MOTEURS A COMBUSTION INTERNE

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1 Les machines élévatoires 193 MOTEURS A COMBUSTION INTERNE Dans les régions où il n'y a pas encore une alimentation en énergie électrique, la source principale d'énergie dans la gamme de CV est le moteur à combustion interne sous ses deux types, le moteur à essence à allumage par étincelle, et le moteur diesel à allumage par compression. L'utilisation à grande échelle du moteur à combustion interne s'explique essentiellement par son rapport puissance/poids élevé, par sa compacité, et son démarrage instantané. Ce qui a permis son utilisation systématique dans les moteurs d'automobile en particulier, et généralement dans les machines isolées et des petites barques. La fabrication en série et la diminution du prix de l'essence (jusqu'en 1973) ont permis l'utilisation des petits moteurs conçus sur le même modèle des moteurs d'automobiles, et qui sont devenus le meilleur choix tant qu'au prix d'achat qu'à l'exploitation. Depuis les chocs pétroliers de 1973 et de 1979, la tendance à la baisse du prix du pétrole s'est généralement inversée, malgré la baisse transitoire des prix du pétrole au milieu des années 80, et qui a duré quelques années. Toutefois, malgré la nouvelle baisse du prix brut (en dollars EU), on observe encore une pénurie de carburants pétroliers dans plusieurs pays en voie développement, ces derniers n'étant pas en mesure d'importer des quantités suffisantes de pétrole. D'une manière presque générale, les pénuries les plus graves frappent essentiellement les zones rurales. Autrement dit, justement là où les exploitants ont besoin de l'énergie pour l'irrigation par pompage. Cette pénurie de carburant réelle ou potentielle est à l'origine de l'intérêt réel accordé aux autres solutions de remplacement qui seront revues par la suite à la fin de ce chapitre. La grande souplesse des moteurs à combustion interne rend très inutile tout effort d'innovation à entreprendre par ailleurs. Différents types de moteurs à combustion interne Cette publication n'a nullement pour objet de décrire en détail tous les aspects techniques des moteurs. On en trouve dans la plupart des manuels de référence parus sur ce thème. D'autre part les constructeurs et les concessionnaires fournissent normalement tous les détails nécessaires sous la forme de brochures commerciales. Toutefois, lorsqu'on compare les différents types de moteurs qui existent, on voit tout de suite la grande diversité de moteurs disponibles, même pour une certaine gamme de puissance déterminée. Moteurs diesel et moteur à essence/kérosène Les deux principales catégories de moteurs envisagées sont les moteurs à combustion interne ou les moteurs diesel et les moteurs à allumage par étincelle ou les moteurs à essence, à kérosène ou à gaz de pétrole liquéfié. Le GPL ou gaz de pétrole liquéfié fourni en bouteilles est généralement du propane ou du butane. L'allumage du carburant des moteurs à combustion interne est produit par réchauffement d'une masse d'air comprimée subitement. Un nuage de fines gouttelettes de carburant est pulvérisé à très haute pression dans le cylindre par la buse de l'injecteur, juste au moment où la température devient suffisamment élevée pour provoquer l'allumage. D'autre part, dans les moteurs à allumage par étincelle, le carburant vaporisé est mélangé avec l'air. Le mélange obtenu est ensuite comprimé et l'allumage est réalisé au moment voulu par l'étincelle électrique d'une bougie d'allumage installée dans le cylindre. Les moteurs

2 194 Alimentation en énergie des installations de pompage diesel doivent donc être plus lourds et de construction plus robuste pour pouvoir supporter les pressions élevées nécessaires pour l'allumage par compression. Ils doivent en outre comporter une pompe de dosage et d'injection à haute pression pour injecter la quantité voulue du carburant au moment approprié. Bien que ces pompes soient fabriquées en série, les pompes à injection et les injecteurs de moteurs diesel sont fabriqués dans des limites de tolérance d'usinage très strictes, ils sont par conséquent des pièces coûteuses. Leur fonctionnement exige en outre l'utilisation de combustible propre et un entretien vigilant pour qu'il soit fiable. Les moteurs à essence et à kérosène sont certainement plus légers, plus compacts et généralement meilleur marché que les moteurs diesel. Bien que les moteurs diesel soient intrinsèquement plus coûteux à l'achat, cet inconvénient est compensé par un rendement meilleur, une plus grande fiabilité et longévité. Leur maintien en bon état de fonctionnement est néanmoins plus difficile. Les raisons principales de leur meilleur rendement sont: premièrement, le taux de compression élevé qui permet au moteur diesel de "respirer plus profondément", c'est-à-dire d'aspirer un volume d'air plus important par course du piston par rapport au volume de la chambre de combustion; deuxièmement, l'injection du carburant permet l'utilisation d'emblée d'un mélange air-carburant plus pauvre que le moteur équivalent à allumage par étincelle. Il est en effet impossible de concevoir un moteur à allumage par étincelle fonctionnant à un taux de compression aussi élevé. Il en résulterait alors un allumage prématuré du mélange air-carburant, provoquant un cognement ou un cliquetis. Un autre avantage moins bien connu du moteur diesel, c'est que le pouvoir calorifique du carburant diesel dépasse de 18% celui de l'essence (principalement à cause de sa plus forte densité). Le tableau 14 indique le pouvoir calorifique des trois principaux carburants à base de pétrole. Le carburant étant généralement vendu au litre ou bien dans une unité de mesure équivalente (par exemple en gallons) et non au poids ou au pouvoir calorifique, la valeur énergétique d'un litre de carburant diesel serait donc supérieure de 18% à la valeur énergétique d'un litre d'essence. Le moteur diesel est donc généralement meilleur en tant que source d'alimentation en énergie, tant au niveau de son rendement qu'au niveau de sa fiabilité. En cas d'utilisation pour le pompage, le choix entre le moteur à essence ou bien diesel dépend essentiellement de l'importance du pompage. Le moteur à essence ou à kérosène est essentiellement indiqué si l'on veut avoir un petit système léger et portatif, fonctionnant 1 à 2 heures par jour, à entretien facile, et enfin lorsque le budget du projet est très limité - c'est-à-dire si l'agriculteur dispose seulement d un montant très réduit à investir. TABLEAU 14 Comparaison des différents carburants pétroliers pour lesmoteurs Unités Pétrole essence Paraffine/ kérosène carburant diesel/ gazole MJ/I MJ/kg kwh/l

3 Les machines élévatoires 195 kwh/kg CVh/gal EU Cvh/lb 4,1 4,2 4,5 Le moteur à kérosène est tout à fait semblable au moteur à essence. Par suite, le démarrage et réchauffement de la plupart des moteurs à kérosène sont faits avec de l'essence, car le kérosène ne s'évapore pas parfaitement dans un moteur froid. Pour cela, la plupart des moteurs à kérosène comportent un compartiment distinct à l'intérieur du réservoir de carburant pour disposer d'une petite réserve d'essence et d'un robinet pour le passage d'un carburant à l'autre, c.-à-d. au kérosène une fois le moteur chaud. D'autre part il est important de repasser à l'alimentation en essence juste avant l'arrêt de sorte que la cuve à flotteur du carburateur soit remplie d'essence pour le prochain démarrage. Certains agriculteurs démarrent les moteurs à kérosène en versant tout simplement l'essence dans la bouche d'entrée d'air. Cette pratique est complètement à déconseiller puisqu'elle peut occasionner un incendie. L'intérêt que présente ce genre de moteurs vient du fait que le kérosène est normalement subventionné ou bien complètement détaxé pour l'agriculture, et que d'autre part, du fait que son pouvoir énergétique dépasse de 10% celui de l'essence. Normalement la taxe imposée à l'essence dans la plupart des pays est trop élevée puisqu'il est en premier lieu un carburant pour les voiture automobiles. Par suite les frais de carburant dans le cas du kérosène sont donc généralement bien inférieurs à ceux de l'essence. De plus, le stockage en grande quantité du kérosène est bien moins dangereux que le stockage de l'essence car il est nettement moins inflammable. Le kérosène est aussi utilisé pour l'éclairage et la cuisine dans la plupart des ménages ruraux, ce qui rend le kérosène un carburant à usage multiple. TABLEAU 15 Comparaison des petits moteurs à combustion interne pétrole/ essence paraffine/ kérosène diesel/gazole haut régime bas régime Rendement moyen carburant/puissance à l'arbre % Poids par kw de puissance nominale (kg) Durée de vie (normale) h h h h Vitesse de rotation (tr/min) Durée optimale de fonctionnement 0, journalier (h) Puissance nominale typique pour l'irrigation à petit et moyenne échelle (kw) Le tableau 15 présente une comparaison des caractéristiques générales des trois principaux types de moteurs à combustion interne. On y voit que les moteurs diesel sont subdivisés en deux grandes catégories, à faibles et à grandes vitesses. Les premiers

4 196 Alimentation en énergie des installations de pompage ont des vitesses de rotation de 450 à 1200 tr/min. et ils sont à puissance nominale égale généralement plus lourds et plus coûteux que ceux de la deuxième catégorie dont la vitesse de rotation varie de 1200 à 2500 tr/min. Les moteurs diesel à faible vitesse ont plutôt une durée de vie plus longue. De plus ils s'adaptent mieux à un fonctionnement ininterrompu, ou à de longues périodes d'utilisation, cependant leur coût d'achat initial est plus élevé. Relation entre dimensions, vitesse et dura bitité Tous les moteurs à combustion interne sont caractérisés généralement à puissance égale par un prix d'achat initial (lié dans une certaine mesure au poids) d'autant plus faible, une durée de vie utile d'autant plus courte, qu'ils sont de petites dimensions et plus légers. Cela tient au fait que le fonctionnement d'un moteur à grande vitesse est caractérisé normalement par un important rapport puissance/ poids. Plus la vitesse de rotation est élevée, et plus sa consommation en mélange air/carburant est forte, plus la quantité d'énergie d'alimentation serait importante. D'autre part, un moteur à vitesse de rotation plus élevé s'use plus rapidement pour la simple raison que la développée de la distance parcourue par ses pièces en mouvement et en contact est plus longue au cours d'un certain nombre d'heures de fonctionnement donné. Il faut donc trouver un compromis entre choisir des moteurs lourds, coûteux et à faible vitesse ou bien des moteurs rapides et moins chers pour une même puissance nominale. Par conséquent, les moteurs légers et de petites dimensions sont plutôt indiqués lorsque le choix de l'installation est dominé par des contraintes de portabilité du moteur et par le capital limité au départ. Dans la plupart des cas, et en particulier lorsque l'installation fixe est caractérisée par de longues heures de fonctionnement continu par jour, il est plutôt conseillé d'installer un moteur suffisamment lourd, à vitesse de rotation faible, si l'on veut garantir une bonne fiabilité et une longueur durée de vie. En règle générale, les moteurs légers à allumage par étincelle sont plutôt utilisés dans les installations de moins de 500 heures de fonctionnement par saison. Réduction de la charge Si le moteur fonctionne d'une manière continue à la puissance nominale, l'usure prématurée va se produire. Tous les moteurs doivent par conséquent être utilisés à une puissance plus faible que la puissance nominale indiquée par le constructeur qui doit être considérée comme la puissance maximale susceptible d'être fournie par le moteur pour de courtes périodes. La puissance d'utilisation des petits moteurs est normalement 70 à 80% de leur puissance nominale. En fonctionnement continu, un moteur de 5 kw de puissance nominale ne devrait délivrer plus de 3.5 à 4. O kw. La réduction de la puissance d'utilisation d'un moteur vise essentiellement à éviter une usure prématurée, mais aussi à obtenir le rendement optimal qui correspond dans la plupart des cas à une vitesse de rotation de 70-80% de la vitesse de rotation à la puissance maximale. Par conséquent, la réduction de puissance nominale d'un moteur aurait pour effet de réduire sa consommation propre en carburant c'est-à-dire la quantité de carburant nécessaire par unité de puissance fournie. La puissance nominale doit être aussi réduite lorsque la pompe est installée à haute altitude ou bien lorsqu'elle travaille dans un climat chaud. Les catalogues des constructeurs indiquent les corrections à faire à cet égard. Typiquement, une réduction

5 Les machines élévatoires 197 supplémentaire de 10% est recommandée par tranche de 1000 m d'altitude par rapport aux caractéristiques au niveau de la mer, et une autre réduction 1 % par tranche de 5 ' de température au-dessus de la température ambiante de 16 mesurée à la tubulure d'entrée d'air du moteur. Par suite, à 2000 m d'altitude et pour une température ambiante de 26 C, la puissance nominale d'un moteur devrait être corrigée par le facteur de 0,8 (en règle générale) multiplié par un autre facteur de 0,8 pour tenir compte de l'altitude et de 0,98 pour la correction due à l'augmentation de la température, soit d'un facteur global de 0,63. La charge à appliquer au moteur doit être donc 63% de sa puissance nominale initiale. Pour une charge de 2000 W il faudrait donc un moteur dont la puissance nominale serait de 2000/0,63 soit 3,2 kw (4,3 CV) dans ces conditions de fonctionnement. Cependant, il faut éviter la réduction excessive de la puissance nominale en particulier avec les moteurs diesel, car le fonctionnement du moteur dans ces conditions provoque la cokéfaction du cylindre. De plus, le rendement sera plus faible que dans les conditions normales de fonctionnement. Moteurs à quatre temps ou à deux temps Les moteurs à allumage par étincelle ainsi que les moteurs à allumage par compression peuvent être conçus de façon que l'allumage intervient un tour sur deux (moteurs à quatre temps) ou bien une fois par tour (moteur à deux temps). Le moteur à allumage par étincelle à quatre temps est généralement d'un rendement supérieur. En effet, le tour sans allumage laisse assez de temps pour l'introduction du carburant frais, et il permet en outre l'évacuation du gaz résultant de l'allumage précédent. Dans les moteurs à allumage par étincelle à deux temps, l'évacuation des gaz est moins bonne que pour les moteurs à quatre temps. Cependant le rendement des moteurs diesel à deux temps n'est pas affecté de la même manière, mais la gamme des puissances qu'ils couvrent est généralement celle des puissances fortes, par suite ils ne sont d'aucun intérêt pour l'irrigation à petite échelle. Le moteur à deux temps à allumage par étincelle est généralement léger, comportant normalement moins de pièces qu'un moteur à quatre temps, et il est moins cher. Les moteurs de mobylette sont un exemple type des moteurs à deux temps. Cependant ils ne sont pas aussi utilisés pour l'irrigation que les moteurs à quatre temps, à cause de leur consommation élevée en carburant, et puisqu'ils s'usent plus rapidement. La plupart des moteurs à deux temps à allumage par étincelle mettent à profit la course descendante du piston pour l'introduction du mélange air/carburant dans le cylindre. Il est alors impossible de lubrifier le moteur par une alimentation séparée d'huile, par suite le lubrifiant est mélangé avec l'essence (mélange deux temps). Cette disposition ne requiert donc pas un circuit de vidange. Mais d'un autre coté, il y aurait un gaspillage de lubrifiant, évacuation du gaz d'échappement en fumée, et d'autre part ces moteurs nécessitent la décokéfication fréquente du cylindre (décarbonisation de la culasse). D'autre part ils peuvent s'abîmer si un opérateur novice omet de mélanger de l'huile au carburant dans des proportions adéquates ou il utiliserait une qualité d'huile inadéquate. Pour ces raisons, les moteurs à deux temps à allumage par étincelle ont tendance à disparaître et à être remplacés par les moteurs à quatre temps. Refroidissement par air ou par eau

6 198 Alimentation en énergie des installations de pompage Près du tiers de la chaleur produite par la combustion du carburant est obligatoirement évacuée dans les parois du cylindre et dans la culasse. Deux méthodes sont généralement utilisées à cet effet pour empêcher la surchauffe des cylindres. Elles consistent soit à entourer le cylindre d'une chemise comportant un circuit de circulation d'eau interne et d'un radiateur distinct, soit à fixer un grand nombre d'ailettes de refroidissement à la surface des cylindres (afin d'augmenter sa surface efficace) et à souffler de l'air à l'aide d'un ventilateur installé à une certaine distance du moteur. Quelques petits moteurs anciens à faible vitesse et de faible puissance sont munis d'une chemise d'eau, ouverte à la partie supérieure et dont la température peut être maintenue suffisamment basse du fait de l'absorption de la chaleur par l'eau jusqu'à l'ébullition. Le niveau d'eau doit être rétabli de temps à autre. Toutefois, la plupart des moteurs modernes à refroidissement liquide sont munis d'une pompe assurant la circulation du liquide de refroidissement, de la même manière que pour les moteurs automobiles. Chacune de ces méthodes de refroidissement a ses avantages et ses inconvénients. Les moteurs refroidis à l'eau sont d'une manière générale légèrement plus silencieux, et leur température peut être plus facilement régulée que les moteurs à refroidissement par air en utilisant un thermostat. Toutefois, les moteurs à refroidissement à l'eau sont sujets à la corrosion interne, aux fuites d'eau à l'évaporation ou au gel de l'eau. Ce dernier problème peut être évité grâce à l'utilisation d'un antigel (glycol éthylène) mélangé à l'eau de refroidissement en hiver. La plupart des produits antigel contiennent également des inhibiteurs de corrosion, et ils pourraient donc être utiles même dans des conditions climatiques normales. Une fuite de l'agent de refroidissement pourrait constituer un grave danger si le moteur reste en marche. Plusieurs dispositifs de protection sont mis point afin de signaler un échauffement excessif (dû à une perte d'agent de refroidissement ou pour toutes autres raisons), même de couper automatiquement l'arrivée de carburant et d'arrêter le moteur. Les moteurs à refroidissement par air ne sont pas sujets aux fuites de l'agent de refroidissement. Cependant il faut toujours veiller à ce que les ailettes de refroidissement ne soient pas recouvertes de poussières ou de saletés, et que le ventilateur (quand il est monté) soit propre et fonctionne correctement. FIGURE 98 Moteur diesel monocylindre à faible vitesse, à volant extérieur

7 Les machines élévatoires 199 FIGURE 99 Moteur diesel Lister à trois cylindres à entraînement par courroie, accouplé à une pompe centrifuge, par l'intermédiaire de courroies multiples en V Les cylindres

8 200 Alimentation en énergie des installations de pompage Les moteurs les plus petits comportent normalement un cylindre monté verticalement au-dessus du vilebrequin afin de faciliter l'accès aux principaux organes du moteur et de faciliter en outre l'installation d'une vidange d'huile juste au point de purge du cylindre. Il est nécessaire de prévoir un grand volant pour régulariser la puissance fournie par un moteur à cylindre unique car les vibrations excessives peuvent créer des problèmes de résonance et de fatigue des pièces, et de desserrage des écrous et des boulons. Les moteurs diesel monocylindres à faible vitesse doivent être munis de volants particulièrement lourds puisqu'ils sont équipés de pistons et de bielles particulièrement lourdes à fonctionnement lent. Les modèles traditionnels sont dits à volant ouvert (figure 98) ou à volant extérieur. Tandis que les moteurs diesel plus récents à grande vitesse sont normalement munis d'un volant incorporé sous le châssis du moteur (voir figure 99). Les moteurs des dimensions plus importantes sont généralement à plusieurs cylindres. Les moteurs à deux cylindres fournissent une puissance plus régulière, puisque leur allumage se produit à tour de rôle et que les cylindres s'équilibrent mutuellement. Par suite les moteurs à plusieurs cylindres ont un fonctionnement plus régulier et ils sont plus silencieux que les autres types de moteurs de même puissance mais à un nombre plus réduit de cylindres. D'autre part il est clair que plus le nombre des cylindres est élevé, plus les éléments du moteur sont nombreux. Par suite, un moteur multi-cylindre serait plus coûteux et plus complexe à réparer et à entretenir. Caractéristiques spéciales et accessoires La plupart des petits dispositifs de pompage sont munis d'un démarreur à manivelle ou d'un démarreur à cordon de traction (à recul). Le premier système est le plus souvent utilisé sur les petits moteurs diesel, tandis que le second est le plus utilisé avec les petits moteurs à essence. Les moteurs diesel sont souvent munis d'une soupape de décompression destinée à faciliter le démarrage. La réouverture partielle d'une soupape permet d'avoir une légère détente lorsque le piston remonte pendant la course de compression, ce qui facilite l'entraînement manuel du moteur jusqu'à une certaine vitesse à laquelle la soupape de décompression se ferme brusquement, et que d'autre part l'inertie du volant soit à même d'entraîner le mécanisme, et de provoquer l'allumage et le démarrage du moteur. Les gros moteurs sont pour la plupart équipés d'un système de commande électrique auxiliaire et d'une batterie alimentant un démarreur électrique. Pour les moteurs à allumage par étincelle il faut en général disposer d'une batterie pour assurer l'allumage, mais pour les très petits moteurs l'allumage peut être fait à l'aide d'une bobine (magnéto) qui produit et règle l'étincelle d'allumage en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Les moteurs équipés d'un système électrique ou ceux accouplés à des génératrices sont parfois munis de plusieurs types d'équipements électroniques de contrôle destinés à signaler ou à éviter les dommages qui pourraient se produire suite à un échauffement excessif, ou à une perte de lubrifiant, etc. Malgré leur complexité, une bonne partie des dispositifs ci-dessus ne sont pas trop coûteux et constituent donc un bon investissement. Le filtre à air, en particulier dans les régions à vent poussiéreux, est un accessoire vital mais souvent négligé. Il s'agit normalement soit d'un filtre à éléments en papier amovibles comme ceux de la plupart des voitures, qui sont périodiquement remplacés chaque fois qu'ils sont encrassés ou déchirés, soit d'un filtre à bain d'huile. La dernière solution est nettement plus chère, mais elle est d'une efficacité et d'une commodité

9 Les machines élévatoires 201 nettement supérieures pour l'usage agricole, puisqu'à la limite on peut même utiliser de l'huile de vidange d'un moteur. Un filtre à air usé ou en mauvais état de fonctionnement pourrait considérablement réduire la durée de vie d'un moteur. Cette situation n'est pas perçue par les agriculteurs dans la plupart des cas, à en juger par le nombre de moteurs que l'on voit tourner sans aucun filtre à air. Installation Les moteurs les plus petits sont généralement montés sur patins ou à l'intérieur d'une petite cage et ne requièrent pas par conséquent des travaux importants d'installation mis à part le raccordement de leur pompe au réseau de transport d'eau. Par contre pour les engins plus importants, et pour certains moteurs diesel, il y a lieu de les installer proprement, soit sur une dalle en béton, soit sur un chariot ou un châssis approprié. La plupart des fabricants donnent des spécifications détaillées, quand il est nécessaire, des fondations de toute installation de pompage entraîné par un moteur. Ces spécifications doivent être strictement observées. Dans la plupart des cas il s'avère nécessaire d'enfermer le moteur dans un petit local à verrouillage, pour des raisons de sécurité. Il est néanmoins essentiel que le local en question soit bien aéré et que les gaz d'échappement soient convenablement évacués vers l'extérieur. Cela vise non seulement à éviter les risques graves d'intoxication par les gaz d'échappement, mais aussi bien tout échauffement excessif du moteur. Egalement, les moteurs accouplés directement aux pompes centrifuges doivent parfois être installés dans un regard ou un puisard aussi près que possible du plan d'eau pour éviter les hauteurs d'aspiration excessives. Il faut observer des normes de montage très strictes pour ce genre d'installations, de façon à éliminer les risques d'intoxication par les émanations des d'échappement ou bien les vapeurs d'huile. L'oxyde carbone des gaz d'échappement des moteurs à allumage par étincelle peut provoquer fréquemment, et provoque effectivement, des accidents mortels. Il faut d'autre part, veiller à ce que le niveau d'eau ne monte jusqu'au point de noyer le moteur. Rendement des systèmes de pompage actionnés par des moteurs Il s'agit là d'un sujet controversé, et les publications disponibles ne donnent guère de données fiables quant aux performances effectivement obtenues sur le terrain. Quelques essais ont été effectués sur des installations "types" de pompage d'irrigation. Certains ont donné contre toute attente des rendements trop faibles. Par exemple, Jansen [32] reportant des essais réalisés au Sri Lanka sur trois petits groupes de pompage actionnés par des moteurs à kérosène, d'une puissance d'environ 2 à 3 CV, il fait état de rendements globaux compris entre 0,75 et 3,5%, bien que les rendements du groupe motopompe (sans canalisation) aient été compris entre 2,6 et 8,8%. Or, les pertes de charge excessives de frottement dans les canalisations sont à l'origine du rendement modique du système. Malheureusement, ce genre de pertes est couramment rencontré dans des installations. Dans la plupart des cas, les raisons essentielles de la baisse du rendement peuvent être facilement éliminées et à faible coût, pourvu que l'on admette leur existence. Malheureusement il est toujours courant de laisser fonctionner une installation de pompage loin de son rendement optimal sans même s'en rendre compte. En effet, la

10 202 Alimentation en énergie des installations de pompage perte de puissance pourrait facilement être compensée en laissant fonctionner le moteur beaucoup plus qu'il n'est en réalité nécessaire. Le diagramme de la figure 100 indique les principaux éléments d'une installation de pompage équipé d'un moteur d'entraînement, et les rendements pouvant être obtenus pour chacun d'eux. Nous allons donner quelques détails à propos de chaque élément afin d'expliquer les raisons pour lesquelles les rendements d'ensemble des systèmes sont parfois si mauvais, et comment y remédier. Premièrement, le gaspillage et le coulage du carburant peuvent atteindre dans certains cas une proportion allant de 0 à 10%. Autrement dit, seulement 90 à 100% du carburant acheté est réellement utilisé (voir diagramme). Le gaspillage peut être lié non seulement aux opérations de transport, mais aussi à un défaut d'étanchéité des installations de stockage ou très fréquemment à des fuites soit au niveau de la canalisation d'alimentation, soit au niveau de raccords. Plus précisément la présence sur le sol audessous des canalisations haute pression d'un moteur diesel de taches de carburant bien marquées devrait être pris comme un indice révélateur d'un problème dans le circuit du fuel. Compte tenu de la hausse constante du prix du carburant, le coulage devient de plus en plus un problème sérieux. En effet, le prix d'un Baril standard de 200 litres de carburant qui est généralement d'environ 50 à 100 $EU, représente une petite fortune dans un certain nombre de pays en voie développement. La plupart des manuels de base de thermodynamique montrent que le rendement des moteurs à allumage par étincelle est généralement d'environ 25 à 30%, tandis que celui des moteurs diesel est d'environ 30 à 40%. Egalement, les essais au dynamomètre entrepris par les constructeurs, sur des moteurs en fonctionnement optimal au banc d'essai (généralement sans la plupart de leurs accessoires) confirment ces valeurs. Toutefois, les valeurs indiquées sont trop optimistes par rapport aux résultats obtenus en pratique. L'écart entre la théorie et la réalité est particulièrement important dans le cas des petits moteurs dont le rendement propre est inférieur à celui des moteurs de taille plus importante. De plus, les valeurs citées dans les manuels ne sont en réalité valables que pour des moteurs parfaitement réglés, d'une puissance nominale supérieure à 5 à 10 kw. Les petits modèles de moteurs à deux temps, et ceux à allumage par étincelle à quatre temps sont de qualité différente d'un moteur à l'autre. Très souvent d'ailleurs le rendement ne dépasse guère 10% pour des puissances nominales voisines de 1 kw. Les moteurs diesel les plus petits (de 1,5 à 2 kw) ont un rendement propre supérieur à 20%. Mais les éléments auxiliaires tels que la pompe d'injection, le ventilateur de refroidissement et la pompe à eau entraînent des pertes d'énergie et ramènent le rendement de transformation du carburant en puissance utile à l'arbre à une valeur d'environ 15% au maximum (pour les moteurs les plus petits). En effet, la puissance absorbée par les auxiliaires est proportionnellement plus importante pour les petits moteurs, ce qui explique cette forte baisse de rendement. D'autre part, les moteurs perdent les caractéristiques d'origine après un certain temps. Donc après cette période initiale l'usure et le mauvais réglage conduisent à réduire davantage leur rendement. Par conséquent, compte tenu de la taille, le type et la qualité, ainsi que l'âge et la qualité de l'entretien des moteurs, le rendement n'est jamais supérieur à 35% à l'état le plus favorable et à 10% à l'état le plus défavorable.

11 Les machines élévatoires 203 FIGURE 100 Principaux éléments d'une installation de pompage à moteur et les rendements correspondants

12 204 Alimentation en énergie des installations de pompage Une autre source de perte d'énergie et de la chute du rendement est liée au mécanisme de transmission mécanique entre le moteur et la pompe. Dans certains cas le moteur est directement accouplé à la pompe et les pertes de transmission sont alors négligeables. Mais dès qu'un changement notable de vitesse est nécessaire, par exemple lors du recours à un réducteur de vitesse ou à une boîte d'engrenages pour le fonctionnement d'une pompe de forage à mouvement alternatif, alors le rendement de la transmission mécanique peut chuter à 60%, très particulièrement pour les petites installations de pompage de moins de 5 kw de puissance où les pertes au niveau du train d'engrenage sont relativement importantes par rapport à la puissance totale utile produite. Comme indiqué dans la section précédente, le type le plus courant d'une pompe d'irrigation entraînée par un petit moteur est la pompe centrifuge à entraînement direct ou à entraînement par courroie, et fonctionnant généralement en pompe aspirante (figures 72 et 99). Pourvu que la pompe soit correctement mise au point pour fonctionner au voisinage des valeurs optimales de hauteur d'eau et de vitesse de rotation, son rendement peut facilement dépasser 60% et dans certains cas atteindre 80% pour les pompes les plus importantes. Toutefois, plusieurs facteurs négatifs interviennent, et en pratique ces valeurs ne sont jamais atteintes. Par exemple un rotor inadéquat, l'usure du rotor, les fuites par retour d'eau, et le fonctionnement à des débits et hauteurs d'eau loin des valeurs optimales pour une vitesse donnée, sont dans tous les cas d'un effet préjudiciable et ils pourraient séparément ou conjointement, baisser le rendement à 25% ou même à une valeur plus faible. Par suite, pour une installation de pompage bien conçue, les rendements sont donc d'environ 40 à 80% (mais jamais plus), mais pouvant par contre facilement chuter à des valeurs plus faibles. Le bon choix de la conduite de refoulement et son incidence sur le rendement du système ne sont jamais appréciés à leurs justes valeurs. Les groupes de pompage peuvent refouler des débits très élevés à des hauteurs d'eau faibles, dans ces cas les pertes par frottements dans la conduite de refoulement pourraient accroître considérablement la charge totale de pompage, en particulier dans le cas de longues canalisations de refoulement et pour de faibles hauteurs de pompage. Dans ces conditions, la charge totale peut dépasser le double ou le triple de la charge statique, ce qui augmente dans les mêmes proportions la consommation du carburant. Le diagramme de la figure 4 nous donne un ordre de grandeur. Considérons par exemple un petit moteur à essence portatif débitant 360 litres par minute, soit 6 1/s sous une charge de 5 m (puissance hydraulique fournie: 600 W). La perte de charge due au frottement par tranche de 100 m de canalisation de refoulement pour ce débit et à cette hauteur d'eau, serait comme suit : Diamètre nominal de la canalisation: 2"(50 mm) 2 1/2 "(65 mm) 3" (80 mm) Perte de charge due au frottement (m/100 m): 20 m 5 m 2m Les rendements correspondants pour des longueurs différentes de la conduite de refoulement et avec les diamètres ci-dessus seront : longueur totale de canalisations (m) rendement en % sous une hauteur statique de 5 m et pour les diamètres de canalisation indiqués 50 mm 65 mm 80 mm

13 Les machines élévatoires FIGURE 101 Incidence de l'accroissement de la hauteur d'aspiration sur l'efficacité d'un groupe motopompe classique II est parfaitement clair que pour les faibles hauteurs de pompage, la charge totale peut être de plusieurs fois supérieures à la hauteur d'eau statique, ce qui ramène les rendements des canalisations à des valeurs de l'ordre de 20% pour une conduite de 100 m de long et de 5 cm de diamètre. Autrement dit, la hauteur de pompage serait égale à cinq fois la hauteur d'eau statique, et cette installation consomme cinq fois plus de carburant qu'une installation dont le rendement de canalisations est de 100%. Cette situation est moins critique pour des hauteurs d'eau statiques plus élevées, car elle est fonction du rapport de la charge due aux pertes par frottement à la charge statique. Par exemple, pour une hauteur statique de 20 m, la perte de charge due au frottement serait aussi de 20 m, bien que cette perte de charge soit importante, le rendement des canalisations serait de 50% au lieu de 20%. Les agriculteurs commettent toujours l'erreur d'utiliser des canalisations de très petits diamètres, sous prétexte d'économie. Alors que l'investissement requis pour à l'acquisition de tuyaux de diamètres plus importants est souvent rapidement amorti au bout de quelques mois et non en quelques années, car les pertes de charge seront moindres. De plus, dans certains cas les pompes dont la sortie de refoulement est de 5 cm devraient être en pratique raccordées à une canalisation de 8 cm, chaque fois que celle-ci est d'une longueur relativement importante. Or, les utilisateurs mal informés sur la bonne gestion de l'irrigation adoptent des diamètres des canalisations de refoulement qui correspondent parfaitement à la sortie de refoulement de la pompe, ce qui constitue une source majeure de chute du rendement. Incidemment, les diamètres des canalisations sont indiqués en pouces parce que cette unité de mesure est d'un usage courant, même dans les pays qui adoptent le système métrique. La courbe de la figure 101 met en relief la réduction des performances des pompes aspirantes centrifuges suite à une augmentation de la hauteur d'aspiration. Ceci est essentiellement dû à la cavitation surtout lorsque la hauteur d'aspiration constitue une proportion importante de la hauteur d'eau ou la charge totale. Le courbe montre que

14 206 Alimentation en énergie des installations de pompage pour une hauteur d'eau totale de 10 m, et une hauteur d'aspiration de 6 m le débit fourni est de 20% inférieur à celui qui correspond à une hauteur d'aspiration de 3 m. Cette diminution du débit étant observée à puissance utile égale, il s'ensuit que le rendement de la première installation est donc inférieur de 20% à celui de la seconde uniquement du fait des pertes dues à l'augmentation de la hauteur d'aspiration. Le fonctionnement des pompes à des hauteurs d'aspiration excessives pourrait entraîner une forte hausse des dépenses du carburant, sans oublier les problèmes classiques d'amorçage difficile qui peuvent se poser. Les pertes dans les canalisations qu'elles soient dues au frottement ou bien à la hauteur excessive de l'aspiration vont donc se traduire par une augmentation de la charge totale et par la réduction du débit fourni, ce qui fait que le rendement des canalisations serait d'environ 30 à 95% tel que le montre la figure 100. Les rendements qu'on vient de discuter correspondent au fonctionnement en régime permanent, i.e. l'installation est en marche et l'eau délivrée est en totalité utilisée pour l'irrigation. Inévitablement le système doit également fonctionner en dehors du régime permanent. En effet, au démarrage, le débit pompé est en quelque sorte perdu jusqu'à ce que l'agriculteur soit à même de le canaliser à sa destination au champ, d'où une autre source de gaspillage d'eau. Egalement, la conduite de l'eau pour l'amener d'un point à un autre du champ est elle aussi une autre source de gaspillage. Il existe donc un facteur de rendement lié à la technique de distribution d'eau et à l'aptitude de l'exploitant à réduire les pertes et à utiliser autant que possible la totalité de l'eau pompée durant le fonctionnement. En effet une gestion relativement médiocre pourrait résulter en une perte de 20% par rapport à une gestion idéale, et une autre gestion réellement défectueuse pourrait avoir des conséquences nettement plus graves. Pour cela ce facteur de rendement est pris entre 80 à 100% pour les besoins du diagramme de la figure 100. En prenant en compte tous les facteurs les plus défavorables déjà définis, on aboutit à un rendement global minimum de 0,5% (figure 100), cette valeur a été confirmée notamment par Jansen [32] et d'autres. Tandis que dans les conditions les plus favorables, le rendement obtenu à partir du diagramme de la figure 100 serait de 27%. Or, la valeur la plus favorable est en réalité une valeur théorique ne pouvant être atteinte qu'avec l'utilisation d'un moteur diesel puissant (supérieure à 5 kw) entraînant une pompe fonctionnant avec une charge totale de 10 à 20 m (ou davantage), c.-à-d. des puissances et des hauteurs d'eau notablement supérieures aux valeurs habituellement observées dans la plupart des installations d'irrigation. En réalité, la plupart des petites installations d'irrigation par pompage à moteur ont des rendements globaux d'environ 5 à 15%. Les rendements des gros moteurs diesel fonctionnant à des hauteurs d'eau importantes sont plutôt du coté de la limite supérieure de cette gamme, et les rendements des petits moteurs à kérosène ou à essence fonctionnant aux faibles hauteurs d'eau se situeraient du côté de la limite inférieure (ou même plus bas). L'utilisateur devrait sans doute s'estimer heureux s'il obtient un rendement de 10 à 15% avec une installation munie d'un petit moteur diesel, et de 5 à 10% s'il s'agit d'un moteur à essence ou à kérosène. Il serait sans doute important de noter que le lecteur à tout intérêt de contrôler le rendement réel de l'installation de pompage dont il est en charge, et ce en comparant la consommation de carburant à l'énergie hydraulique utile, de sorte qu'en cas de différences notables il prendrait immédiatement les mesures qui s'imposent pour identifier les causes et à y remédier.