Moteur à gaz

Un moteur à gaz est un moteur à combustion interne qui fonctionne avec un gaz combustible (un combustible gazeux ), tel que le gaz de houille , le gaz de gazogène , le biogaz , le gaz de décharge , le gaz naturel ou l'hydrogène . Au Royaume-Uni et dans les pays anglophones britanniques , le terme est sans ambiguïté. Aux États-Unis , en raison de l'utilisation répandue de « gaz » comme abréviation pour l'essence (petrol), un tel moteur est parfois désigné par un terme plus explicite, tel que moteur à gaz ou moteur au gaz naturel .

Généralement, dans l'usage moderne, le terme moteur à gaz désigne un moteur industriel robuste capable de fonctionner en continu à pleine charge pendant des périodes approchant une fraction élevée de 8 760 heures par an, contrairement à un moteur d'automobile à essence, qui est léger, à haut régime et ne fonctionne généralement pas plus de 4 000 heures au cours de sa vie entière. La puissance typique varie de 10 kW (13 ch) à 4 MW (5 364 ch).

De nombreuses expériences avec des moteurs à gaz ont eu lieu au XIXe siècle, mais le premier moteur à combustion interne alimenté au gaz a été construit par l'ingénieur belge Étienne Lenoir en 1860. Cependant, le moteur Lenoir souffrait d'une faible puissance de sortie et d'une consommation de carburant élevée.

Les travaux de Lenoir furent approfondis et améliorés par un ingénieur allemand, Nicolaus August Otto , qui inventa plus tard le premier moteur à quatre temps à brûler efficacement du carburant directement dans une chambre à piston. En août 1864, Otto rencontra Eugen Langen qui, étant techniquement formé, entrevit le potentiel du développement d'Otto et, un mois après la rencontre, fonda la première usine de moteurs au monde, NA Otto & Cie, à Cologne. En 1867, Otto fit breveter sa conception améliorée et elle reçut le Grand Prix à l'Exposition universelle de Paris de 1867. Ce moteur atmosphérique fonctionnait en aspirant un mélange de gaz et d'air dans un cylindre vertical. Lorsque le piston s'est élevé d'environ 20 cm, le mélange de gaz et d'air est enflammé par une petite flamme pilote brûlant à l'extérieur, qui pousse le piston (qui est relié à une crémaillère) vers le haut, créant un vide partiel en dessous. Aucun travail n'est effectué sur la course ascendante. Le travail est effectué lorsque le piston et la crémaillère descendent sous l'effet de la pression atmosphérique et de leur propre poids, faisant tourner l'arbre principal et les volants d'inertie au fur et à mesure de leur chute. Son avantage par rapport à la machine à vapeur existante était sa capacité à être démarrée et arrêtée à la demande, ce qui la rendait idéale pour les travaux intermittents tels que le chargement ou le déchargement de barges.

Le moteur à gaz atmosphérique fut remplacé à son tour par le moteur à quatre temps d'Otto . La transition vers les moteurs à quatre temps fut remarquablement rapide, les derniers moteurs atmosphériques étant fabriqués en 1877. Les moteurs à carburant liquide suivirent bientôt, utilisant du diesel (vers 1898) ou de l'essence (vers 1900).

Le constructeur de moteurs à gaz le plus connu au Royaume-Uni était Crossley de Manchester, qui acquit en 1869 les droits britanniques et mondiaux (à l'exception de l'Allemagne) sur les brevets d'Otto et Langen pour le nouveau moteur atmosphérique à gaz. En 1876, ils acquièrent les droits sur le moteur à quatre temps Otto plus efficace.

Il y avait également plusieurs autres entreprises basées dans la région de Manchester . Tangye Ltd. , de Smethwick, près de Birmingham, a vendu son premier moteur à gaz, un modèle à deux temps de 1 CV nominal , en 1881, et en 1890, l'entreprise a commencé la fabrication du moteur à gaz à quatre temps.

Le musée des moteurs Anson à Poynton , près de Stockport , en Angleterre , possède une collection de moteurs qui comprend plusieurs moteurs à gaz en état de marche, y compris le plus grand moteur atmosphérique Crossley jamais fabriqué.

Les fabricants de moteurs à gaz comprennent Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce avec Bergen-Engines AS , Kawasaki Heavy Industries , Liebherr , MTU Friedrichshafen , INNIO Jenbacher , Caterpillar Inc. , Perkins Engines , MWM , Cummins , Wärtsilä , INNIO Waukesha , Guascor Energy, Deutz , MTU, MAN, Scania AB , Fairbanks-Morse , Doosan, Eaton (successeur d'un autre ancien grand actionnaire du marché, Cooper Industries ) et Yanmar . La puissance de sortie varie d'environ 10 kW (13 ch) de micro-cogénération à 18 MW (24 000 ch). D'une manière générale, le moteur à gaz moderne à grande vitesse est très compétitif avec les turbines à gaz jusqu'à environ 50 MW (67 000 ch) selon les circonstances, et les meilleurs d'entre eux sont beaucoup plus économes en carburant que les turbines à gaz. Rolls-Royce avec les moteurs Bergen, Caterpillar et de nombreux autres fabricants basent leurs produits sur un bloc moteur diesel et un vilebrequin. INNIO Jenbacher et Waukesha sont les deux seules entreprises dont les moteurs sont conçus et dédiés uniquement au gaz.

Les applications typiques sont les schémas de production de base ou à forte charge horaire, y compris la production combinée de chaleur et d'électricité (pour les chiffres de performance typiques, voir ), le gaz de décharge , le gaz de mine , le gaz de tête de puits et le biogaz , où la chaleur résiduelle du moteur peut être utilisée pour chauffer les digesteurs. Pour les paramètres d'installation typiques d'un moteur à biogaz, voir Pour les paramètres d'un système de cogénération à moteur à gaz de grande taille, tel qu'installé en usine, voir . Les moteurs à gaz sont rarement utilisés pour les applications de secours, qui restent en grande partie le domaine des moteurs diesel. Une exception à cette règle est le petit générateur de secours (< 150 kW) souvent installé par les fermes, les musées, les petites entreprises et les résidences. Connectés soit au gaz naturel du service public, soit au propane provenant de réservoirs de stockage sur site, ces générateurs peuvent être configurés pour démarrer automatiquement en cas de panne de courant.

Les moteurs au gaz naturel liquéfié (GNL) se développent sur le marché maritime, car le moteur à gaz pauvre peut répondre aux nouvelles exigences en matière d'émissions sans aucun traitement supplémentaire du carburant ou système de nettoyage des gaz d'échappement. L'utilisation de moteurs fonctionnant au gaz naturel comprimé (GNC) est également en croissance dans le secteur des bus . Parmi les utilisateurs au Royaume-Uni, on compte Reading Buses . L'utilisation de bus au gaz est soutenue par la Gas Bus Alliance et les fabricants incluent Scania AB .

Le gaz naturel , principalement le méthane , étant depuis longtemps un carburant économique et facilement disponible, de nombreux moteurs industriels sont conçus ou modifiés pour fonctionner au gaz, par opposition à l'essence . Leur fonctionnement produit moins de pollution par les hydrocarbures complexes et les moteurs présentent moins de problèmes internes. Un exemple est le moteur au gaz de pétrole liquéfié , principalement le propane , utilisé dans un grand nombre de chariots élévateurs . L'utilisation courante aux États-Unis du terme « gaz » pour désigner l'« essence » nécessite l'identification explicite d'un moteur au gaz naturel. Il existe également une notion telle que « l'essence naturelle », mais ce terme, qui désigne un sous-ensemble de liquides de gaz naturel , est très rarement utilisé en dehors de l'industrie du raffinage.

Un moteur à gaz diffère d'un moteur à essence par la manière dont le carburant et l'air sont mélangés. Un moteur à essence utilise un carburateur ou une injection de carburant . Mais un moteur à gaz utilise souvent un système Venturi simple pour introduire le gaz dans le flux d'air. Les premiers moteurs à gaz utilisaient un système à trois soupapes, avec des soupapes d'admission séparées pour l'air et le gaz.

Le point faible d'un moteur à essence par rapport à un moteur diesel réside dans les soupapes d'échappement, car les gaz d'échappement du moteur à essence sont beaucoup plus chauds pour une puissance donnée, ce qui limite la puissance de sortie. Ainsi, un moteur diesel d'un fabricant donné aura généralement une puissance maximale supérieure à celle du moteur à essence de même taille. Le moteur diesel aura généralement trois puissances nominales différentes : veille, puissance principale et puissance continue, c'est-à-dire puissance nominale sur 1 heure, puissance nominale sur 12 heures et puissance nominale continue au Royaume-Uni, tandis que le moteur à essence n'aura généralement qu'une puissance nominale continue, qui sera inférieure à la puissance nominale continue du diesel.

Différents systèmes d'allumage ont été utilisés, notamment les allumeurs à tube chaud et l'allumage par étincelle . Certains moteurs à gaz modernes sont essentiellement des moteurs à double carburant . La principale source d'énergie est le mélange gaz-air, mais l'allumage est assuré par l'injection d'un petit volume de carburant diesel .

Les moteurs à gaz qui fonctionnent au gaz naturel ont généralement un rendement thermique compris entre 35 et 45 % ( base PCI )., En 2018, les meilleurs moteurs peuvent atteindre un rendement thermique allant jusqu'à 50 % (base PCI). Ces moteurs à gaz sont généralement des moteurs à vitesse moyenne. Les moteurs Bergen L'énergie du carburant provient de l'arbre de sortie, le reste apparaît sous forme de chaleur perdue. Les gros moteurs sont plus efficaces que les petits moteurs. Les moteurs à gaz fonctionnant au biogaz ont généralement un rendement légèrement inférieur (~ 1 à 2 %) et le gaz de synthèse réduit encore davantage le rendement. Le récent moteur J624 de GE Jenbacher est le premier moteur à gaz 24 cylindres alimenté au méthane à haut rendement au monde.

Lors de l'évaluation de l'efficacité d'un moteur, il faut déterminer si celle-ci est basée sur le pouvoir calorifique inférieur (PCI) ou le pouvoir calorifique supérieur (PCS) du gaz. Les fabricants de moteurs citent généralement des rendements basés sur le pouvoir calorifique inférieur du gaz, c'est-à-dire le rendement après que l'énergie a été utilisée pour évaporer l'humidité intrinsèque du gaz lui-même. Les réseaux de distribution de gaz facturent généralement en fonction du pouvoir calorifique supérieur du gaz, c'est-à -dire de la teneur énergétique totale. Un rendement moteur cité basé sur le PCI peut être de 44 %, par exemple, alors que le même moteur peut avoir un rendement de 39,6 % basé sur le PCS au gaz naturel. Il est également important de s'assurer que les comparaisons d'efficacité sont sur une base comparable. Par exemple, certains fabricants ont des pompes à entraînement mécanique tandis que d'autres utilisent des pompes à entraînement électrique pour entraîner l'eau de refroidissement du moteur, et la consommation électrique peut parfois être ignorée, ce qui donne un rendement apparent faussement élevé par rapport aux moteurs à entraînement direct.

La chaleur rejetée par le moteur peut être utilisée pour chauffer un bâtiment ou un processus. Dans un moteur, environ la moitié de la chaleur perdue (provenant de la chemise du moteur, du refroidisseur d'huile et des circuits de post-refroidissement) se présente sous forme d'eau chaude, dont la température peut atteindre 110 °C. Le reste se présente sous forme de chaleur à haute température qui peut générer de l'eau chaude sous pression ou de la vapeur grâce à l'utilisation d'un échangeur de chaleur des gaz d'échappement .

Les deux types de moteurs les plus courants sont les moteurs refroidis par air et les moteurs refroidis par eau . Les moteurs refroidis par eau utilisent aujourd'hui de l'antigel dans les moteurs à combustion interne

Certains moteurs (à air ou à eau) disposent d'un refroidisseur d'huile supplémentaire.

Le refroidissement est nécessaire pour évacuer l'excès de chaleur, car une surchauffe peut provoquer une défaillance du moteur, généralement due à l'usure, aux fissures ou aux déformations.

La formule montre le besoin de débit de gaz d'un moteur à gaz dans des conditions normales à pleine charge.

où:

• PCI est le pouvoir calorifique inférieur du gaz

• Moteurs à gaz historiques
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  Moteur à gaz ordinaire de la compagnie nationale de 1905 de 36 cv
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  Moteur à gaz Körting 1903
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  Moteur à essence vertical Backus
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  Moteur à gaz horizontal Otto
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  Moteur à gaz vertical Otto
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  Moteur à gaz Westinghouse
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  Moteur à essence et dynamo Crossley
• 
  Première centrale électrique à deux moteurs à gaz
• 
  Moteur à essence de 125 ch et dynamo
• 
  Crossley Brothers Ltd., 1886 Moteur n° 1, moteur à essence monocylindre de 4,5 ch, 4 temps, 160 tr/min.
• 
  Moteur à essence Crossley 1915 (type GE130 No75590), 150 cv.
• 
  Moteur à gaz national
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  Moteur à essence haute puissance à balayage tandem de premier ordre
• 
  Moteur à gaz de haut fourneau avec cylindre de soufflage
• 
  Moteur à essence Stockport et dynamo à entraînement par courroie