Un mécanicien en chef dirigeant un groupe auxiliaire à quatre temps de 6 000 kW a deux chiffres devant lui. Le prix de l'essence représente environ les deux tiers de celui du fioul à très faible teneur en soufre sur son trajet, et la culasse qu'il vient de retirer du service compte 12 000 heures de fonctionnement avec des sièges de soupape d'échappement usés. Ces deux chiffres expliquent presque tout sur le moteur bicarburant.
La réponse courte est simple. Un moteur bicarburant est un moteur diesel qui peut fonctionner au gaz comme carburant principal, en utilisant une petite quantité de carburant liquide comme source d'allumage, et qui peut revenir au carburant liquide chaque fois que l'opérateur en a besoin. La culasse est très importante car le mode gaz modifie la pression, le dégagement de chaleur et la charge des soupapes à l'intérieur de la chambre de combustion, et c'est dans la culasse que ces trois éléments arrivent. Ce qui suit couvre les deux voies de combustion, le coût réel du carburant pilote, la façon dont le taux de substitution diminue avec la charge et les détails des pièces qui déterminent si une tête de remplacement survit au mode gaz.
Ce qu'un moteur bicarburant fait différemment
Un moteur bicarburant démarre sa vie comme un moteur diesel. Le bloc, le vilebrequin, les bielles et la puissance restent dans la même classe, et le moteur conserve le principe d'allumage par compression qui a rendu le diesel fiable en premier lieu. Ce qui change, c'est le système d'alimentation en gaz, la conception de la chambre de combustion, le logiciel de commande et, sur la plupart des conversions à quatre temps, la culasse elle-même.
En mode gaz, le moteur brûle du gaz naturel et, dans certaines installations, du gaz de pétrole liquéfié ou du méthanol, comme principale source d'énergie. Une petite quantité de diesel ou de gazole marin est injectée comme carburant pilote et fournit l’énergie d’allumage. Étant donné que la flamme pilote allume la charge de gaz et d'air plutôt que l'inverse, le moteur conserve la même plage d'efficacité que le fonctionnement au diesel tout en ne produisant presque aucun oxyde de soufre. Lorsque l'alimentation en gaz est interrompue ou lorsque le navire est en manœuvre et que l'opérateur souhaite une réponse instantanée, le moteur revient en mode diesel après quelques cycles de combustion.
Les opérateurs choisissent le bicarburant pour trois raisons pratiques. Le premier est la conformité : le mode gaz réduit les oxydes d'azote d'environ 85 %, ce qui répond aux limites de l'OMI Tier III sans unité de réduction catalytique sélective. Le deuxième est le coût : sur de nombreuses routes, l'écart de prix entre le gaz naturel liquéfié et le fioul à très faible teneur en soufre couvre en quelques années le coût d'investissement plus élevé du moteur et du réservoir de gaz. Le troisième est l'optionnalité : le même moteur peut brûler n'importe quel carburant du marché et la réglementation le rend le moins cher ce mois-là.
Pour les gros moteurs principaux à deux temps, une approche largement utilisée injecte du gaz tard dans la course de compression à haute pression, ce qui maintient le cycle de combustion diesel d'origine intact et évite la perte de méthane non brûlé dans l'échappement.
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Deux voies de combustion, deux ensembles de charges
La plupart des discussions sur le bicarburant se résument au cycle utilisé par le moteur en mode gaz, car ce choix définit la pression du gaz, la quantité de carburant pilote, le niveau de glissement du méthane et les charges qui atteignent la culasse.
| Paramètre | Mode gaz basse pression | Mode gaz haute pression |
|---|---|---|
| Cycle de combustion | Otto, charge prémélangée | Diesel, flamme à diffusion |
| Pression d'alimentation en gaz | Environ 5 à 6 bars | Environ 300 à 350 bars |
| Point d'admission de gaz | Course d'admission, mélangée à de l'air | Compression tardive, directement dans le cylindre |
| Part de carburant pilote à pleine charge | Environ 1 pour cent | Environ 3 à 5 pour cent |
| Glissement de méthane | Mesurable, plus élevé à faible charge | Négligeable |
| Taux de compression | Inférieure, la limite de cognement s'applique | Niveau de gasoil standard |
| Service typique | Moteurs principaux auxiliaires et à vitesse moyenne à quatre temps | Gros moteurs principaux à deux temps |
| Caractéristiques principales à vérifier | Ports d'admission de gaz, sièges durcis, passages de refroidissement | Alésage de l'injecteur de gaz, ajustement du manchon, dureté du pont anti-incendie |
Aucune des deux voies n’est meilleure en termes absolus. La voie basse pression domine les moteurs auxiliaires à quatre temps et à vitesse moyenne, où le système de gaz est plus simple et l'espace des machines a de la place pour cela. La voie haute pression est utilisée sur les gros moteurs principaux à deux temps, où le glissement du méthane n'est pas acceptable et où un compresseur de gaz fait déjà partie de l'installation.
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Le mode gaz augmente la pression maximale du cylindre et modifie la forme de la courbe de dégagement de chaleur, de sorte que le poste d'incendie, les sièges de soupape et les cages de soupape subissent un cycle plus difficile qu'en service diesel pur. Dans les conversions à injection par port, la tête porte également des soupapes d'admission de gaz, ce qui signifie des alésages supplémentaires, des surfaces d'étanchéité supplémentaires et un deuxième chemin de fuite. Quiconque souhaite connaître l'arrière-plan de la pièce elle-même peut lire comment est construite une culasse et ce que fait chaque surface .
- Dureté et angle du siège de soupape, car le mode gaz fait fonctionner les soupapes d'échappement plus chaudes à charge partielle.
- La cage de soupape et le guide s'ajustent, car les guides usés entraînent un désalignement de la soupape et détruisent le siège.
- Propreté du passage de refroidissement, car un passage partiellement obstrué se transforme en un foyer fissuré.
- Alésages de soupape d'admission de gaz sur les moteurs convertis, qui doivent correspondre aux spécifications du kit de conversion.
La conséquence pratique est qu'une culasse de remplacement pour un moteur bicarburant ne peut pas être achetée uniquement en fonction de l'alésage. La version du moteur, le mode gaz et le kit de conversion modifient tous le dessin auquel la tête doit correspondre.
Partage pilote de carburant : quelle quantité de diesel est encore nécessaire
Le carburant pilote est la partie de la facture de carburant que les opérateurs oublient, et ce n'est pas un montant fixe. Le tableau ci-dessous montre les partages pilotes typiques pour cinq configurations.
Le graphique montre quelle part de l’énergie totale doit encore provenir du combustible liquide dans cinq configurations courantes. Un moteur quatre temps basse pression à pleine charge n'a besoin que d'environ 1 % de carburant de pilotage, c'est pourquoi les opérateurs considèrent le mode gaz comme étant presque entièrement alimenté au gaz. Poussez le même moteur jusqu'à un quart de charge et la part du pilote grimpe à environ huit pour cent, car le mélange devient trop pauvre pour s'enflammer de manière fiable sans plus d'énergie diesel. Les moteurs à deux temps haute pression fonctionnent à environ 3 % à pleine charge, et les conversions diesel-essence se situent à près de 5 % car leurs systèmes d'admission et de contrôle du gaz sont moins précis que ceux d'un moteur spécialement conçu. À faible charge, le chiffre de modernisation peut atteindre quinze pour cent, ce qui est suffisant pour modifier le calcul du coût du carburant pour un navire qui passe de longues périodes de manœuvres au port.
Le taux de substitution chute avant que le moteur ne soit à court de charge
Le taux de substitution est la part de combustible liquide que le gaz remplace réellement, et il n’est pas constant sur toute la plage de charge.
La courbe rouge montre un moteur bicarburant basse pression spécialement conçu avec un taux de substitution d'environ 40 pour cent au quart de charge et atteignant environ 95 pour cent à pleine charge. La courbe bleue montre un moteur diesel converti au fonctionnement au gaz, qui démarre à près de 25 pour cent au quart de charge et monte à environ 90 pour cent à pleine charge. L'écart entre les deux courbes est le plus grand à charge partielle, c'est-à-dire exactement là où les ferries, les embarcations portuaires et les navires de soutien offshore passent la plupart de leurs heures de fonctionnement. Une flotte qui calcule les économies à partir des chiffres indiqués sur la plaque signalétique à pleine charge les surestimera chaque fois que le cycle de service est dominé par la charge partielle. C'est pourquoi le profil de charge, et non la puissance du moteur, devrait déterminer le choix entre un moteur bicarburant d'usine et une conversion.
Quel est l'effet du mode gaz sur les émissions
Le mode gaz réduit tous les polluants réglementés par rapport au fonctionnement au combustible liquide, mais pas dans la même marge.
Les oxydes de soufre diminuent d'environ 99 pour cent car le gaz naturel ne contient presque pas de soufre, ce qui à lui seul satisfait au plafond mondial de 0,50 pour cent et aux limites de 0,10 pour cent à l'intérieur des zones de contrôle des émissions. Les particules diminuent d'environ 95 pour cent et les oxydes d'azote d'environ 85 pour cent, suffisamment pour atteindre le niveau III sans aucun dispositif de post-traitement. Le dioxyde de carbone ne diminue que d'environ 22 pour cent, car cette économie provient du rapport hydrogène/carbone du carburant plutôt que de la technologie de combustion. Le graphique montre également pourquoi le mode gaz est souvent décrit comme un outil de conformité plutôt que comme une solution climatique : les gains d’oxyde d’azote et de soufre sont importants et immédiats, tandis que le gain de carbone est modéré. À mesure que les règles sur l’intensité carbone se durcissent, le fonctionnement bicarburant aide une flotte à rester conforme, mais il ne permet pas à lui seul une décarbonation profonde.
Moteur bicarburant spécialement conçu ou conversion
Les deux options fonctionnent au gaz, mais elles ne se comportent pas de la même manière, et la comparaison radar ci-dessous les note selon les six critères que les opérateurs évaluent le plus souvent.
Les deux formes sont notées de zéro à cent selon six critères, et une forme plus grande est préférable. Le moteur spécialement conçu est leader en termes de flexibilité du carburant, de marge en oxyde d'azote et de dioxyde de carbone, car sa chambre de combustion, son calage des soupapes et ses cartes de contrôle ont été conçus pour le gaz dès le départ. La conversion obtient de meilleurs résultats en termes de facilité de modernisation, car elle maintient un moteur existant en service au lieu de le remplacer, et elle reste compétitive en termes d'économies de carburant. Le point le plus faible pour les deux est la durée de vie supérieure des composants, car le mode gaz augmente la pression de pointe et modifie le dégagement de chaleur, de sorte que les sièges de soupape, les cages de soupape et le plateau coupe-feu de la culasse travaillent plus dur qu'en service diesel pur. Une conversion réduit encore cette marge, c'est pourquoi les têtes de remplacement pour les moteurs convertis doivent toujours être vérifiées par rapport aux spécifications du mode gaz plutôt qu'au dessin diesel d'origine.
Approvisionnement en culasses pour une flotte bicarburant
L’achat de moteurs bicarburant est essentiellement un problème d’appariement. La même famille de moteurs peut exister en versions diesel, gaz basse pression et gaz haute pression, et la culasse diffère entre elles sur des points mineurs mais essentiels : diamètre du manchon d'injecteur, matériau du siège de soupape, orifices d'admission de gaz et disposition des passages de refroidissement. Une culasse adaptée à la version diesel d'un moteur peut physiquement se boulonner sur la version à essence et néanmoins tomber en panne prématurément, car le matériau et la dureté du siège n'ont jamais été spécifiés pour la pression de pointe plus élevée.
La liste de contrôle avant de commander est courte. Confirmez le modèle du moteur et la version de construction, pas seulement l'alésage. Confirmez si le moteur fonctionne en mode gaz basse pression ou haute pression. Confirmez si la tête a besoin d'alésages de valve d'admission de gaz. Confirmez l'angle du siège de soupape et les exigences en matière de dureté. Confirmez ensuite le délai de livraison et l'état des stocks, car un navire qui attend de pied ferme est un navire qui ne rapporte rien.
Zhoushan Putuo Dongfang Machinery fournit des pièces de rechange de culasse pour moteurs diesel marins, couvrant les familles de moteurs auxiliaires à quatre temps et à vitesse moyenne qui apparaissent dans les projets de conversion de gaz ainsi que dans le service diesel conventionnel, y compris 
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La gamme complète, y compris les unités pour moteurs diesel domestiques, est répertoriée dans le catalogue de pièces de rechange de culasse , où chaque page indique la famille de moteurs avec laquelle la tête est compatible.
Le chiffre qui décide finalement si le bicarburant est rentable n'est pas la répartition du carburant en soi, mais l'intervalle d'entretien haut de gamme qui le sous-tend. Un moteur fonctionnant au gaz pendant 6 000 heures par an soumet sa culasse à plus de cycles thermiques qu'un moteur diesel soumis au même service, et la culasse est un consommable dans ce calcul. La planification des remplacements en fonction de la version du moteur, de la spécification du mode essence et du profil de charge réel permet de maintenir une flotte bicarburant conforme et disponible sans transformer une économie de carburant en surprise de maintenance.
