Que signifient les caractéristiques d’un moteur thermique ? D'où viennent le couple et la puissance ? Quelle est l’incidence de l’hélice, du régime, sur le fonctionnement du moteur et sur la consommation ? Découvrez avec nous ce qui se passe dans la cale moteur (ou dans un hors-bord).
Le régime moteur se compte en tours par minute (RPM ou tr/min), il est indiqué sur le compte-tour. Il s'agit du nombre de tours du vilebrequin, une pièce qui transforme le mouvement de va et vient des bielles actionnées par les pistons en mouvement rotatif.
Le régime maximal est le régime moteur que ses réglages ne devraient pas permettre de dépasser.
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Cette valeur représente la force appliquée par les bras de levier des pistons sur le vilebrequin. C’est le couple qui permet de faire tourner l’hélice.
Un moteur doté de gros cylindres (forte cylindrée) contient un volume de mélange explosif (air carburant) plus important qu’un autre doté de petits cylindres. L’explosion dans un gros cylindre est plus puissante et elle entraîne une force, un couple, plus important sur le vilebrequin. Le couple s’exprime en Newton mètre (Nm).
La puissance est le produit (multiplication) du couple par le régime moteur. Plus le moteur tourne vite, plus sa puissance est élevée.
La puissance représente le travail fourni par le moteur.
Elle était exprimée en cheval vapeur, plus communément cheval ou chevaux au pluriel, horsepower ou HP en anglais.
Un HP c’est la puissance nécessaire pour soulever un poids de 75 kg à une vitesse de 1 mètre par seconde.
Un HP vaut 736 Watts ou 0,736 kW. Le Watt est l’unité internationale de puissance. 1000 Watts font un kiloWatt (kW).
Sur tous les moteurs, qu'ils soient à essence ou diesel, on peut matérialiser leur puissance à travers une courbe ascendante et convexe, où la puissance maximale est atteinte à un régime élevé.
Cette puissance maximale, atteinte à charge constante (travail demandé), est appelée la puissance nominale du moteur.
Sur le graphique représentant cette courbe, le régime moteur est indiqué en abscisse (axe horizontal) et la puissance en ordonnée (axe vertical).
Concernant les hélices, divers facteurs tels que le nombre, la surface et la forme des pales influencent l'énergie nécessaire pour les actionner en fonction de leur vitesse de rotation. Pour chaque hélice, une courbe spécifique peut être tracée, montrant la puissance nécessaire (en ordonnée) en fonction du régime moteur (en abscisse), utilisant les mêmes unités que celles de la courbe de puissance moteur. Cette courbe est généralement de forme concave.
L'intersection unique des courbes de puissance moteur et de puissance nécessaire de l'hélice représente le point de puissance maximale, ou nominale, et se produit au régime le plus élevé de la plus grande hélice compatible avec le moteur.
C'est sur cette base que les hélices sont dimensionnées par rapport aux moteurs.
En ce qui concerne la consommation de carburant, le rendement d'un moteur thermique varie en fonction de son régime et de la charge appliquée.
À chaque régime correspond une consommation spécifique effective, qui est représentée sur une courbe distincte. La consommation de carburant fluctue selon le rendement du moteur à différents régimes, avec une plage optimale de rendement. Il est donc préférable d'opérer le moteur dans les plages de consommation les plus économiques, identifiées comme zones vertes sur la courbe de consommation spécifique effective. Plus précisément, l'exploitation optimale se situe entre la courbe de puissance de l'hélice et la limite de puissance ou de couple de la zone de consommation spécifique, typiquement entre 1800 et 2500 RPM pour un moteur diesel et entre 2500 et 5500 RPM pour un essence.
La consultation d’une courbe de consommation spécifique permet de matérialiser les effets des sur et sous-régimes. Pour ces deux situations, la consommation augmente fortement dès qu’on sort de la zone verte ou centrale de consommation spécifique. On consomme plus en sous et en sur-régime.
Pour réduire le gaspillage d'énergie, l'utilisation d'une hélice à pas variable présente un grand intérêt.
L’hélice Overdrive, proposée par Gori, fait une solution efficace. Cette technologie permet d'atteindre la même vitesse à un régime moteur inférieur en augmentant le pas de l'hélice, ce qui augmente la charge sur le moteur.
Mais cette méthode est principalement adaptée aux conditions météorologiques favorables, car elle implique l'utilisation d'une hélice à pas plus élevé que celui normalement recommandé pour le régime maximal du bateau. Cette approche est basée sur le principe de convergence des courbes de puissance du moteur et de l'hélice à un second point optimal.
On voit bien sur le graphique précédent que les moteurs thermiques sont globalement peu efficaces en termes de rendement (le rapport énergie consommée, énergie restituée).
Une autre stratégie pour améliorer l'efficacité énergétique des moteurs thermiques consiste à appliquer une charge extérieure aux moteurs. L'objectif est d'ajouter une charge dont l'opération coûte le moins possible en termes d'énergie.
Sur le graphique coloré ci-dessus, à un régime de 2000 tours par minute (RPM) et un couple de 25 Newton-mètres (NM) à l'hélice, le moteur se trouve dans une zone de faible rendement.
En augmentant la charge à 150 NM tout en maintenant le même régime, le rendement s'améliore significativement, dépassant plus de deux fois celui observé à 25 NM de charge. Bien que la consommation de carburant augmente avec la charge, l'énergie produite par le moteur est également plus que doublée, rendant cette approche avantageuse en termes d'efficacité énergétique
Ajouter une charge sur un moteur, c’est par exemple l’utiliser pour faire du courant.
C’est le principe d’un alternateur. Les alternateurs heavy-duty sont des appareils capables de délivrer jusqu’à 3 kW en pointe, ils tirent leur énergie du mouvement du moteur et sont réglés pour fonctionner dans les plages de régime au rendement faible.
L’utilisation de ces appareils sur un moteur thermique permet de créer beaucoup de courant sans que la consommation du moteur n’augmente de manière énorme. L’augmentation de consommation étant masquée par le meilleur rendement de l’ensemble. Le “gaspillage” d'énergie est routé vers un appareil produisant du courant.
C’est un cercle vertueux !
