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RÉSUMÉ
La présentation thermodynamique des moteurs alternatifs à combustion interne est souvent faite à partir de deux cycles fondamentaux dithermes : le cycle Beau de Rochas, à apport de chaleur isochore, et le cycle Diesel, à apport de chaleur isobare. Ces deux cycles sont des modélisations simples de l’évolution du fluide dans les deux types essentiels de moteurs à combustion : le moteur à allumage commandé et le moteur à allumage par compression. Mais, comme cette modélisation basique conduit à des résultats trop optimistes, un modèle plus réaliste et toujours simple à mettre en œuvre est également présenté.
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Les convertisseurs d’énergie thermique – mécanique les plus nombreux sont, sans aucun doute, les moteurs alternatifs à combustion interne (MACI). Ce sont aussi ceux qui ont la gamme de puissance la plus étendue, de quelques watts à plusieurs dizaines de mégawatts. Ce sont des moteurs à gaz qui fonctionnent avec une seule source de chaleur, comme les turbines à gaz dont les cycles et le principe de fonctionnement sont présentés dans le dossier . Le fluide de travail ne subit pas un cycle thermodynamique, mais une suite ouverte de transformations : partant d’air et de carburant pris dans les conditions atmosphériques, on obtient des fumées à l’échappement, qui se fait à la pression atmosphérique et à une température généralement encore relativement élevée. L’énergie chimique du carburant remplace l’apport de chaleur de la source chaude lors de l’évolution cyclique du fluide thermodynamique des moteurs à deux sources.
Cependant, la présentation thermodynamique des moteurs alternatifs à combustion interne est faite traditionnellement en se basant sur deux cycles fondamentaux dithermes :
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le cycle Beau de Rochas (ou encore cycle de Otto) qui est un cycle à apport de chaleur isochore ;
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le cycle Diesel, qui est un cycle à apport de chaleur isobare.
Chacun de ces deux cycles est une modélisation simple de l’évolution du fluide dans les deux types essentiels de moteurs à combustion : le moteur à allumage commandé ou encore moteur à essence et le moteur à allumage par compression ou moteur Diesel.
Mais, comme cette modélisation basique, conçue notamment avec l’hypothèse du gaz parfait à capacités thermiques constantes, conduit à des résultats beaucoup trop optimistes pour représenter le fonctionnement d’un MACI, un modèle plus réaliste et toujours simple à mettre en œuvre est présenté à la fin de ce dossier.
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3. Caractéristiques du fluide et énergies mises en jeu dans les cycles théoriques
Les cycles Beau de Rochas et Diesel pouvant être considérés comme des cas particuliers du cycle mixte, les calculs sont réalisés sur la base de ce cycle (figure 8).
Au préalable, il convient de définir les paramètres qui interviennent dans ces calculs :
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la course C correspond à la longueur de déplacement du piston ;
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l’alésage d’un cylindre est le diamètre de ce cylindre D ;
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la cylindrée est le volume déplacé par un aller ou un retour du piston :
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le volume résiduel Vr = V 2 est le volume de fond de cylindre lorsque le piston est en position point mort haut (PMH), c’est‐à‐dire au plus près des soupapes d’admission et d’échappement ;
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le rapport volumétrique de compression, appelé encore taux de compression volumétrique ou parfois encore simplement taux de compression, est défini par :
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le rapport de détente préalable :
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