Introduction aux Moteurs Thermiques

Introduction aux Moteurs Thermiques

• Un moteur thermique est une machine motrice à combustion:
  • Il convertit l'énergie chimique du carburant en énergie thermique, puis en énergie mécanique (couple de force)
• On distingue principalement deux types de moteurs thermiques:
  • Moteurs à combustion externe (ex: machines à vapeur, moteurs Stirling)
  • Moteurs à combustion interne

Types de Moteurs à Piston Alternatif

• Moteurs à essence (à explosion)
  • La combustion du mélange air/essence est amorcée par une étincelle de bougie
  • Ils possèdent un système d'allumage commandé
  • Préparation du mélange air/essence:
    • Carburation
    • Injection d'essence
• Moteurs diesel (à combustion)
  • La combustion est déclenchée par l'injection de gasoil sous pression dans de l'air fortement comprimé
  • Auto-inflammation du mélange

Fonctionnement d'un Moteur Thermique à Piston Alternatif

• La détente des gaz portés à haute pression et température, issus de la combustion d'un carburant dans l'air comprimé, est utilisée
• Le mouvement rectiligne alternatif du piston est transformé en mouvement rotatif par un système bielle-manivelle

Constitution d'un Moteur Thermique à Piston Alternatif

• Organes mobiles :
  • Piston, Bielle, Vilebrequin, Volant moteur, Arbre à cames, Soupapes
• Organes fixes :
  • Cache soupapes, Culasse, Bloc cylindres, Carter d'huile, Carter de distribution
• Organes des accessoires :
  • Système de graissage, Système de refroidissement, Système d'alimentation, Système d'allumage, Système de démarrage, Système de charge

Cycle Thermodynamique à Quatre Temps

• Un cycle thermodynamique est un ensemble d'opérations successives ramenant le moteur à son état initial
• Ordre des opérations (toujours le même):
  • 1er Temps : Admission
  • 2ème Temps : Compression
  • 3ème Temps : Combustion-Détente
  • 4ème Temps : Échappement
• Ce cycle transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique en quatre temps
• Chaque temps correspond à un demi-tour de rotation du vilebrequin (montée ou descente du piston)
• Les temps 1 et 4 sont dédiés aux transferts de gaz, tandis que les temps 2 et 3 sont dédiés à la préparation et à la combustion
• Les 4 temps pour un moteur à essence
  • Admission :
    • La soupape d'admission s'ouvre, aspiration du mélange gazeux air-essence (pression atmosphérique de 1.033 bars)
  • Compression :
    • Les deux soupapes sont fermées, compression du mélange
  • Explosion combustion/détente :
  • Allumage du mélange air-essence par un arc électrique
  • Augmentation violente de la pression dans le cylindre et déplacement du piston
  • Echappement :
    • La soupape d'échappement s'ouvre, et le piston remonte pour évacuer les gaz brûlés
• Les 4 temps pour un moteur Diesel
  • Admission :
    • La soupape d'admission est ouverte, aspiration de l'air seul (pression atmosphérique 1.033 bars)
  • Compression :
    • Les deux soupapes sont fermées, compression de l'air (pression de 35 à 45 bars, température entre 500 °C et 600 °C)
  • Inflammation / détente :
    • Injection du combustible dans la chambre de combustion
    • Auto-inflammation du combustible au contact de l'air comprimé
    • Augmentation rapide du volume des gaz
  • Echappement :
  • La soupape d'échappement s'ouvre, évacuation des gaz brûlés
• Conclusion
  • Le cycle thermodynamique à quatre temps nécessite deux tours complets du vilebrequin (720°)
  • Pendant 180° (combustion-détente), il y a production de travail
  • L'énergie emmagasinée par le volant moteur est utilisée pour les temps résistants (échappement, admission, compression)

Cycle à Deux Temps (Moteur à Essence)

• Se distingue du cycle à quatre temps par seulement deux mouvements linéaires du piston, bien que les quatre opérations soient effectuées
• Il y a un cycle moteur par tour au lieu de deux tours pour un moteur à 4 temps
• Le cycle à deux temps comprend:
  • 1er Temps : combustion/détente, échappement/admission
  • 2ème Temps : compression
• Détail des étapes
  • 1 - La bougie crée l'explosion et le piston descend, comprimant le mélange dans le carter (détente)
    • L'entrée de mélange dans le carter se ferme
  • 2 - Le piston débouche les lumières d'échappement et d'arrivée de mélange (admission et échappement)
  • 3 - Le piston compresse le mélange dans le cylindre (compression)
  • L'arrivée de mélange air-essence est permise par la soupape d'arriver

Diagramme Théorique du Cycle à 4 Temps

• Les diagrammes théoriques représentent les variations de pressions dans un cylindre en fonction des variations de volumes dues aux déplacements du piston.
• Fonctionnement du cycle théorique de Beau de Rochas (moteur à essence)
  • Admission:
    • Pression atmosphérique (1 bar), le mélange gazeux est aspiré à pression atmosphérique
  • Compression :
    • Pression à environ 10 bars en fin de compression
  • Combustion :
    • Pression à environ 25 bars
  • Détente :
    • Pression chute à environ 6 bars
  • Échappement :
    • Pression chute de 6 à 1 bar
• Fonctionnement du cycle théorique de Sabathe (moteur Diesel)
  • Le mélange s'effectue en fin de compression (injection de carburant)
  • L'air est porté à une température supérieure à l'auto-inflammation du carburant
  • La combustion est déclenchée par le début de l'injection
  • Variante : une partie du carburant brûle à volume constant et une partie brûle à pression constante

Cycle Réel à 4 Temps (Moteurs Thermiques)

• Un cycle à 4 temps réel est un ensemble réel d'opérations entre l'admission des gaz frais et l'expulsion des gaz brûlés
• Paramètres dont les cycles théoriques ne tiennent pas compte:
  • Temps d'ouverture/fermeture des soupapes, délai d'injection, délai d'inflammation, inertie des gaz, échange de chaleur avec l'extérieur
• Moteur à essence:
  • Admission :
    • La soupape est déjà ouverte (AOA), descente du piston et dépression (0.90 bars)
    • La soupape ne se ferme qu'après remontée RFA
  • Compression :
    • Commence à la fermeture de la soupape d'admission (AA)
  • Explosion/Combustion/Détente :
    • Allumage avancé (AA) pour délivrer la pression optimale
  • Échappement :
    • La soupape s'ouvre avant l'arrivée au PMB (AOE) et ne se ferme que après sa descente (RFE)
• Moteur Diesel :
  • Compression :
    • C'est l'air pur qui est admis, et comprimé
    • Le carburant est introduit directement dans le cylindre en fin de compression (AI)
  • Inflammation / détente :
    • Le mélange s'enflamme spontanément (sans étincelle)

Diagramme Réel du Cycle A 4 Temps d’un Moteur A Essence

• Un diagramme réel est relevé sur le moteur au moyen d'appareil enregistreur (mécanique, optique ou électrique)
• Il permet de suivre en détail le fonctionnement réel du moteur, et d'effectuer les réglages de distribution/avance à l'allumage
• Admission -Avance à l'ouverture de l'admission (AOA) -Retard à la fermeture de l'admission (RFA)
• Avance à l'allumage (AA)
• Avance à l'ouverture de l'échappement (AOE)
• Retard à la fermeture de l'échappement (RFE)

Diagramme Réel du Cycle A 4 Temps d’un Moteur Diesel

• Un diagramme réel est relevé sur le moteur au moyen d'appareil enregistreur (mécanique, optique ou électrique)
• Il permet de suivre en détail le fonctionnement réel du moteur, et d'effectuer les réglages de distribution/avance à l'injection
• AOA, RFA, AI, AOE, RFE

Epure de distribution

• Un diagramme circulaire donne une idée du principe fondamental d'un moteur à quatre temps.
• Paramètres: -Avance à l'ouverture de l'admission (AOA) -Retard à la fermeture de l'admission (RFA) -Avance à l'ouverture de l'échappement (AOE) -Retard à la fermeture de l'échappement (RFE)
• Angle du vilebrequin pendant le temps -Admission = AOA + 180° + RFA -Compression = 180° - AA - RFA -Combustion détente = 180° - AOE + AA -Echappement = 180° + AOE + RFE -Cycle = Adm+ Comp + Comb.Det + Eha- (AOE + RFE)= 720°

Description de l'epure de distribution

• L'inertie des gaz aspirés améliore le remplissage du cylindre (AOA)
• Le remplissage maximal est obtenu avec la soupape ouverte quand la dépression se fait sentir dans le cylindre
• L'évactuation des gaz est plus efficace (RFA)
• La pression diminue afin d'éviter les contre-pressions (AOE)
• Le délais d'injection est pris en compte (AI)
• Un délais d'inflammation est pris en compte (AA)

La Carburation

• Ensemble des opérations réalisant le mélange intime du carburant avec l’air dans des proportions précises
• Phases de transformation en mélange carburé :
  • Dosage : La quantité du carburant par rapport à l’air doit être proportionnée
  • Vaporisation : Le carburant et l’oxygène, se trouvent dans le même état physique (gazeux)
  • Homogénéité : Chaque molécule du carburant devant être entourée de molécules d’oxygène.
• La carburation peut être réalisée par carburateur ou par injection

La combustion

• Ensemble des phénomènes physiques, chimiques et thermodynamiques combinant un combustible avec l'oxygène
• Combustion interne: Les opérations se déroulent à l'intérieur même du moteur.
• Le rôle de la combustion est de transformer l'énergie chimique potentielle du carburant en énergie thermique
• Il faut mettre en présence : -Carburant à haut pouvoir calorifique, comburant (l'oxygène de l'air) et source de chaleur
• Pour rendre le mélange combustible: carburation.
• Les opération essentielles sont: injection, échauffement, inflammation, et enfin combustion.

Moteur multicylindrique

• Il est indispensable de régulariser le couple à la sortie du moteur
• Les 4 temps du cycle de travail sont repartis sur deux rotations du vilebrequin
• L'intervalle de l'allumage est de 360°, 180°, 120° et 90°
• Le système d'allumage produit les étincelles électriques, selon un certain ordre de fonctionnement des cylindres

Système bielle manivelle

• C'est l'ensemble des éléments (piston, axe, bielle, vilebrequin, volant moteur) qui permet la transformation de l'énergie thermodynamique en énergie cinétique de rotation
• Transformation du mouvement : rectiligne alternatif du piston qui engendre le mouvement circulaire continu du vilebrequin
• Les moteurs thermiques sont constitués d'un ou plusieurs cylindres confinant les combustions
• Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif
• Mouvement transformé en rotation, par l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin

Caractéristiques techniques des moteurs thermiques

• Course: distance entre le PMH et le PMB
• L’alésage : diamètre du cylindre ;
• Le nombre et la disposition des cylindres
• La cylindrée ;
• Le rapport volumétrique ;
• Le couple moteur ;
• La puissance maximale
• La puissance fiscale.

De la cylindrée

• Cylindrée unitaire : volume entre le PMH et le PMB exprimé en centimètre cubes ou en litre
• Cylindrée totale : volume total des cylindres exprimé en centimètre cubes ou en litre

Rapport Volumetrique

• C'est le rapport entre le volume total du cylindre lorsque le piston est au PMB, et le volume restant lorsque le piston est au PMH

Le couple moteur

• C'est le produit de la force sur la bielle par la longueur du bras de maneton

La puissance

• La puissance est égale au quotient du travail par le temps

Consommation Spécifique Effective

• La Cse est la masse de carburant, que le moteur consommerait pour délivrer une puissance de 1 kW pendant une heure

Comparaison entre le moteur à essence et le moteur diesel

• L'étude comparative montre que le moteur à essence et le moteur diesel ont des organes qui assurent les mêmes fonctions.
• La différence essentielle entre le moteur à essence et le moteur diesel réside dans le mode de formation du mélange et le mode d'allumage

Constituants

• Le bloc-cylindres
• organe fixe du mécanisme moteur qui établit l’espace nécessaire a l’l'évolution du cycle a 4 temps.
• reçoit l’embiellage.
• le support de la culasse, et du carter inférieur.
• structure:
• cylindres (bloc-cylindres non chemisé) ou les logements de chemises (bloc-cylindres a cylindres rapportés)
• le plan supérieur des trous filetés assurent la fixation de la culasse
• des alésages à l'intérieur pour recevoir l’arbre à cames et la commande des soupapes
• relié au collecteur d’admission ou au filtre à air par un reniflard
• L'embiellage mobile -transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement de rotation du vilebrequin.
• composé de: piston, segments, axe de piston, bielle, vilebrequin et volant moteur -Les culasses. -ferme le haut des cylindres en formant une partie de la chambre de combustion

Pièces de la culasse:

Les chambres de combustion, conduits d'admission et d'échappement des gaz, -Soupapes: -permettent le passage des gaz dans un temps très court tout en assurant, sur leur siège, une étanchéité parfaite du cylindre. -composée tête, portée conique, et d'une queue -avec les soupapes , une bonne ventilation et une plus grande surface de soupapes par cylindre améliorent le débit d'admission

• Les soupapes remplies de sodium améliorent le flux de chaleur

Transmission

-l'arbre a cames qui permet de commander de façon précise la levée des soupapes -cames de l'arbre -poussoirs