le moteur thermique

Définition

Les moteurs thermiques transforment de la chaleur en travail mécanique destiné à équilibrer le travail résistant d’un véhicule qui se déplace. Les machines thermiques sont représentées par le synoptique ci-dessous :

 

Constitution d’un moteur thermique à 4 temps :

Cylindrée unitaire (V)

C’est le volume défini entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) dans un cylindre.

Le diamètre du cylindre est nommé alésage.

La distance comprise entre le PMH et le PMB est la course.

Cylindrée du moteur Vt

Lorsqu’il y a plusieurs cylindres, la cylindrée du moteur est le produit de la cylindrée unitaire par le nombre de cylindres n.

Rapport volumétrique r

Le volume compris entre la culasse et le piston lorsque celui-ci se trouve au PMH constitue la chambre de combustion (ou volume mort) v. Dans le cas des moteurs Diesel à préchambre de combustion, une partie de ce volume mort se situe dans la culasse. La valeur du rapport volumétrique est donnée par la formule :

Le cycle à 4 temps d’un moteur à allumage commandé

Description du cycle thermodynamique

Tous les moteurs thermiques font appel aux transformations thermodynamiques d’une masse gazeuse pour passer de l’énergie chimique contenue dans le combustible à l’énergie mécanique directement exploitable sur l’arbre moteur.

Dans son brevet déposé en 1862, le français  BEAU DE ROCHAS propose d’appliquer le processus décrit ci dessous à une masse gazeuse emprisonnée dans un moteur à piston. Le cycle complet comprend 4 courses de piston donc 2 tours de vilebrequin.

1^er temps : l’admission

- le piston décrit une course descendante du PMH au PMB ;

- la soupape d’admission est ouverte ;

- le mélange air + carburant préalablement dosé pénètre dans le cylindre ;

- l’énergie nécessaire pour effectuer ce temps est fournie au piston par le vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle.

2^ème temps : la compression

- les 2 soupapes sont fermées ;

- le piston est repoussé par vers le PMH par la bielle ;

- la pression et la température du mélange croissent.

3ème temps : la combustion détente

- un peu avant le PMH, une étincelle électrique déclenche le processus de combustion ;

- l’accroissement de la pression qui s’exerce sur le piston engendre un effort sur la bielle et donc un moment moteur sur le vilebrequin ;

- le piston redescend au PMB.

4ème temps : l’échappement

- la soupape d’échappement s’ouvre ;

- le piston remonte vers le PMH en expulsant les gaz brûlés.

Le cycle théorique

L’évolution des pressions dans la chambre de combustion en fonction du volume du cycle « Beau de Rochas » se représente dans un diagramme (p,v).

AàB : Aspiration du gaz à la pression atmosphérique dans le cylindre le long de la droite isobare AB (P_A = P_B = Pa ).

BàC : Compression adiabatique BC jusqu’au volume minimal V1, la pression devenant : P1

CàD : Combustion instantanée du gaz à volume constant le long de la droite isochore CD avec une forte élévation de température à T2 et de la pression à P2.

DàE : Détente du gaz chaud le long de l’adiabatique DE qui ramène le volume à V2, mais à une pression P3 supérieure à celle de l’atmosphère.

EàB : Détente théorique des gaz dans le cylindre donc la pression tombe instantanément à la pression atmosphérique le long de l’isochore EB, la température redescend.

BàA : Echappement des gaz brûlés en décrivant l’isobare BA. Retour au point de départ A.

Le cycle Beau de Rochas a été conçu pour un moteur tel que l’entrée et la sortie des gaz se fait par des orifices à soupapes placés à l’extrémité fermée d’un cylindre dont l’autre extrémité est constituée par la tête du piston. Toutefois, il est appliqué dans d’autres configurations de moteur, par exemple le moteur rotatif.

Notions de thermodynamique :

Isochore : V = cte                              isobare : P = cte

Transformation adiabatique ou isentropique c’est à dire sans échange de chaleur

                                                      P x V^g = cte ou pour ce cycle : Pb x Vb^g = Pc x Vc^g

 Rendement du cycle théorique de Beau de Rochas avec :  r = rapport volumétrique

                                                      g = Cp/ Cv = 1.4 pour l’air (coefficient de poisson)

Cycle réel

La première réalisation pratique d’un moteur à piston a été réussie par Otto chez Deutz à Cologne en 1876

Sur ce moteur, l’évolution de la pression relevée ne correspondait pas exactement au cycle théorique et le rendement en était très inférieur. En voici les raisons :

Admission : l’inertie des gaz augmentant avec la vitesse de rotation du moteur est responsable du remplissage incomplet du cylindre.

Compression : la compression n’est pas adiabatique. Du fait de la communication de la chaleur aux parois, la pression des gaz s’élève moins vite que dans la loi adiabatique.

Combustion : la combustion du mélange air/essence n’est pas instantanée au PMH d’où une zone de combustion arrondie sur le diagramme.

Détente : la détente des gaz brûlés n’est pas adiabatique car les gaz cèdent une partie de leur chaleur aux parois.

Echappement : en fin de détente, la pression des gaz est nettement supérieure à la pression atmosphérique.

Cycle réel après réglage

Le cycle réel fut ensuite amélioré afin d’en augmenter le rendement. Cette amélioration a été obtenue grâce à la modification de l’épure de distribution.