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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 ;
-
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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1. Moteurs alternatifs à combustion interne. Principe de fonctionnement
Les figures 1 et 2 représentent le schéma du principe de fonctionnement des deux types principaux de moteurs alternatifs à combustion interne (MACI) à quatre temps :
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les moteurs à allumage commandé ;
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et les moteurs Diesel.
Dans la terminologie motoriste, un temps correspondant à un demi-tour de vilebrequin, un moteur à quatre temps est un moteur pour lequel le vilebrequin doit effectuer deux rotations complètes pour que l’état du moteur revienne dans son état initial.
Il existe aussi des moteurs à deux temps. Moins courant que les moteurs à quatre temps, ils ne seront pas pris en exemple dans ce dossier. Notons aussi que le plus fréquemment, les moteurs sont multicylindres. On ne se préoccupe ici que des opérations qui ont lieu dans un seul cylindre.
Dans le cas d’un moteur à allumage commandé (figure 1), on observe les phases suivantes :
-
le premier temps (figure 1 a ) est réservé à l’admission du mélange air-carburant (essence) réalisé en général dans la canalisation d’admission à l’amont du cylindre ; le piston se déplace vers le bas, la soupape d’admission est ouverte, celle d’échappement est fermée ;
-
au cours du deuxième temps (figure 1 b ), le mélange est comprimé par le piston ; les deux soupapes sont fermées ;
-
au début du troisième temps (figure 1 c ), une étincelle est produite aux bornes de la bougie, ce qui provoque l’inflammation (commande de l’allumage), puis la combustion quasi instantanée du mélange carburé : la pression et la température augmentent d’abord fortement et très rapidement puis, en se déplaçant vers le bas, le piston produit une détente des fumées ; les deux soupapes restent fermées ;
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le quatrième temps (figure 1 d ) sert à l’échappement des fumées ; la soupape d’échappement est ouverte, celle d’admission est encore fermée.
En réalité, l’étincelle est produite avant la...
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