Bonjour et bienvenue dans cette séquence, conversion d’énergie mécanisable et ses paradoxes dans les moteurs à combustion interne. Nous allons tenter de bien comprendre quels sont les paradoxes qui régissent l’optimisation des performances d’un moteur à combustion interne. 

Pour ce faire, nous avons privilégié trois paradoxes qui sont les suivants : cycle théorique/cycle réel d’une part, paradoxe rendement et puissance d’autre part, et enfin dilemme sur les émissions des polluants. 

Tout d’abord, il faut rappeler que la conversion d’énergie dans un moteur volumétrique a une spécificité forte, à savoir qu’il s’agit de transferts cycliques de masse et d’énergie dans une machine volumétrique avec des phases fermées du cycle et d’autres phases ouvertes du cycle. C’est donc une caractéristique intrinsèque des machines volumétriques à combustion interne. 

Le paradoxe n° 1 est relatif à la notion de rendement de la conversion d’énergie, à savoir les cycles théoriques nous préconisent qu’il existe un cycle à rendement maximal dont le plus célèbre est le moteur de Carnot. Cela signifie qu’idéalement, le rendement de Carnot constitue un majorant pour une production d’énergie maximisée. 

Bien entendu, le paradoxe n° 1 relève du fait qu’il faut travailler avec un rendement réel car les irréversibilités minorent  significativement la capacité de la machine à produire un travail. D’où un paradoxe très fort, à savoir, d’une part, on précise que l’énergie se conserve, et simultanément, on précise que l’énergie se dégrade. Donc cela mérite un mot d’explication. L’énergie se conserve au titre du bilan de la conservation d’énergie, mais en revanche l’énergie se dégrade. Cela signifie qu’une fraction de l’énergie mécanique théorique que l’on aurait dû obtenir, en fait, a été dissipée en énergie non mécanisée, c’est-à-dire en perte thermique. Et ceci se traduit sur ce dessin-ci. D’une manière générale, lorsqu’on rentre 100 en énergie chimique dans un moteur, on constate la règle des 3/3, c’est-à-dire que 1/3 est converti en énergie mécanique, 1/3 est donc dissipé dans les circuits de refroidissement, et 1/3 est dissipé dans les circuits d’échappement, voilà pour ce qui concernait le paradoxe n° 1.

Le paradoxe n° 2 est relatif au principe d’action. Donc là encore, soyons précis. Les principes d’action, il y en a deux. D’une part, un principe de moindre action qui nous dit qu’idéalement, le rendement est maximal lorsque l’on tend vers la non-action. Autrement dit, de manière plus simple, cela signifie que le rendement est maximal lorsque l’on tend vers l’inaction et que, par conséquent, cela pourrait rejoindre sur ce qu’on appelle le théorème des paresseux, à savoir que c’est lorsque l’on ne fait rien que le rendement est maximal. Sauf que bien évidement dans ces conditions, on ne produit aucune énergie mécanique et que par conséquent cela ne nous est pas utile. 

Ce qui nous amène au second paradoxe, la loi de pire action qui, dans la réalité, montre que c’est le désordre qui l’emporte et que nous allons par conséquent tenter d’organiser correctement ce désordre de manière à pouvoir obtenir une énergie mécanique sans trop souffrir des irréversibilités de la transformation. 

Ceci se traduit par une image en termes de rendement et puissance maximal. Sur ce dessin-ci, nous allons représenter en ordonnée le rendement maximal de la conversion d’énergie en fonction du régime de rotation, tandis que sur l’ordonnée de droite nous allons représenter la puissance. 

Que faut-il retenir de ce dessin ? On constate que nous avons un point de rendement maximal pour un régime de rotation donné à charge maximale et que simultanément, on va se déplacer vers un point de puissance maximal pour un régime distinct de rotation. Autrement dit, soit on travaille dans un objectif exclusif de rendement maximal, soit de puissance maximale, mais cela ne peut pas être les deux en même temps.

Enfin le paradoxe n° 3 relève des émissions comparées de CO2 d’une part et d’oxyde d’azote d’autre part. Alors qu’est-ce qu’il faut retenir de cette affaire ? Premièrement l’expérience et le calcul montrent que le rendement d’un cycle est maximal lorsque la température de la source chaude est maximale, point n° 1. Simultanément et dans ces mêmes conditions, point n° 2, on démontre que la production d’oxyde d’azote augmente de manière exponentielle avec la température de la source chaude. Donc là, on met bien le doigt sur le paradoxe n° 3, à savoir est-ce-que je souhaite minimiser les émissions de CO2 par conséquent en obtenant un rendement maximal ou au contraire est-ce-que je souhaite réduire significativement les oxydes d’azote, ce qui signifie que cela se fera au détriment du rendement. Donc voilà un des compromis auquel est confronté le motoriste.

Application : sur l’illustration de ce dilemme n° 3, nous avons représenté sur ce dessin l’évolution des consommations des carburants mesurées en grammes/cheval-heure. Je vous laisse le soin de les transformer en unité légale par kWh. En ordonnées à droite, j’ai représenté une émission du rendement du moteur en fonction des décennies écoulées. Nous constatons deux choses, c’est que depuis un certain nombre de décennies, la consommation a décru très régulièrement de manière linéaire tandis que le rendement, évidemment la conversion, lui a augmenté significativement également de manière linéaire. Et puis on constate une rupture dans les années 90 qui s’est traduite par le fait que nous avons dû accepter de faire chuter significativement le rendement de conversion d’énergie, c’est-à-dire encore augmenter les consommations, pour les raisons précitées, à savoir qu’il s’agit d’un exemple de propulsion marine dans les années 1990, en utilisation dans les pays du nord et les contraintes en termes de pollution étant telles que les émissions de Nox devaient être réduites significativement et à l’époque en 1990 nous n’avions pas eu autre solution que de dégrader le rendement pour répondre aux objectifs cités.

En conclusion de cette séquence, premièrement, les irréversibilités minorent significativement les résultats en termes de conversion d’énergie. Secondement, il existe un optimum distinct de couple de puissances, c’est-à-dire de rendement et de puissance pour être précis. Nous avons toujours à lever l’antagonisme entre la réduction des émissions de CO2 et de l’oxyde d’azote. Ceci passe pour pouvoir résoudre correctement les compromis résultants de ces paradoxes, ceci passe par la nécessité de soigner le contrôle moteur et les stratégies optimisées de dépollution en tentant dans la mesure du possible de maîtriser les surcoûts associés. Je vous dis au revoir.