordial. Enfin, l’article précise comment les atouts de ces moteurs en font des acteurs clé de la transition énergétique.
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Patrice FLOT : Président, TAMRIS études et conseils, Cabriès, France
INTRODUCTION
L’article décrit la technologie du moteur 2 temps lourd, dit aussi moteur lent ou encore moteur cathédrale, en se concentrant sur l’état de l’art à ce jour, qui résulte de près de 150 années de constantes évolutions techniques.
La première partie est consacrée aux marchés desservis par ces moteurs, et aux besoins spécifiques auxquels ils répondent. Il s’agit essentiellement de la propulsion de gros navires de toutes sortes. Des notions de volume de marché sont données ainsi que les acteurs de ces marchés, concepteurs, fabricants, équipementiers, clients et utilisateurs. Quelques applications terrestres sous forme de groupes électrogènes existent mais sont marginales et ne sont pas développées ici.
Il est ainsi dévoilé comment la définition technique de ces moteurs est tirée par la demande du monde maritime, en termes de structure mécanique et de performances : puissance, vitesse de rotation, rendement, niveau d’émission. La transition énergétique est évoquée puisqu’elle est actuellement au cœur des activités de R&D des constructeurs. Des prototypes sont à l’étude, certains en cours d’essais, pour brûler des bio-carburants, du méthanol, de l’ammoniac ou de l’hydrogène. La capacité intrinsèque de ces moteurs à brûler tous types de carburant, liquides ou gazeux, est un facteur accélérateur de la transition énergétique, les freins résidant davantage dans la disponibilité et la logistique des nouveaux carburants.
Une deuxième partie de l’article est consacrée à la description détaillée des différents composants et sous-systèmes du moteur 2 temps lourd (bloc, chambre de combustion, embiellage à crosse, injection électronique, suralimentation…) en relevant ce qui fait leur originalité par rapport à leurs équivalents dans les moteurs à 4 temps, mieux connus parce que plus proches des moteurs automobiles. Dans le chapitre consacré à l’injection électronique, les différents carburants actuels et futurs sont cités avec leurs implications sur la conception.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.
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4. Conclusions : quel avenir pour le moteur lent à 2 temps ?
Quel peut-être l’avenir de ces machines de plus de 150 ans que sont les moteurs lents, alors que les moteurs thermiques sont déjà condamnés à disparaître de certaines de nos villes ?
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En réalité, ce ne sont pas les moteurs thermiques qui sont visés par les autorités, mais les carburants fossiles qui se transforment en émissions de CO2. La faculté des moteurs lents de pouvoir brûler toutes sortes de carburants en font au contraire des alliés de la transition énergétique. Dès que la logistique des carburants décarbonés sera en place, la conversion en masse de ces moteurs à ces nouveaux carburants pourra se faire quasi instantanément, au contraire des autres solutions que sont les batteries ou les piles à combustible pour lesquelles l’industrie n’est pas prête et les matériaux constitutifs déjà sous tension.
Les constructeurs de moteurs industriels, 2 temps et 4 temps, ont pris conscience de l’imminence de ces logistiques rendues crédibles par les plans de relance « après covid » de nombreux pays. Des milliards d’euros ont été alloués à l’hydrogène par exemple, alors que les investissements se comptaient auparavant en millions d’euros… La plupart de ces constructeurs ont en conséquence annoncé à partir de l’été 2021 des investissements en R&D pour développer l’adaptation aux carburants décarbonés de leurs moteurs thermiques. Dans le domaine du transport routier et des engins de chantier, certains ont déclaré anticiper une meilleure attractivité sur le marché par rapport aux alternatives batteries et piles à combustible.
Dans le domaine maritime, ces alternatives sont envisagées pour les petits navires côtiers, mais ne sont pas réalistes dès que la propulsion requiert quelques mégawatts.
Les batteries sont trop encombrantes et trop lourdes, les piles à combustible s’arrêtent à quelques centaines de kilowatts, et les panneaux solaires n’ont pas assez de surface sur les navires. De véritables candidats sont plutôt les propulsions nucléaires de petite taille, sécurisées, et les propulsions véliques de toutes sortes. Si le nucléaire pose la question de l’acceptation sociétale, par contre, il est très probable que des solutions hybrides, de propulsion vélique et thermique voient le jour et se généralisent, la propulsion vélique étant un moyen de réduire la consommation...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DRAGSTED (J.) - The first 50 years of turbocharged 2-stroke, crosshead, marine diesel engines. - Publication CIMAC (2013).
-
(2) - MARINE ENVIRONMENT PROTECTION COMMITTEE – document MEPC 75/7/15 - Reduction of GHG emissions from ships – Fourth IMO study 2020 – Final report. - IMO 29 (2020).
-
(3) - KYRTATOS (A.), SPAHNI (M.), HENSEL (S.), ZÜGER (R.), SUDWOJ (G.) - The Development of the Modern Low-Speed Two-Stroke Marine Diesel Engine. - Article n° 120 congrès CIMAC d’Helsinki (2016).
-
(4) - BRUNNER (H.) - Sulzer Low Speed Engines State of the Art. - Article n° 213 congrès CIMAC de Kyoto (2004).
-
(5) - TOFT (O.), ROLSTED (H.), LINNERUD (T.) - Condition based maintenance of the 2-stroke propulsion engine. - Article n° 404 congrès CIMAC de Shanghaï (2013).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Moteur 2 temps léger – Caractères spécifiques et domaines d’application.
-
Moteur 2 temps lourd – Caractères spécifiques des systèmes auxiliaires.
-
Moteurs à gaz pour les transports – Véhicules routiers, engins et bateaux.
NORMES
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Produits pétroliers – Combustibles (classe F) – Spécifications des combustibles pour la marine. - ISO 8217-2017 -
ANNEXES
Annexe VI de MARPOL et code NOx 2008 et directives d’application (IMO réf. KC664F, édition 2017).
IGC Code, Recueil international de règles relatives à la construction et à l’équipement de navires transportant des gaz liquéfiés en vrac (IMO réf. EA104F, édition 2016).
IGF Code, Recueil international de règles relatives à la sécurité aux navires qui utilisent des gaz ou d’autres combustibles à faible point d’éclair (IMO réf. E109F, édition 2016).
Rule Note NR529 DT R03 E – Gas Fuelled Ships (Bureau Veritas, January 2020).
HAUT DE PAGE2.1 Concepteurs de moteurs lents
J-ENG , Japan Engine Corporation
MAN Energy Solutions
WinGD, Winterthur Gas Diesel
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