moteur ressource

7/21/2019 Moteur Ressource

http://slidepdf.com/reader/full/moteur-ressource 1/13

Enseignements Technologiques Communs

1. LE MOTEUR THERMIQUE

1.1 Défnition

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

1.2 Analyse onctionnelle

1.3 Analyse structurelle - Structure des moteurs à combustion interne

300046568.doc sur 13

Machines

thermiquesA combustion

interneA combustion

cyclique

Moteursalternatifs

A allumagecommandé

4

Moteur àvapeur

Turboréacteur Moteur an!el Moteur "iesel Moteur # temps

# tempsA combustione$terne

A combustioncontinue

Moteursrotatifs

A allumage par

compression




1.4 Caractéristiques internes dumoteur Un moteur à 4 temps se caractérise par sacylindrée.

• Cylindrée unitaire (V)

C’est le volume déni entre le point mort

haut !"#$% et le point mort bas !"#&% dansun cylindre.Le diam'tre du cylindre est nomméalésage.La distance comprise entre le "#$ et le"#& est la curse.

(emarques : c’est la )éométrie duvilebrequin qui dénit la course : C * rayonde manivelle × +.

Course et alésage s’expriment en général en mm, la cylindrée en cm3 parfois en litres.

% A &= × ×π

#

4

• Cylindrée du !teur Vt

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

%t % n= ×

• Ra""rt #lu!étri$ue

Le volume compris entre la culasse et le piston lorsque celui-ci se trouve au "#$ constitue lachambre de combustion !ou volume mort% v. ans le cas des moteurs iesel à préchambre de

combustion, une partie de ce volume mort se situe dans la culasse. La valeur du rapportvolumétrique est donnée par la formule :

300046568.doc Page # sur 13




ρ =+% v

v

300046568.doc sur 13




%. C&CLE ' TEM* +,U- MOTEUR LLUM/ECOMM-+0

2.1 Description du cycle thermodynamique ous les moteurs thermiques font appel au/ transformations thermodynamiques d’une masse)a0euse pour passer de l’éner)ie chimique contenue dans le combustible à l’éner)iemécanique directement e/ploitable sur l’arbre moteur. ans son brevet déposé en 123+, lefranais &56U 5 (7C$68 propose d’appliquer le processus décrit ci dessous à une masse)a0euse emprisonnée dans un moteur à piston. Le cycle complet comprend 4 courses depiston donc + tours de vilebrequin.

1er te!"s l,ad!issin- le piston décrit une course descendante du "#$ au "#& 9- la soupape d’admission est ouverte 9- le mélan)e air carburant préalablement dosé pén'tre dans le cylindre 9

- l’éner)ie nécessaire pour e;ectuer ce temps est fournie au piston par levilebrequin par l’intermédiaire de la bielle.

%2!e te!"s la c!"ressin- les + soupapes sont fermées 9- le piston est repoussé par vers le "#$ par la bielle 9- la pression et la température du mélan)e croissent.

32!e te!"s la c!4ustin détente- un peu avant le "#$, une étincelle électrique déclenche le processus decombustion 9- l’accroissement de la pression qui s’e/erce sur le piston en)endre une;ort sur la bielle et donc un moment moteur sur le vilebrequin 9- le piston redescend au "#&.

2!e te!"s l,éc5a""e!ent- la soupape d’échappement s’ouvre 9- le piston remonte vers le "#$ en e/pulsant les )a0 br<lés.

T5er!dyna!i$ue les trans6r!atins ré#ersi4les ransformation Isc5re :à volume constant != * cste%

ransformation Is4are :à pression constante !" * cste%

ransformation Ist5er!e :à température constante ! * cste > " / =*cste%

ransformation adia4ati$ue ou isentropique :sans échan)e de chaleur !" / =γ * cste%

300046568.doc sur 13

V




300046568.doc Page ' sur 13



(ression

%olume

Admission

)chappement

&ompression

&ombustion

"étente

(a

(3

(1

(#

%1 %#

A*

&

"

)


2.3 Cycle théorique

L’évolution des pressions dans la chambre decombustion en fonction du volume du cycle

? &eau de (ochas @ se représente dans undia)ramme !p,v%.6& : 6spiration du )a0 à la pressionatmosphérique dans le cylindre le lon) de ladroite isobare 6& !"6 * "& * "a %.

&C : Compression adiabatique !sanséchan)e de chaleur avec les parois dumoteur% &C Ausqu’au volume minimal =1, lapression devenant : "1

C : Combustion instantanée du )a0 àvolume constant le lon) de la droite isochoreC avec une forte élévation de température à

+ et de la pression à "+.

5 : étente du )a0 chaud le lon) del’adiabatique 5 qui ram'ne le volume à =+,mais à une pression "B supérieure à celle del’atmosph're.

5& : étente théorique des )a0 dans lecylindre donc la pression tombeinstantanément à la pression atmosphériquele lon) de l’isochore 5&, la température

redescend.

&6 : 5chappement des )a0 br<lés en

décrivant l’isobare &6. (etour au point de départ 6.

Le cycle Beau de Rochas a été conçu pour un moteur tel que l’entrée et la sortie des ga sefassent par des ori!ces " soupapes placés " l’extrémité fermée d’un cylindre dont l’autreextrémité est constituée par la t#te du piston. $outefois, il est appliqué dans d’autrescon!gurations de moteur, par exemple le moteur rotatif.

2.4 Cycle réel

La "re!i2re réalisatin "rati$ue d,un !teur 7"istn a été réussie par 7tto che0 eut0 à Colo)ne en123. 8ur ce moteur, l’évolution de la pression relevéene correspondait pas e/actement au cycle théorique etle rendement en était tr's inférieur.5n voici les raisons :

d!issin : l’inertie des )a0 au)mentant avec lavitesse de rotation du moteur est responsable duremplissa)e incomplet du cylindre.

C!"ressin : la compression n’est pas adiabatique.u fait de la communication de la chaleur au/ parois, lapression des )a0 s’él've moins vite que dans la loiadiabatique.

C!4ustin : la combustion du mélan)e airDessencen’est pas instantanée au "#$ d’oE une 0one decombustion arrondie sur le dia)ramme.

300046568.doc Page + sur 13

C cle réelC cle théori ue




+étente : la détente des )a0 br<lés n’est pas adiabatique car les )a0 c'dent une partie deleur chaleur au/ parois.

Ec5a""e!ent : en n de détente, la pression des )a0 est nettement supérieure à la pressionatmosphérique.

300046568.doc Page , sur 13




3. CRCT0RI*TIQUE* +,U- MOTEUR COM8U*TIO-I-TER-E

3.1 Le couple moteur

-a force de poussée des ga. qui s/e$erce sur le piston lors

du temps combustion détente engendre0 par l/intermédiaire

de la bielle et du maneton de vilebrequin0 un couple moteur

&e couple provoque la rotation du vilebrequin

(ar définition ce couple correspond au moment de la force

2b qu/e$erce la bielle sur le vilebrequin par rapport à l/a$e

de rotation du vilebrequin0 au point voir figure ci5contre6

&i 7 2b $ d

Avec 2b 8 force de la bielle sur le vilebrequin0

d 8 distance entre la force et le point 0

&i 8 couple instantané

9ous parlons ici de couple instantané0 car ce couple n/est

pas constant durant la phase de combustion détente

)n effet0 l/intensité de la force 2b varie puisqu/elle dépend 8• de l/intensité de la force de poussée des ga. 2p0 variable lors du temps combustion détente

voir diagramme cycle réel60

• de l/obliquité de la bielle angle α60

• des forces de frottement entre le piston et le cylindre0

• de la valeur de d qui varie elle aussi suivant l/inclinaison de la bielle angle α6

Conclusion :

la valeur du couple moteur

instantané change donc

constamment suivant l/angle de

rotation du vilebrequin

300046568.doc Page : sur 13

(oint ;




3.2 Le couple moyen

Sur le diagramme de la figure ci5dessous0 le couple moyen développé pendant le temps moteur est

défini de telle sorte que l/aire du rectangle abc soit identique à l/aire de la surface hachurée Si"e la m<me mani=re on définit un couple moyen résistant lors des phases non motrices n obtient

ainsi le couple le couple moyen réel que peut fournir le moteur0 que l/on appelle tout simplement lecouple moteur

3.3 La puissance d’un moteur

( 7 & >

3.4 La consommation spécifique d’un moteur

&/est la quantité de carburant en gramme que doit consommer le moteur pour produire une puissance

de 1? pendant une heure )lle s/e$prime en g @ !h

300046568.doc Page sur 13

(uissance du moteur en att6

1 cheval = 736 watts&ouple en 9m

B 8 vitesse angulaire du moteur en rad@s

Ω = π N (tr /min)

3;

9 8 fréquence de rotation moteur en

tr@mn




4. QUA!"#"CA!"$ %&' ()*$+,&' ()-'"QU&' +"' &&U %A' L&' +$!&U/' A C$+0U'!"$ "!&/&

4.1 Consommation massique d’air téorique d’un moteur 4 temps essence

Qmath

= N (tr /min)

1#; V (m

3) ρ (kg /m3)

• Fmath : consommation massique d’air théorique en G)Ds

• H : vitesse de rotation du moteur en trDmin

• = : cylindrée totale du moteur en mB

• I : masse volumique de l’air en J)DmB

4.2 /apport air carurant

R =

Qma

Qmc

C 7 1# lorsque le moteur fonctionne avec un dosage

de 1 gramme d/essence @ 1# g d/air

Dma 8 consommation massique d/air théorique en

gramme@seconde

Dmc 8 consommation massique de carburant en gramme@seconde

4.3 (uissance termique téorique déaée par la comustion

(Ct 5 Qmc . pc

Cemarque8 1 cheval 7 ,3+ Eatts

4.4 /endement 6olumétrique.

5n pratique la consommation massique d’air réelle du moteur qma réelle est inférieure àla consommation massique théorique qmath dénie en 1.

A cause des pertes de charge dans le syst=me d/admission0 ainsi que la diminution de la densité de

l/air qui pén=tre dans le cylindre

ηV =

Qma réelle

Qma théri!"e

• K= : rendement volumétrique

• Fma réelle : consommation massique d’air réelle du

moteur en J)Ds• Fma théorique : consommation massique d’air théorique en

300046568.doc Page 1; sur 13

(uissance théorique

dégagée par la

combustion en ?&onsommation massique

de carburant en ?g@s

(ouvoir calorifique du carburant

c/est l/énergie contenue dans le

carburant6

• 4+ GMDJ) pour

l’essence




G)Ds

4.7 Le rendement de comustion)n pratique la combustion n/est Famais parfaite à 1;; G0 on n/arrive pas à bruler tout le carburant -e

rendement de combustion est fonction 8

• des caractéristiques propres au mélange ga.eu$ air H essence60

• des caractéristiques propres au syst=me d/allumage chargé de déclencher la combustion du

mélange chaleur de l/arc électrique à la bougie0 emplacement de cet arc dans la chambre de

combustion0 instant de production de cet arc électrique par rapport au point mort haut6

4.8 /endement termique du cycle téorique.

"ans le cycle théorique on consid=re 8• qu/il n/y a pas d/échange de chaleur entre le ga. et les parois du moteur transformation

adiabatique60

• que la combustion est instantanée0

• qu/il n/y a pas de perte de charge

-e rendement thermique du cycle théorique donne un rendement éloigné de la réalité0 mais qui a au

moins un mérite0 celui de montrer que le rendement est d/autant meilleur que le rapport volumétrique

est grand &/est d/ailleurs la raison maFeure de la supériorité du diesel sur les moteurs à allumage

commandé dans le domaine de la consommation

Cappelons qu/il est impossible de fabriquer des moteurs à essence ayant un fort rapport

volumétrique0 car nous sommes limités par l/auto inflammation et le cliquetis

-es lois de la thermodynamique appliquées au diagramme (% théorique donnent l/appro$imation de

ces pertes conduisant à la définition du rendement thermodynamique ηth

&as du moteur essence

ηth ess

= 1− 1

ρ #−1

: tau9 de compression du moteur ou rapport 6olumétrique

ρ = V + v

v

avec % 8 cylindrée unitaire du moteur

v 8 volume de la chambre de combustion

ce9cient isentr"i$ue

# =$

%

$ v

≈ 104 %"r l & air

avec $ % 8 capacité thermique massique à pression constante IJ!g51J? 516

$ % 8 capacité thermique massique à volume constant IJ!g 51J? 516

Pour augmenter la puissance thermique, on peut augmenter le rendement thermique en augmentant le rapport

volumétrique, le pouvoir calorifique du carburant, ou la consommation massique :

5 en admettant dans le cylindre une masse de carburant aussi élevée que possible mais il faut que le carburant soiteffectivement brulé6

300046568.doc sur 13




5 en augmentant la cylindrée par le nombre des cylindres et par la cylindrée unitaire mais le refroidissement efficace d/ungros cylindre est difficile6

5 en augmentant le nombre de cycles par seconde en augmentant le régime moteur0 mais les forces d/inertie deviennentalors tr=s élevées le cycle # temps peut <tre choisi6

300046568.doc Page 1# sur 13




4. /endement de forme ;cycle réel du moteur<.

Kl prend en compte la différence entre le cycle théorique et réel 8 en effet0 le cycle théorique n/a pas la

m<me allure que le cycle réel il se produit des pertes de chaleur résultant de la conduction entrel/enceinte thermique et le syst=me de refroidissement 8 en6iron 17= de la puissance déaée par lacomustion est transférée 6ers le circuit de refroidissement 0 la combustion n/est pas instantanée0

il y a des fuites de pression au niveau de la segmentation0 une partie de l/énergie au niveau du piston

est utilisée à aspirer l/air dans le cylindre et à l/en chasser et 4>= de l’énerie est perdue dans lesa? d’écappement lors de l’ou6erture de la soupape d’écappement comme dans le cycletéorique0 ce qui fait que le rendement thermique réel est considérablement inférieur à la valeur

théorique

-e rendement de forme peut <tre augmenté par 8

• La diminution des échan)es thermiques entre l’enceinte thermique du moteur et

le syst'me de refroidissement, ceci dans la limite de la tenue mécanique despi'ces, de la température de carbonisation de l’huile et de la température d’auto

inOammation du mélan)e combustible.

%ans le cycle réel en6iron 17= de la puissance déaée par la comustion est transférée 6ers lecircuit de refroidissement

• "ar la diminution ou la récupération des pertes éner)étiques à l’échappement

!prolon)ation de la détente avec un moteur à course variable ou distribution

variable%, entrainement d’une turbine de turbo compresseur. 5n e;et, lorsque la

soupape d’échappement s’ouvre, les )a0 d’échappement contiennent encore de

l’éner)ie, cette éner)ie est fonction de la température des )a0 d’échappement. &n6iron 4>= de l’énerie est perdue dans les a? d’écappement lors de l’ou6erture de lasoupape d’écappement. Cette énerie peut @tre utilisée pour entrainer la turine du turocompresseur.

4. /endement mécanique

)n pratique0 une partie de la puissance mécanique produite sur le piston est utilisée à vaincre les

frictions dans les liaisons mécaniques0 et à entraLner la distribution et les accessoires

ηm =

' "

' i

&es pertes sont prisent en compte dans le rendement mécanique ηm

Avec (u 8 puissance utile

(i 8 puissance indiquée recueillie sur le piston6

On admet souvent ηm_ess = 0,9 et ηm_diesel = 0,8

Le rendement mécanique peut Ptre amélioré en réduisant les frottements au/ contacts

des éléments en mouvement relatif, par le choi/ des matériau/, par la qualité de la

lubrication et du lubriant.

300046568.doc sur 13

moteur ressource

Documents