Le rendement d’un moteur « à combustion interneBien que l'expression soit inexacte, car il n'y a pas vraiment d'explosion, au sens strict du terme, mais une combustion rapide, c'est le terme couramment utilisé pour désigner un type de moteur à combustion interne à combustions successives. » est le rapport de la puissance mécanique restituée à la puissance thermique fournie par le carburant. Ce rendement est toujours majoré par le rendement de Carnot, et ce dernier varie avec l'écart de température. Les rendements des moteurs à explosion peuvent donc être différents selon les types d'applications et de carburants considérés. Par exemple, les meilleurs moteurs de série pour usage automobile ont des rendements pouvant atteindre 36 % pour un moteur à essence à allumage commandé et 42 % pour un moteur diesel, tandis que les meilleurs moteurs industriels à fioul lourd peuvent avoisiner 50 %.

Rendement maximal Les meilleurs rendements de moteurs à explosion sont obtenus sur des moteurs industriels Diesel brûlant du fioul lourd destinés aux bateaux ou aux centrales électriques. Leur rendement est proche de 50 %... Ces moteurs de grande puissance (de ) sont des moteurs deux temps à longue course (plus de deux fois le diamètre du piston), équipés de turbocompresseurs délivrant des pressions de suralimentation de plusieurs bars.

Leurs bielles n’actionnent pas directement les pistons, mais des coulisseaux, ce qui fait que les pistons ne reçoivent aucune poussée latérale et s’usent très peu. La durée de vie de ce genre de moteur dépasse les . Ces moteurs tournant très lentement sont très hauts à cause des coulisseaux. Pour un moteur de , la vitesse de rotation va de par minute et permet l'entraînement direct d'une hélice sans réducteur, ce qui permet de minimiser les frottements, de réduire l'entretien et d’améliorer le rendement. La hauteur dépasse (six étages), la masse est de plus de et le diamètre des cylindres est d'environ .

Ces moteurs ont souvent des lumières d'admission et une soupape d'échappement. Afin d'atteindre de tels rendements, une partie de l'énergie des gaz d'échappement est récupérée par les turbocompresseur et, des turbo-alternateurs, énergie restituée à la ligne d'arbre grâce à des machines synchrones.

Moteur pour automobile Les meilleurs moteurs de série pour usage automobile ont des rendements pouvant atteindre, dans des conditions optimales, 36 % pour un moteur à essence à allumage commandé et 42 % pour un moteur Diesel à rampe commune haute pression..

Ces valeurs dépendent cependant fortement du point de fonctionnement du moteur et correspondent à un fonctionnement en charge élevée.

Il est possible d'améliorer le rendement des moteurs à combustion en créant des moteurs dont le rendement aux diverses charges est amélioré ou d'optimiser son fonctionnement dans une plage assez étroite, mais nécessitant une transmission adaptée (par exemple HSD). De nombreuses solutions en cours d’études depuis parfois des décennies, sont abordées plus loin.

À quoi sont dues les pertes dans un moteur ? Une première et importante limitation est fixée par la physique elle-même, en application du deuxième principe de la thermodynamique, qui, même dans un cas parfait (cycle réversible, sans friction, sans fuite, etc.), fixe une limite de rendement où et sont la température absolue de respectivement la source froide et la source chaude. En pratique la source froide la plus courante est in fine (parfois par l'intermédiaire d'un réservoir d'eau) l'atmosphère, à une température de l'ordre de 300 K, tandis que la température chaude est limitée par les caractéristiques des matériaux dont sont faits les moteurs.

S'y ajoutent les imperfections des systèmes réels : cycle thermodynamique qui ne fonctionne pas en mode réversible, une partie de la chaleur fuitant alors directement de la source chaude vers la source froide sans produire aucun travail en se perdant dans les gaz d’échappement (voir cycle de Carnot) besoins en énergie des systèmes annexes nécessaires au fonctionnement du moteur (pompes d’injection, pompe à eau, ventilateur, alternateur...), et pertes dans ces systèmes. pertes liées au refroidissement du moteur, nécessaire pour le maintenir à une température que peuvent supporter ses éléments. pertes par frottement : des pistons dans les cylindres ; dans l’embiellage et sur l'axe du vilebrequin ; au niveau de la distribution (arbre à cames notamment) ; des gaz à l’admission et à l’échappement imperfection de la combustion : carburant imbrûlé (rejeté dans les gaz d'échappement), réactions chimiques parasites (ne contribuant pas autant que possible à l'augmentation de la pression motrice des gaz dans le piston), etc.

Toutes ces pertes se transforment en chaleur perdue, en composés chimiques non désirés (voire polluants ou agressifs pour le moteur) et en travail physique nuisible qui produit l'usure du moteur, rendant nécessaire le remplacement de pièces.

il faut également considérer des pertes non lié au moteur, mais au système en aval qu'il entraîne, dont les besoins peuvent être inférieurs à la puissance fournie par le moteur (la différence étant alors perdue).

Comment lutter contre les pertes ? Du cycle thermodynamique En augmentant le taux de compression, les limites étant l’auto-allumage pour les moteurs à allumage commandé. La température de fonctionnement augmente avec le taux de compression. Une suralimentation avec un compresseur mécanique ou un turbocompresseur permet d'améliorer le rendement notamment du fait qu'on peut refroidir les gaz admis en cours de compression, ce qui réduit la consommation d'énergie mécanique inhérente au cycle thermodynamique (pour les moteurs à allumage commandé, l’auto-allumage limite toujours la pression maximale admissible). En étant toujours à la compression maximale avec un moteur à auto-allumage (HCCI), solution difficile à contrôler. En augmentant la course de détente, de façon à récupérer un maximum de puissance mécanique. Hormis les solutions mécaniques, on peut utiliser le cycle d'Atkinson, qui est défini par une course de compression plus courte que la course de détente, en retardant la fermeture de la soupape d’admission par exemple.

Du refroidissement du moteur En isolant thermiquement certaines pièces, par exemple avec de la céramique (tête de piston, culasse et même cylindre), ce qui pose des problèmes de prix, de fissuration et d’usure. Utilisé principalement en compétition (où le coût et la maintenabilité ne sont pas des critères prépondérants). En utilisant des moteurs à pistons opposés, supprimant totalement les pertes thermiques des culasses, puisqu'il n'y en a plus.

De l’ensemble des frottements Avec un cycle à deux temps, car il y a moins de tours par cycle moteur (mais d'autres problèmes se posent alors : combustion de l’huile de lubrification, perte d'une partie du carburant directement dans l’échappement, etc.) ; en augmentant la taille du moteur (la puissance étant fonction du volume, cube de la dimension, alors que les frottements sont fonction des surfaces, carré de la dimension, une plus grande taille réduit proportionnellement le ratio des pertes par frottement sur la puissance) en diminuant les efforts de frottement, soit en diminuant les efforts entre les pièces par une plus grande précision dimensionnelle (pièces mieux appairées avec des jeux mieux maîtrisés), soit en diminuant les coefficients de frottements : par modification des pièces : meilleurs états de surface (pièces plus lisses), traitement de surface (thermique ou chimique, exemple : nitruration), modification du design des pièces afin de limiter les surfaces de contact ; par une meilleure lubrification, en modifiant le fluide lubrifiant : des huiles possédant de meilleures propriétés ou en tentant de lubrifier avec du gaz (jamais déployé au niveau industriel) ; ou en modifiant le circuit de lubrification.

Des frottements piston/cylindre En prévoyant des systèmes de coulisseaux (moteurs industriels fixes) ou des transformations de mouvement à came annulant les efforts latéraux. En ajustant la géométrie des cylindres (plus la course du piston est longue plus la surface de frottement est importante)

Des frottements bielles et vilebrequin En modifiant la technologie des paliers par exemple en remplaçant les paliers lisses par des roulements à billes (existe sur les moteurs de motos et sur quelques bi-cylindres automobile) ce qui peut poser des problèmes de tenue dans le temps et de maintenabilité.

Des frottements de distribution En utilisant des commandes de soupape électriques, pneumatiques ou hydrauliques, .

Amélioration du rendement des moteurs À charge intermédiaire La plus grosse difficulté dans certains usages et en particulier pour l'automobile est la baisse importante du rendement aux charges intermédiaires. La tendance à l'augmentation de puissance des moteurs pour améliorer le confort de conduite fait aussi que les moteurs sont utilisés à des charges de plus en plus faibles, ce qui aggrave la situation. Il est donc souhaitable de chercher à améliorer le rendement aux charges intermédiaires.

Les moteurs à désactivation d’une partie des cylindres Dans ces moteurs, les soupapes cessent de fonctionner sur certains cylindres quand la demande est faible. Les cylindres restants fonctionnent alors à plus forte charge, donc à meilleur rendement. Le système mécanique en devient plus complexe et les cylindres désactivés continuent de générer des pertes par frottement, seules les pertes dues à la compression dans les cylindres concernés étant supprimées Cylinder deactivation, sur thoughtco.com. Cylinder deactivation - explained. Cylinder deactivation explained, sur carwow.co.uk 5 New Gas Engine Technologies: 4. Cylinder deactivation, sur howstuffworks.com. La gestion de l’équilibre thermique du moteur est délicate. Cela s’utilise sur des voitures de haut de gamme de forte cylindrée, généralement à plusieurs rangées de cylindres.

Les moteurs à compression variable (VCR) Par des systèmes mécaniques, on peut adapter la compression suivant la charge du moteur. La majorité des systèmes utilisés comportent des déplacements de parties importantes du moteur, ce qui crée des contraintes mécaniques ou de transmission. Une des exceptions est le moteur MCE-5, dont le bloc moteur reste d’un seul tenant. Ce moteur est proche de l’industrialisation.

La compression variable faciliterait la réalisation d'un moteur HCCI.

Les soupapes à levée variable

Il existe des systèmes de levée variables mécaniques (tel que le système V-TEC chez Honda) ou d'autres sans arbres à cames à commande pneumatique, hydraulique ou électrique, dits camless.

On peut faire varier le remplissage du cylindre en utilisant le cycle d'Atkinson, améliorant le rendement à charge partielle. On modifie aussi les avances et retard d’ouverture en temps réel en fonction des paramètres instantanés du moteur. L’un des objectifs est notamment de ne plus avoir de papillon d’admission, limitant ainsi les pertes d’écoulement. Ceci faciliterait aussi la réalisation d'un moteur HCCI.

Avec les soupapes électriques, en plus de la levée variable, on diminue les pertes de la distribution car la consommation électrique pour la levée des soupapes demande moins de puissance qu’un arbre à cames traditionnel. Les soupapes à levée pneumatique sont utilisées sur certains moteurs de camions.

Arrêter le moteur quand il ne sert pas

Le service pour le transport implique des arrêts qui peuvent être fréquents en usage urbain. A l'arrêt, la consommation du moteur est une perte pure et on peut économiser la consommation de ralenti simplement en arrêtant le moteur et en le redémarrant quand nécessaire.

Amélioration globale Les embiellages à roulements à aiguille