Rendement d'un moteur à explosion

• En augmentant le taux de compression, les limites étant l’auto-allumage pour les moteurs à allumage commandé. La température de fonctionnement augmente avec le taux de compression. Une suralimentation avec un compresseur mécanique ou un turbocompresseur permet d'améliorer le rendement notamment du fait qu'on peut refroidir les gaz admis en cours de compression, ce qui réduit la consommation d'énergie mécanique inhérente au cycle thermodynamique (pour les moteurs à explosion, l’auto-allumage limite toujours la pression maximale admissible).
• En étant toujours à la compression maximale avec un moteur à auto-allumage (HCCI), solution difficile à contrôler.
• En augmentant la course de détente, de façon à récupérer un maximum de puissance mécanique. Hormis les solutions mécaniques, on peut utiliser le cycle d'Atkinson, qui est défini par une course de compression plus courte que la course de détente, en retardant la fermeture de la soupape d’admission par exemple.

• En isolant thermiquement certaines pièces, par exemple avec de la céramique (tête de piston, culasse et même cylindre), ce qui pose des problèmes de prix, de fissuration et d’usure. Utilisé principalement en compétition (où le coût et la maintenabilité ne sont pas des critères prépondérants).
• En utilisant des moteurs à pistons opposés, supprimant totalement les pertes thermiques des culasses, puisqu'il n'y en a plus.

• Avec un cycle à deux temps, car il y a moins de tours par cycle moteur, ce qui pose des problèmes de pollution à cause de la combustion de l’huile de lubrification et pour lequel, sans injection directe, une partie du carburant part dans l’échappement ;
• en diminuant les efforts de frottement, soit en diminuant les efforts entre les pièces par une plus grande précision dimensionnelle (pièces mieux appairées avec des jeux mieux maîtrisés) , soit en diminuant les coefficients de frottements :
  • par modification des pièces : meilleurs états de surface (pièces plus lisses), traitement de surface (thermique ou chimique, exemple : nitruration), modification du design des pièces afin de limiter les surfaces de contact ;
  • par une meilleure lubrification, en modifiant le fluide lubrifiant : des huiles possédant de meilleures propriétés ou en tentant de lubrifier avec du gaz (jamais déployé au niveau industriel) ; ou en modifiant le circuit de lubrification.

• En prévoyant des systèmes de coulisseaux (moteurs industriels fixes) ou des transformations de mouvement à came annulant les efforts latéraux.

• En modifiant la technologie des paliers par exemple en remplaçant les paliers lisses par des roulements à billes (existe sur les moteurs de motos et sur quelques bi-cylindres automobile) ce qui peut poser des problèmes de tenue dans le temps et de maintenabilité.

En utilisant des commandes de soupape électriques, pneumatiques ou hydrauliques, au contrôle délicat.

La plus grosse difficulté dans certains usages et en particulier pour l'automobile est la baisse importante du rendement aux charges intermédiaires. La tendance à l'augmentation de puissance des moteurs pour améliorer le confort de conduite fait aussi que les moteurs sont utilisés à des charges de plus en plus faibles, ce qui aggrave la situation. Il est donc souhaitable de chercher à améliorer le rendement aux charges intermédiaires.

Dans ces moteurs, les soupapes cessent de fonctionner sur certains cylindres quand la demande est faible. Les cylindres restants fonctionnent alors à plus forte charge, donc à meilleur rendement. Le système mécanique en devient plus complexe et les cylindres désactivés continuent de générer des pertes par frottement, seules les pertes dues à la compression dans les cylindres concernés étant supprimées[4] - [5] - [6] - [7]. La gestion de l’équilibre thermique du moteur est délicate. Cela s’utilise sur des voitures de haut de gamme de forte cylindrée, généralement à plusieurs rangées de cylindres.

Par des systèmes mécaniques, on peut adapter la compression suivant la charge du moteur. La majorité des systèmes utilisés comportent des déplacements de parties importantes du moteur, ce qui crée des contraintes mécaniques ou de transmission. Une des exceptions est le moteur MCE-5, dont le bloc moteur reste d’un seul tenant. Ce moteur est proche de l’industrialisation.

La compression variable faciliterait la réalisation d'un moteur HCCI.

Il existe des systèmes de levée variables mécaniques (tel que le système V-TEC chez Honda) ou d'autres sans arbres à cames à commande pneumatique, hydraulique ou électrique, dits camless.

On peut faire varier le remplissage du cylindre en utilisant le cycle d'Atkinson, améliorant le rendement à charge partielle. On modifie aussi les avances et retard d’ouverture en temps réel en fonction des paramètres instantanés du moteur. L’un des objectifs est notamment de ne plus avoir de papillon d’admission, limitant ainsi les pertes d’écoulement. Ceci faciliterait aussi la réalisation d'un moteur HCCI.

Avec les soupapes électriques, en plus de la levée variable, on diminue les pertes de la distribution car la consommation électrique pour la levée des soupapes demande moins de puissance qu’un arbre à cames traditionnel. Les soupapes à levée pneumatique sont utilisées sur certains moteurs de camions.

Le service pour le transport implique des arrêts qui peuvent être fréquents en usage urbain. A l'arrêt, la consommation du moteur est une perte pure et on peut économiser la consommation de ralenti simplement en arrêtant le moteur et en le redémarrant quand nécessaire.

Les paliers à aiguille ont moins de frottement que les paliers lisses, mais les bielles ne sont pas démontables et il faut assembler le vilebrequin et les bielles ensemble. Ce n’est pas adapté pour des manetons de gros diamètre. Les bielles étant plus légères, ceci facilite aussi les régimes rapides.

C’est une technologie courante en moteur moto. L’une des rares applications en automobile a été le moteur des Panhard des années 1950 et 1960, qui comportait deux cylindres à plat.

Le moteur Revetec propose un système remplaçant le système bielle/vilebrequin par une double came annulant totalement les efforts latéraux. Les pistons étant entraînés par des roulements roulant sur la came, il y a aussi un gain sur la transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif car il n’y a pas de paliers lisses. Le rendement maximum du dernier prototype atteint 38 % pour un moteur à allumage dont la distribution et les culasses sont relativement primitives. Ce moteur en est à sa deuxième génération de prototypes.

Le moteur MCE-5, dont l’objectif principal est d’être un moteur à compression variable, offre comme avantage complémentaire l’annulation des efforts latéraux sur les pistons par un système d’engrenage oscillant. Il comporte un vilebrequin et des bielles.

Les turbocompresseurs utilisent l’énergie de l’échappement pour comprimer les gaz d’admission.

Il est aussi possible de coupler la turbine à l’arbre de transmission de façon à récupérer une partie de la puissance (moteurs turbo-compound). Le train de réduction est complexe et ceci ne fonctionne correctement que pour une plage de puissance limitée. Cette solution a été développée sur des moteurs d’avions à la fin des années 1940 et est utilisée actuellement sur des moteurs de camion Detroit Diesel et Scania[8] et Volvo (depuis 2017)[9].

Le moteur Crower à six temps récupère la chaleur de refroidissement par injection d’eau dans le cylindre, ce qui crée un cycle moteur complémentaire à vapeur en plus du cycle à explosion. Il n’y a pratiquement pas de données sur les prototypes existants et le développement semble arrêté (voir Moteur à eau).

Le moteur Bajulaz[10] à six temps récupère la chaleur de refroidissement d'une chambre de combustion qui est séparée du cylindre. Cette chaleur est utilisée pour préchauffer de l'air dont l'expansion sera utilisée lors d'un cinquième temps.

Le moteur Velozeta[11] récupère la chaleur de refroidissement et d'échappement par injection directe d'air dans le cylindre lors de l'échappement. Il présente l'avantage additionnel de diminuer la pollution du fait d'un meilleur balayage du cylindre.

Le moteur thermique à récupération d'énergie couple à un moteur thermique classique un moteur Ericsson à combustion externe. La liaison entre les deux systèmes est réalisée par un piston multifonctions. Il est espéré un rendement global de 65 %[12].

Les moteurs deux temps simples, bien qu'ayant moins de pertes par frottement, ont souvent un rendement plus faible que les moteurs à quatre temps pour diverses raisons :

• dans le cas d'un prémélange air/combustible, une partie de ce mélange part directement dans l'échappement sans être brûlé lors de la phase de balayage, ce qui représente une perte et une importante source de pollution. Cette perte peut être supprimée en installant une injection directe dans le cylindre, ce qui fait que lors du balayage, il n'arrive que de l'air ne contenant pas de combustible ;
• toute l'énergie de détente n'est pas utilisée car la détente est interrompue pour permettre le balayage des gaz d'échappement. Ceci peut être amélioré par divers moyens :
  • avec une vanne installée dans l'échappement, qui freine l'échappement et permet de récupérer une petite partie de l'énergie de détente résiduelle ;
  • avec un turbocompresseur, le balayage étant amélioré par la pression du turbo, ce qui permet de réduire sa durée ;
  • en ayant une course plus longue, ce qui allonge la durée du balayage ou permet une plus forte détente pour un même balayage ;
• le balayage des gaz d'échappement par des gaz neufs consomme une énergie de pompage. Celle ci peut être réduite en installant une soupape d'admission, ce qui fait que le balayage ne se fait plus par le carter mais directement par un canal d'admission.

Les moteurs diesels industriels ayant actuellement les meilleurs rendements sont des moteurs deux temps lents, à très forte turbo-compression, très longue course et une soupape d'admission.

Les essais de moteurs deux temps à injection directe pour usage automobile ont donné des résultats intéressants pour le rendement, mais les problèmes de pollution liés à l'entraînement d'huile par le balayage par le carter n'ont pas permis de respecter les réglementations anti-pollution actuelles.

Certaines des solutions exposées ci-dessus sont combinables, les effets de ces combinaisons étant plus ou moins cumulatifs. Par exemple, un moteur Revetec à faibles frottements bénéficierait pleinement d’un système de soupapes à levées variables. La combinaison d’un moteur à compression variable et de soupapes à levée variable est positive, mais les avantages ne s’additionnent pas complètement.

• Moteur à combustion et explosion
• Architecture des moteurs à pistons
• Moteur à six temps

• (en) Existing and Future Demands on the Turbocharging of Modern Large Two-stroke Diesel Engines, Wärtsilä Corporation, 1-2 octobre 2002 [PDF]