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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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2. Besoins du marché maritime, raison d’être des moteurs lents
2.1 Principaux acteurs
Une forte concentration sur ce marché mature s’est opérée entre 1970 et 1985, puisqu’il y avait 8 concepteurs en début de cette période .
Le monde compte aujourd’hui 3 concepteurs de ces moteurs lents, qui font les 3 marques présentes sur le marché :
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MAN ES, ou MAN Energy Solution, est l’actuel leader avec plus de 85 % du marché. Anciennement dénommé MAN Diesel & Turbo, et encore avant cela MAN B&W, son centre de développement pour ces moteurs lents est situé au Danemark, à Copenhague. MAN ES appartient au groupe Volkswagen. L’entité résulte de la fusion en 1979 de deux concepteurs-constructeurs de moteurs lents, l’Allemand MAN et le Danois B&W ;
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WinGD, contraction de Winterthur Gas Diesel, successivement dénommé Sulzer, puis New Sulzer Diesel, puis dans un passé récent, Wärtsilä, tient la seconde place. Le centre de développement est en Suisse, à Winterthur, près de Zürich. Depuis 2016, WinGD appartient entièrement au chinois CSSC, China State Shipbuilding Corporation ;
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J-Eng, contraction de Japan Engine Corporation, est minoritaire sur le marché avec moins de 5 %. La marque s’appelait auparavant MHI pour Mitsubishi Heavy Industries avant qu’elle n’appartienne depuis 2017 à la fois à Kobe Diesel, un licencié de MHI, et à MHI.
Ces concepteurs agissent en tant que licencieurs vis-à-vis d’une vingtaine de fabricants localisés principalement en Corée, en Chine et au Japon, et marginalement dans d’autres pays comme la Pologne. Ces fabricants sont pour la plupart des chantiers navals, qui ont par nature les moyens de soudage, d’usinage et de manutention de grosses pièces mécaniques. L’adjonction d’un moyen d’essais moteurs leur permet de construire ces moteurs à proximité des coques de navire en fabrication, pour les installer directement dans le navire avant la fermeture du pont. L’économie du transport entre l’usine de fabrication des moteurs et le point de livraison dans le chantier...
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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
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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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