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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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Besoins du marché maritime, raison d’être des moteurs lentsArticle inclus dans l'offre
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1. Moteurs lourds ou moteurs lents ?
Les évolutions techniques et historiques des moteurs 2 temps ont un leadership aux extrémités de la gamme, par des moteurs lourds aux puissances élevées, et par des moteurs légers aux puissances faibles ; ainsi, les moteurs 2 temps lourds couvrent la zone verte intitulée « marine » de la figure 1 [BM 2 650].
Par lourds et légers est adressé en premier lieu le poids de ces moteurs, puisque les premiers dépassent la tonne, voire le millier de tonnes, alors que les seconds font quelques kilogrammes ou dizaines de kilogrammes. C’est une conséquence directe des applications visées par ces machines, et de la puissance mécanique requise.
Une autre raison à cette distinction lourds/légers est le ratio poids/puissance, ratio qui est supérieur à 15 kg.kW−1 pour les premiers, inférieur à 2 kg.kW−1 pour les seconds.
Dans le cas des moteurs lourds, les concepteurs (et le marché) ont privilégié la rusticité et la simplicité du cycle 2 temps, gages de fiabilité, et les ont encore amplifiées par une structure mécanique encombrante et lourde, alors que dans l’autre cas, ont été recherché tous les avantages d’allègement qu’offre à priori le cycle 2 temps par rapport au cycle 4 temps, comme requis en particulier par les machines portatives, ou les petits engins mobiles.
En pratique, les professionnels ne parlent pas de « moteurs lourds à 2 temps », mais très communément de « moteurs lents » compte tenu de leur vitesse nominale de rotation. Celle-ci est inférieure à 200 t.min−1, alors que les autres moteurs industriels sont des moteurs à 4 temps, qui tournent entre 400 et 1 200 t.min−1 pour ceux dits « semi-rapides » et au-delà de 1 200 t.min−1 pour ceux dits « rapides », sans que la frontière ne soit formellement définie par une norme.
Dans la suite de l’article, les moteurs lourds à 2 temps seront donc désignés par moteurs lents.
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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).
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(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
-
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
-
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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