Constitution d'un moteur thermique à 4 temps - Académie de Nancy ...

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 : Machines
thermiques à combustion à combustion
interne externe à combustion à combustion
cyclique continue moteurs moteurs
alternatifs rotatifs allumage allumage
commandé par compression 4 temps 2 temps 4 temps 2 temps
Analyse fonctionnelle Fonction globale : niveau A-0 Sous fonctions : A0 Analyse structurelle
Constitution d'un moteur thermique à 4 temps Voir documents 1 et 2
Travail demandé : identifiez et coloriez les différents composants du
moteur.
Caractéristiques internes du moteur
Caractéristiques géométriques et dimensionnelles du moteur à 4 temps Un moteur à 4 temps de caractérise par sa cylindrée.
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. Remarques
C'est la géométrie du vilebrequin qui définit la course : C = rayon de
manivelle ( 2.
Course et alésage s'expriment en général en mm, la cylindrée en cm3 parfois
en litres.
[pic]
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. [pic] Rapport volumétrique ( 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 :
[pic]
Remarque
Il ne faut pas confondre le rapport volumétrique avec le taux de
compression. 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.
1er 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.
2ème 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). A(B : Aspiration du gaz à la pression atmosphérique dans le cylindre le
long de la droite isobare AB (PA = PB = Pa ). B(C : Compression adiabatique BC jusqu'au volume minimal V1, la pression
devenant : P1 C(D : 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. D(E : 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. E(B : 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. B(A : 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( = cte ou pour ce cycle : Pb x Vb( = Pc x Vc( Rendement du cycle théorique de Beau de Rochas avec : ( = rapport
volumétrique
( = Cp/ Cv = 1.4 pour l'air (coefficient de poisson) [pic] 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. Représentation de l'évolution de la pression dans la chambre de combustion
en fonction de la variation de position angulaire du vilebrequin
Pour des raisons pratiques, le cycle est souvent représenté par un
diagramme pression, variation angulaire (p,(). Voici un exemple de ce
relevé : Phase 1 :
Elle correspond au temps de formation du noyau initial de la flamme dont la
propagation peut ensuite s'auto-entretenir et s'étendre au volume de la
chambre. Cette phase, appelée délai d'inflammation, correspond à une faible
élévation de la pression par rapport à la courbe de compression sans
allumage. Phase 2 :
C'est la phase de propagation de la flamme à partir du noyau initial. Travail du cycle et pression moyenne
Cycle théorique Le travail disponible (en Joule) est mesuré par l'aire BCDE. La pression
moyenne théorique est la pression constante qu'il faudrait appliquer sur le
piston pendant sa course de détente pour obtenir le même travail. [pic]
Travail équivalent à la surface « s » :
Ws (joules) = 10 bars x 1 cm3
= 106 pascals x 10-6 m3
= 106 N.m-2 x 10-6 m3 = 1 N.m = 1
Joule Cycle réel ou indiqué Le travail du cycle indiqué est mesuré par la différence des surfaces A
(boucle positive ou haute pression) et B (boucle négative ou basse
pression). Wi = [S(A) - S(B)] x Ws [pic]
avec : V = cylindrée unitaire (cm3) ; v = volume mort (cm3) ; ( = rapport
volumétrique TRAVAIL - COUPLE - PUISSANCE
En physique, l'action d'une force par rapport à un axe de rotation
s'appelle un moment. Le motoriste utile le terme de « couple » pour la même
grandeur. A tout moment, la valeur du couple s'appliquant au vilebrequin
est : C (N.m) = r (m) x Ft (N) Le couple moteur s'exprime souvent en m.daN ou en m.kg. Ft est la
décomposition de l'action du piston sur la bielle (F1).
Le travail produit par le couple est : W (Joule) = C (N.m) x ( (radian)
La force F1 dépend :
- de la valeur de force engendré par la pression sur le piston ;
- de l'angle (().
Phase admission
La force résultante F est opposée au mouvement du piston, (Pcarter >
Pcylindre), le couple nécessaire pour effectuer la descente du piston est
résistant.
Si la pression d'admission est plus faible (papillon fermé par exemple ou
fonctionnement en altitude), le couple résistant sera plus grand. Phase compression
Le piston a changé de sens de déplacement, mais la force engendrée par la
pression dans le cylindre a également chargée de sens. Le couple qui en
résulte est donc encore résistant, et sa valeur instantanée dépend :
- de la position de la bielle à l'instant t ;
- de la valeur de la pression instantanée dans le cylindre.
Si la masse de gaz admise pendant la phase admission est faible, le couple
résistant est moins important.
Phase détente
Cette fois, la force et le déplacement sont dans le même sens, nous avons
un couple moteur. S'il n'y a pas de combustion (coupure d'injection en
décélération, par exemple), le couple moteur est le symétrique du co