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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 2 590 − 1 Moteurs à gaz État de l’art par Jean-Louis MAGNET Attaché à la direction technique SEMT PIELSTICK Professeur associé au Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) et Georges DESCOMBES Maître de conférences au Conservatoire national des arts et métiers Chercheur au CNAM et au Laboratoire de mécanique physique de l’Université Pierre-et-Marie-Curie Paris 6 es vagues répétées de pollution au cours de l’été 1997 ont traduit la qualité médiocre de l’air en atmosphère surchauffée et l’impact du transport routier a donné lieu à une hypermédiatisation souvent approximative, voire contradic- toire. Il n’est néanmoins plus à démontrer, dans ce phénomène récurrent d’émis- sions de nuisances, que ce problème s’inscrit dans un contexte environnemental de santé publique. L’expérience montre que c’est en milieu urbain que des mesures doivent être privilégiées pour inﬂéchir, à échéance rapprochée et de manière signiﬁcative, les effets néfastes qui résultent d’une surconcentration de véhicules en terme de pollution atmosphérique et de bruit. Parmi la panoplie des stratégies alternati- ves aux carburants liquides usuels, l’utilisation des carburants gazeux de type gaz naturel et gaz de pétrole liquéﬁé constitue une réponse écologique adaptée aux utilisations captives et urbaines des ﬂottes de véhicules. 1. Généralités................................................................................................. BM 2 590 - 2 1.1 Contexte environnemental ......................................................................... — 2 1.2 Propriétés des carburants gazeux.............................................................. — 2 2. Gaz de pétrole liquéﬁé carburant (GPLc).......................................... — 2 2.1 Bref aperçu du marché................................................................................ — 2 2.2 Caractéristiques du GPLc............................................................................ — 3 2.3 Particularités technologiques du moteur GPLc......................................... — 3 2.4 Performances du moteur GPLc .................................................................. — 6 3. Gaz naturel carburant (GNc)................................................................. — 7 3.1 Bref aperçu du marché................................................................................ — 7 3.2 Caractéristiques du GNc ............................................................................. — 7 3.3 Particularités technologiques du moteur GNc.......................................... — 7 3.4 Performances du moteur GNc.................................................................... — 7 4. Moteurs industriels Diesel gaz............................................................. — 9 4.1 Particularités technologiques ..................................................................... — 9 4.2 Performances du moteur Diesel gaz.......................................................... — 11 4.3 Domaines d’utilisation ................................................................................ — 11 5. Perspectives du marché......................................................................... — 12 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. BM 2 594 L MOTEURS À GAZ. ÉTAT DE L’ART __________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 2 590 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique 1. Généralités 1.1 Contexte environnemental Les réserves mondiales connues de gaz naturel sont du même ordre de grandeur et géographiquement mieux diversiﬁées que cel- les du pétrole. L’emploi du gaz comme carburant alternatif des moteurs s’est initialement développé dans les régions disposant de ressources naturelles, mais son utilisation qui demeure très dépen- dante des incitations ﬁscales est très inégalement répartie selon les pays. En Europe, l’Italie et le Bénélux concentrent à eux seuls la part la plus importante du parc automobile européen, et le nombre estimé de moteurs stationnaires et de propulsion fonctionnant au gaz dans le monde est supérieur à quatre millions d’unités. Le gaz fait l’objet d’un regain d’intérêt dans la mesure où il s’agit d’un carburant propre, dont la réaction de combustion dans l’air se traduit par des émissions minimisées, à l’échappement du moteur, par rapport aux hydrocarbures liquides conventionnels. L’emploi de ce carburant alternatif sous forme de gaz de pétrole liquéﬁé carbu- rant (GPLc) comme de gaz naturel carburant (GNc) ou pour moteurs industriels constitue donc une réponse environnementale adaptée aux impératifs de dépollution, en milieu urbain en particulier. Les moteurs à gaz sont usuellement dérivés des moteurs à com- bustible liquide et font l’objet d’une adaptation technologique pour brûler le carburant gaz. La combustion est déclenchée par une étin- celle électrique pour les moteurs d’automobiles et de transports en commun, eux-mêmes dérivés des moteurs à allumage commandé. L’injection d’une faible quantité de gazole amorce plus générale- ment la réaction de combustion dans les moteurs industriels à allu- mage par compression dénommés Diesel gaz. 1.2 Propriétés des carburants gazeux Le lecteur se reportera aux articles de ce même traité intitulés B 2 520 Les carburants et la combustion et Pollution atmosphérique [20] qui concernent respectivement les caractéristiques chimiques et thermophysiques des combustibles ainsi que les émissions de polluants et leur posttraitement. Il pourra également se reporter dans le traité Génie énergétique à l’article Carburants et combusti- bles. Le tableau 1 rassemble les caractéristiques usuelles des carbu- rants gazeux utilisables dans les moteurs. On observe que leur pouvoir caloriﬁque présente une forte dis- persion, selon la composition du gaz, en fonction de sa provenance. La variabilité associée du rapport air-carburant impose au moto- riste de disposer d’un système évolué de régulation et de contrôle d’alimentation du moteur. L’indice de Wobbe W constitue pour cela un indicateur précieux aﬁn d’évaluer la correction de débit à prévoir pour conserver un dosage constant. On montre aisément que le rap- port stoechiométrique S est une fonction croissante de l’indice de Wobbe : qui s’exprime selon la relation (1) où PCS et d identiﬁent respective- ment le pouvoir caloriﬁque supérieur en MJ/m3 (volume mesuré dans les conditions normales de température et de pression) et la densité du gaz par rapport à l’air : (1) L’indice de méthane, qui demeure d’actualité sur les moteurs industriels, identiﬁe la sensibilité du carburant gaz au cliquetis, par analogie à l’indice d’octane pour les carburants liquides [18]. Il est déterminé par équivalence à un mélange de méthane et d’hydro- gène ayant le même comportement au niveau de la détonation que l’échantillon à étudier. L’échelle de mesure est bornée par l’indice 0 pour de l’hydrogène pur et l’indice 100 pour du méthane pur et les indices RON (Research Octane Number) et MON (Motor Octane Number) du méthane, évalués par extrapolation, sont respective- ment de l’ordre de 130 et 115. 2. Gaz de pétrole liquéﬁé carburant (GPLc) 2.1 Bref aperçu du marché Les gaz de pétrole liquéﬁé sont issus du rafﬁnage du pétrole brut et du dégazolinage du gaz naturel et leur production est majoritaire- ment destinée aux besoins domestiques et industriels. La qualité S W ( ) Cte W × = W PCS d - - - - - - - - - - - - = Aperçu rétrospectif C’est le savant C. Huygens (1629-1695) qui a conçu et réalisé le précurseur du moteur à combustion interne, sous la forme d’un canon à poudre, en collaboration avec son assistant D. Papin, auquel un hommage solennel a été rendu en 1994 lors de la célébration du bicentenaire du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM). En 1801, Ph. Lebon [78] imagine un moteur alimenté en air et en gaz par deux pompes au sein d’un capsulisme sans compres- sion préalable et à allumage électrique ; Hugon reprend les tra- vaux de Lebon en 1859. J.E. Lenoir [79] dépose un brevet de moteur à gaz en 1860 et réalise une dizaine de moteurs à gaz monocylindres à deux temps sans compression préalable. Des essais ofﬁciels sont conduits au CNAM sous la direction du pro- fesseur Tresca. L’élaboration des concepts thermodynamiques, développés par les réﬂexions visionnaires du savant français S. Carnot [13] en 1824, ouvre la voie à une approche scientiﬁque complète- ment novatrice. A. Beau de Rochas (1815-1893) [6] établit la théorie du moteur à quatre temps en un seul cylindre avec com- pression préalable en 1862, tandis que N.A. Otto (1832-1881) expérimente un moteur à quatre temps vertical en 1876. Atkin- son imagine, dès 1886, une course de détente prolongée supé- rieure à la course de compression au moyen d’un embiellage spécial, et les ingénieurs F. Forest, en 1892, et L. Letombe, en 1893, réalisent tous deux la distribution à admission variable. Les travaux scientiﬁques de R. Diesel (1858-1913) [108], dont la vocation d’ingénieur motoriste est née au contact de ses fré- quentes visites au Musée des arts et métiers (à Paris) sont, pour leur part, concrétisés par son traité de référence de 1892. Ils per- mettent d’aboutir, en 1897, à la réalisation du célèbre moteur Diesel à quatre temps, à auto-inﬂammation par compression préalable et à combustion initialement à pression constante. Le succès universellement reconnu et éprouvé de ce moteur ne se dément pas à l’aube de l’an 2000, bien que ses émissions de fumées soient désormais l’objet de controverses récurrentes dans le contexte environnemental actuel. Le professeur A. Witz [106] remarque, dans son traité des moteurs à gaz (1892), que plus de deux cents modèles de moteurs à gaz sont répertoriés pendant cette période et ce type de moteur est appelé à connaître un succès de masse en raison de l’usage des hydrocarbures. On rappelle que c’est ce même ingénieur qui établit à cette période la relation mathématique régissant l’évolution du rendement thermodynamique du moteur en fonction de son rapport volumétrique de compres- sion. __________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS À GAZ. ÉTAT DE L’ART Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 2 590 − 3 intrinsèque de carburant écologique du GPLc lui confère également un atout déterminant dans son application aux ﬂottes urbaines et aux gros uploads/Industriel/ moteurs-a-gaz-etat-de-l-x27-art.pdf