Linjection d'eau dans les moteurs est une technique conçue et employée pour améliorer ou modifier les caractéristiques techniques ou le rendement d'un moteur à combustion interne. Connue depuis les débuts de la conception de ces moteurs, elle a connu une période de succès dans le domaine aéronautique, en particulier pendant la Seconde Guerre mondiale, mais reste relativement peu utilisée de nos jours.
Historique Le premier à avoir eu l'idée d'injecter de l'eau dans des moteurs à combustion interne est Pierre Hugon en 1865, sur son moteur à gaz, l'eau ayant prétendument « ordre de ralentir la combustion du gaz ». L'expérimentateur relève des courbes à l’indicateur thermique montrant que la courbe de détente s’améliore très sensiblement.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, plusieurs moteurs allemands, anglais et américains ont utilisé la technique de l'injection d'eau pour éviter pendant un certain temps la surchauffe de moteurs très puissants ; la liste de ces moteurs figure plus bas dans la section Utilisations.
Principe revendiqué L'eau prend la place d'une partie du carburant, ce qui diminue la consommation globale au prix d'une perte de puissance et de rendement. Ce dispositif a été utilisé sur des moteurs fonctionnant à très haute température afin d'éviter que ceux-ci ne se désagrègent du fait de la chaleur : l'eau est une source froide plus efficace que les gaz brûlés. Ceci a expliqué son utilisation massive sur de gros véhicules (avions, bus…) où la régulation de la température a pu être difficile.
Un autre principe est d'ajouter de l'eau sans changer le débit du carburant, ce qui a pour conséquence d'augmenter le débit massique dans la partie combustion, et donc d'augmenter la puissance disponible, mais au détriment du rendement. Ce principe a été utilisé dans les turbines à combustion industrielles de forte puissance pour diminuer le taux des oxydes d'azote (NOx) à l'échappement. Mais l'eau devant être déminéralisée avant injection, cette solution, coûteuse, utilisée sur des systèmes d'injection anciens, a vite laissé place à des systèmes de combustion produisant moins de NOx sans eau (Dry Low Nox (DLN)).
Aujourd'hui, l'injection d'eau est de nouveau considérée dans des moteurs essences automobiles, notamment pour remplacer l'injection de carburant sur des points haut RPM/haute charge où la température des gaz d'échappement pourrait endommager des composants, comme le turbocompresseur. En remplaçant l'injection tardive de carburant par une injection d'eau, la consommation s'en trouve améliorée sans effet négatif sur les caractéristiques fonctionnelles du moteur.
Un autre aspect positif de l'injection d'eau est sa capacité à réduire le cliquetis, ce qui permet d'avoir un taux de compression plus important et donc d'augmenter l'efficacité thermique des moteurs à essence. Dans cette perspective, l'injection d'eau se trouve en concurrence avec d'autres systèmes de dilution du mélange air/carburant tels que la recirculation des gaz d'échappement (en anglais, Exhaust Gas Recirculation, EGR). Il a été démontré qu'un ratio eau/carburant de 40 à 50 % est nécessaire pour obtenir le même effet que 10 % d'EGRConway, Graham, 2019. Injection of Alternative Fluids for Knock Mitigation. In: SAE, "International Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting" San Antonio, Texas, January 22-24, 2019. Toutefois, les avantages de l'injection d'eau en termes de contrôlabilité (contrairement à l'EGR, il ne s'agit pas d'une boucle fermée) et de stabilité de la combustion permettent de combiner injection d'eau et EGR, les deux s'appliquant à différents zones de fonctionnement du moteur.
Utilisation d'eau en phase gazeuse
Les différents procédés sont : Intégration d'une machine à vapeur dans le moteur, les cylindres de combustion étant souvent à la fois la chaudière et les chambres de détente. Injection de vapeur d'eau dans les cylindres. La vapeur d'eau est injectée en général avec l'air de combustion, pour des raisons de facilité.
Dans le dernier cas, l'énergie de vaporisation est prise sur le moteur directement sous forme thermique. Les ordres de grandeur des puissances récupérables à la source (la puissance crête d'un alternateur est de l'ordre de , ce qui est petit comparé aux moyens d'un moteur à combustion interne), ainsi que les bilans énergétiques globaux particulièrement peu documentés de ces modifications laissent penser que ces « améliorations » restent largement sujettes à caution (jamais d'essais normalisés sur banc moteur homologué par exemple). En effet, il y a inadéquation totale entre la quantité d'énergie chimique injectée et les effets prétendument « mesurés ».
La vaporisation de l'eau est extrêmement gourmande en énergie (c'est d'ailleurs l'effet de refroidissement induit qui est utilisé pour maîtriser les fumées d'incendies) — si la vapeur d'eau a une grande énergie cinétique, c'est qu'on la lui a fournie.
Utilisation d'un mélange eau-alcool Utilisée principalement dans le domaine militaire, l'injection d'un mélange eau-méthanol dans un moteur permet d'augmenter la puissance de celui-ci de façon temporaireLe circuit eau / méthanol du C-160 Transall Sur le site aviation-fr.info.
Principe Cette technique est utilisée depuis la Seconde Guerre mondiale pour fournir un supplément de puissance lors de situations particulières : en combat aérien pour un avion de chasse pour faciliter le décollage avec une forte charge d'un bombardier ou d'un avion de transport ou simplement pour compenser la perte de puissance moteur provoquée par une température ambiante élevée et/ou une altitude de décollage élevée.
Pour obtenir ce gain de puissance, on ajoute au carburant un mélange dosé à environ 50 % d'eau et 50 % de méthanol : Le méthanol augmente le pouvoir calorifique du carburantCarburant au lieu de kérosène, car peu d'avions de la Seconde Guerre mondiale utilisaient du kérosène.. L'eau permet de limiter l'augmentation de température et donc de fonctionner avec une pression de suralimentation supérieure ce qui augmente indirectement le rendement thermodynamique tout en réduisant la puissance motrice.
Sur les moteurs à explosion, le mélange est en général injecté directement dans la chambre de combustion ou dans le carburateur. Sur les turbopropulseurs et turboréacteurs, le mélange est injecté dans la veine d'entrée d'air du réacteur.
Il est évident que c'est le mélange qui permet d'obtenir cet effet, l'eau seule n'y parviendrait pas.
Utilisations Pendant la Seconde Guerre mondiale : sur le moteur allemand DB 605 équipant notamment les Messerschmitt BF109 et BF 110 sur le moteur allemand BMW 801 équipant les Focke-Wulf Fw 190 sur le moteur Pratt & Whitney R-2800-59 équipant les Republic P-47 Thunderbolt (à partir de la version P-47D) sur le moteur Packard V-1650-9 équipant le North American P-51H
Juste après la Seconde Guerre mondiale : sur le réacteur Pratt & Whitney J57 équipant les Boeing B-52 Stratofortress sur le réacteur General Electric J47 équipant les Boeing B-47 Stratojet.
Dans les années 1960/1970 : sur le turbopropulseur Rolls-Royce Dart RD21 du Breguet Alizé sur le turbopropulseur Rolls-Royce Tyne 22 de l'avion de transport C-160 Transall sur le turbopropulseur Rolls-Royce Tyne 21 de l'avion de patrouille maritime Atlantic 1 puis son successeur en France l'Atlantique 2 sur le réacteur Rolls-Royce Pegasus de l'avion de combat à décollage vertical Hawker Siddeley Harrier
Actuellement : Sur les véhicules à moteurs turbo-essence, l'injection permet de diminuer la température de la chambre de combustion et d'introduire un liquide ou gaz à haut pouvoir calorifique. La diminution de la température et l'augmentation du pouvoir calorifique augmentent considérablement les performances moteur en prévenant la casse moteur. BMW M4 GTS, introduite en 2015. Il s'agit d'une application dont l'objectif est la protection thermique des composants aval sur l'échappement (turbo...) lorsque l'on souhaite augmenter la puissance du moteur. Toutefois, il est généralement anticipé dans l'industrie automobile, que les futures applications se concentreront sur les économies de carburant.
Avantage et inconvénients Les avantages généralement relevés d'injection d'eau sont : abaissement de la température de fonctionnement du moteur (ce qui explique pourquoi ce genre de dispositifs est utilisé sur des moteurs puissants), utilisation comme charge pour changer de type de carburant sans changer le moteur (passage d'essence à méthanol par exemple), consommation de moins de carburant (au prix d'une perte nette de rendement), moins polluants au kilomètre (du fait de la consommation diminuée en carburant) ;
avec en contrepartie : diminution du rendement du moteur (réduction de la température du moteur), réduction de la puissance nominale du moteur (perte de rendement + débit de carburant moindre), nécessité d'embarquer un réservoir d'eau, rend inopérant les pots catalytiques actuels, coût de production d'un méthanol pur élevé (comparativement à l'essence ou au gazole pour compenser la réduction de puissance nominale), plus polluant au litre de carburant (du fait de la perte de rendement). risque de création d'acide nitrique (par mélange d'eau et de oxyde d'azote produit par la combustion du carburant) qui endommage la chambre de combustion.
Ce qui fait que cette technique ne fut utilisée que de manière limitée dans des situations particulières.
Récemment, Bosch a démontré, avec un système appelé "Water Boost", une augmentation possible des performances moteur de 5 % en parallèle d'une diminution de la consommation de carburant de 13 %Bosch WaterBoost – Bosch Mobility Solutions. des résultats similaires ont été présentés par FevThewes, M.; Baumgarten, H.; Scharf, J.; Birmes, G.; Balazs, A. et al., 2016 Water Injection – High Power and High Efficiency combined in: 25. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, expliquant l'engouement nouveau pour cette technologie.
Toutefois, le remplissage du réservoir d'eau avec de l'eau déminéralisée, est considéré comme un problème majeur à l'adoption et à l'acceptation de ces systèmes par les utilisateursPauer, T.; Frohnmaier, M.; Walther, J.; Schenk, P.; Hettinger, A.; Kampmann, S., 2016. Optimierung von Ottomotoren durch Wassereinspritzung. In: 37. Internationales Wiener Motorensymposium.
Génération de l'eau dans le véhicule Pour régler ce problème, différentes sources d'eau peuvent être utilisées, à l'intérieur même du véhicule : condensation de l'humidité de l'air dans le système de climatisation collecte de l'eau de pluie sur la surface extérieure du véhicule condensation dans les gaz d'échappement