Injection d'eau dans les moteurs

Le premier à avoir eu l'idée d'injecter de l'eau dans des moteurs à combustion interne est Pierre Hugon en 1865, sur son moteur à gaz, l'eau ayant prétendument « ordre de ralentir la combustion du gaz ». L'expérimentateur relève des courbes à l’indicateur thermique montrant que la courbe de détente s’améliore très sensiblement.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, plusieurs moteurs allemands, anglais et américains ont utilisé la technique de l'injection d'eau pour éviter pendant un certain temps la surchauffe de moteurs très puissants ; la liste de ces moteurs figure plus bas dans la section Utilisations.

L'eau prend la place d'une partie du carburant, ce qui diminue la consommation globale au prix d'une perte de puissance et de rendement. Ce dispositif a été utilisé sur des moteurs fonctionnant à très haute température afin d'éviter que ceux-ci ne se désagrègent du fait de la chaleur : l'eau est une source froide plus efficace que les gaz brûlés. Ceci a expliqué son utilisation massive sur de gros véhicules (avions, bus…) où la régulation de la température a pu être difficile.

Un autre principe est d'ajouter de l'eau sans changer le débit du carburant, ce qui a pour conséquence d'augmenter le débit masse dans la partie combustion, et donc augmente la puissance disponible, mais au détriment du rendement. Ce principe a été utilisé dans les turbines à combustion industrielles de forte puissance pour diminuer le taux des oxydes d'azote (NOx) à l'échappement. Mais l'eau devant être déminéralisée avant injection, cette solution, coûteuse, utilisée sur des systèmes d'injection anciens, a vite laissé place à des systèmes de combustion produisant moins de NOx sans eau (Dry Low Nox (DLN)).

Aujourd'hui, l'injection d'eau est de nouveau considérée dans des moteurs essences automobiles, notamment pour remplacer l'injection de carburant sur des points haut RPM/haute charge où la température des gaz d'échappements pourraient endommager des composants, comme le turbocompresseur. en remplaçant l'injection tardive de carburant par une injection d'eau, la consommation s'en trouve améliorée sans effet négatif sur les caractéristiques fonctionnelles du moteur.

Un autre aspect positif de l'injection d'eau est sa capacité à réduire le cliquetis, ce qui permet d'aller vers des ratios de compression plus important et donc d'augmenter l'efficacité thermique des moteurs essences. Dans cette perspective, l'injection d'eau se trouve en concurrence avec d'autres systèmes de dilution du mélange air/carburant tels que la recirculation des gaz d'échappement (en anglais, Exhaust Gas Recirculation, EGR). il a été démontré qu'un ratio eau / carburant de 40-50 % est nécessaire pour obtenir le même effet que 10 % d'EGR[1]. Toutefois, les avantages de l'injection d'eau en termes de contrôlabilité (contrairement à l'EGR, il ne s'agit pas d'une boucle fermée) et de stabilité de la combustion permettent de combiner injection d'eau et EGR, les deux s'appliquant à différents zones de fonctionnement du moteur.

Les différents procédés sont :

• Intégration d'une machine à vapeur dans le moteur, les cylindres de combustion étant souvent à la fois la chaudière et les chambres de détente.
• Injection de vapeur d'eau dans les cylindres. La vapeur d'eau est injectée en général avec l'air de combustion, pour des raisons de facilité.

Dans le dernier cas, l'énergie de vaporisation est prise sur le moteur directement sous forme thermique. Les ordres de grandeur des puissances récupérables à la source (la puissance crête d'un alternateur est de l'ordre de 0,5 kW, ce qui est petit comparé aux 70 kW moyens d'un moteur à combustion interne), ainsi que les bilans énergétiques globaux particulièrement peu documentés de ces modifications laissent penser que ces « améliorations » restent largement sujettes à caution (jamais d'essais normalisés sur banc moteur homologué par exemple). En effet, il y a inadéquation totale entre la quantité d'énergie chimique injectée et les effets prétendument « mesurés ».

La vaporisation de l'eau est extrêmement gourmande en énergie (c'est d'ailleurs l'effet de refroidissement induit qui est utilisé pour maîtriser les fumées d'incendies) — si la vapeur d'eau a une grande énergie cinétique, c'est qu'on la lui a transmise.

Utilisée principalement dans le domaine militaire, l'injection d'un mélange eau-méthanol dans un moteur permet d'augmenter la puissance de celui-ci de façon temporaire[3].

Les avantages généralement relevés d'injection d'eau sont :

• abaissement de la température de fonctionnement du moteur (ce qui explique pourquoi ce genre de dispositifs est utilisé sur des moteurs puissants),
• utilisation comme charge pour changer de type de carburant sans changer le moteur (passage d'essence à méthanol par exemple),
• consommation de moins de carburant (au prix d'une perte nette de rendement),
• moins polluants au kilomètre (du fait de la consommation diminuée en carburant) ;

avec en contrepartie :

• diminution du rendement du moteur (réduction de la température du moteur),
• réduction de la puissance nominale du moteur (perte de rendement + débit de carburant moindre),
• nécessité d'embarquer un réservoir d'eau,
• rend inopérant les pots catalytiques actuels,
• coût de production d'un méthanol pur élevé (comparativement à l'essence ou au gazole pour compenser la réduction de puissance nominale),
• plus polluant au litre de carburant (du fait de la perte de rendement).
• risque de création d'acide nitrique (par mélange d'eau et de oxyde d'azote produit par la combustion du carburant) qui endommage la chambre de combustion.

Ce qui fait que cette technique ne fut utilisée que de manière limitée dans des situations particulières.

Récemment, Bosch a démontré, avec un système appelé "Water Boost", une augmentation possible des performances moteur de 5 % en parallèle d'une diminution de la consommation de carburant de 13 %[5]. des résultats similaires ont été présentés par Fev[6], expliquant l'engouement nouveau pour cette technologie.

Toutefois, le remplissage du réservoir d'eau avec de l'eau déminéralisée, est considéré comme un problème majeur à l'adoption et à l'acceptation de ces systèmes par les utilisateurs[7].

Charles Miriel a inventé une émulsion gazole-eau, maintenue en suspension grâce à un émulsifiant, aux proportions 85 %, 13 % et 2 %. Ce carburant fut commercialisé par Elf sous le nom d'Aquazole dans les années 1990, et des tests ont été faits sur une flotte de bus[9]. Si ce mélange semble apporter une amélioration en termes de NOx, la consommation augmente et ce carburant n'est pas compatible avec les filtres à particules actuels car il abaisse la température des gaz d'échappement[10]. Un procès a mis fin à cette entreprise[11].

L'entreprise Aquamist fabrique encore des systèmes d'injection d'eau dans les moteurs destinés à la compétition automobile et à l'équipement des moteurs turbo-essence à haut rendement.

• L'injection d'eau, avenir du moteur à essence pour BMW LePoint.fr
• La Combustion par voie humide et ses performances, thèse de Rémi Guillet, Nancy-Université UHP-Nancy.
• De l'eau dans le gasoil, documentaire réalisé par Patrick Lefrère et Cyril Flouard avec pour objectif de synthétiser la masse d'informations disponibles sur internet.