Cours Moteur III 2024-2025 - École Nationale Supérieure Maritime - PDF

École Nationale Supérieure Maritime Cours Moteur III Master 2: Mécanique Navale Enseignant: B. Amiri 2024-2025 Programme: ❖ I. Cycles théoriques. ❖ II. Diagrammes réels. ❖ III. La suralimentation. ❖ IV. La com...

École Nationale Supérieure Maritime Cours Moteur III Master 2: Mécanique Navale Enseignant: B. Amiri 2024-2025 Programme: ❖ I. Cycles théoriques. ❖ II. Diagrammes réels. ❖ III. La suralimentation. ❖ IV. La combustion. ❖ V. Bilan énergétique. ❖ VI. Turbine à gaz c CHAPITRE II Diagrammes réels. I. Introduction Le cycle réel d'un moteur à combustion interne est affecté par diverses pertes, telles que les pertes de chaleur, les frottements internes, les pertes de pression, et d'autres facteurs. Cycle réel = cycle irréversible II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.1. Diagramme réel avant le réglage La première réalisation pratique d’un moteur à piston a été réussie par Otto chez Deutz à Cologne en 1876. Cependant, le graphique des pressions qu'il releva sur le moteur monocylindrique à piston tournant à 180 tr/min s'écartait assez nettement du cycle théorique de Beau de Rochas; II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.1. Diagramme réel avant le réglage On distingue : ❖ La surface supérieure qui est le travail moteur : S2 (Boucle Haute pression). ❖ La surface inférieure qui est le travail résistant (pertes par pompage). S1 (Boucle basse pression). Le rendement pratique était inférieur au rendement théorique. Le travail Wnet: S2 – S1 est insuffisant. Défauts constatés : Remplissage insuffisant. Compression insuffisante, Pression de combustion trop faible. En fin de détente, la pression des gaz est nettement supérieure à la pression atmosphérique. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.1. Diagramme réel avant le réglage En pratique, le diagramme réel est notamment différent du diagramme théorique du fait des hypothèses suivante: ❖ La composition chimique et la quantité du fluide-moteur sont toujours variées par suite de la combustion au cours du cycle. ❖ Les caractéristiques du fluide-moteur (chaleur spécifique, etc.) comptées constantes dans le cycle thermodynamique varient avec la température dans le cycle réel. ❖ Le fonctionnement du moteur nécessite l’évacuation des produits de combustion et l’introduction périodique, au début de chaque cycle, de la charge fraîche. Le remplissage du cylindre du moteur dépend considérablement de son nettoyage, ❖ À l’admission, la pression est inférieure à l’atmosphérique (dans le cas d’un moteur non suralimenté) du fait de l’aspiration du piston et de l’inertie du gaz non nulle. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.1. Diagramme réel avant le réglage Suite des hypothèses : ❖ 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. À la compression, la pression finale est inférieure à la théorique du fait du remplissage moindre et des échanges de chaleur entre le fluide moteur et les parois du cylindre. ❖ Combustion: la combustion du mélange air/essence n’est pas instantanée au PMH donc non isochore, et ni isobare. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.2. Diagramme réel après le réglage Afin que les moteurs puissent fonctionner, et donc se rapprocher du diagramme théorique et tirer ainsi du moteur un meilleur rendement, il est nécessaire, de réaliser certains réglages : ❖ Augmenter le temps d'ouverture des soupapes afin d'éviter le freinage des gaz et améliorer le remplissage. L’amélioration du remplissage permet d’obtenir une pression de fin de compression plus élevée. ❖ Le point d'allumage devra être avancé pour tenir compte du délai d'inflammation (compenser la durée de combustion). On procède de la manière suivante : ❖ Avance à l'ouverture de l'admission (AOA) : Cette avance évite l'arrêt de la veine gazeuse devant une soupape fermée et améliore ainsi le taux de remplissage. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.2. Diagramme réel après le réglage ❖ Retard à la fermeture de l'admission (RFA) : On profite de l'inertie des gaz pour augmenter le remplissage et ne refermer la soupape qu'après le PMB. La diminution du temps de compression est compensée par une pression de début de compression plus élevée. ❖ Avance à l'injection (AI) ou avance à l’allumage (AA) : Elle permet de répartir l'injection de part et d'autre du PMH. Permet d’obtenir une pression maximale élevée sur le piston en compensant la durée de combustion. Augmentation de la durée du temps de détente. ❖ Avance à l'ouverture de l'échappement (AOE) : Elle permet d'accélérer la chute de pression des gaz brûlés afin de limiter leur tendance à la contre-pression (diminuer la contre pression pendant la remontée du piston). ❖ Retard à la fermeture de l'échappement (RFE) : On profite de l'inertie des gaz pour faciliter leur évacuation complète. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.2. Diagramme réel après le réglage On obtient alors le diagramme réel: L’avantage étant que : ▪ L'aire S a augmenté, l'aire r a diminué. ▪ Le travail utile du moteur est donc plus important. Diagramme théorique. S Diagramme réel. II. Diagramme réel d’un moteur à essence II.2. Diagramme réel après le réglage ▪ Diagramme réel après réglage. III. Diagramme réel d’un moteur Diesel Pression Combustion à pression constante Combustion à volume constant Cycle mixte théorique ▪ Afin d’obtenir un rendement assez bon que possible et un Cycle mixte réel diagramme le plus proche que possible du diagramme théorique le temps d’ouverture et de fermeture des soupapes ainsi que le point d’allumage sont modifiés. Volume III. Diagramme réel d’un moteur Diesel Dans le cas des moteurs Diesel, le croisement des soupapes est favorisé, car l’air frais, qui peut être de la suralimentation, ressorte par la soupape d’échappement, en diminuant sa température et par suite la pression et la température des gaz brûlés sortis. ▪ L’épure circulaire. III. Diagramme réel d’un moteur Diesel Dans le cas des moteurs Diesel, le croisement des soupapes est favorisé, car l’air frais, qui peut être de la suralimentation, ressorte par la soupape d’échappement, en diminuant sa température et par suite la pression et la température des gaz brûlés sortis. III. Prise de diagramme sur le moteur ❖ Le cycle réel peut être déterminer en utilisant l’indicateur de pression (pressure indicator). ❖ Il est constitué d'un petit piston de taille connue qui fonctionne dans un cylindre contre un ressort spécialement calibré. Une tringlerie (linkage) transfère le mouvement du piston à un tambour sur lequel est monté un morceau de papier ou de carte. III. Prise de diagramme sur le moteur ❖ Le tambour (drum) oscille (se déplace d'avant en arrière) sous la traction de la corde. La corde est déplacée par un mécanisme alternatif (de haut en bas) proportionnel au mouvement du piston du moteur dans le cylindre. ❖ Le stylet dessine un diagramme indicateur qui représente la pression du gaz sur le piston du moteur à différents points de la course, et la zone du diagramme indicateur produit représente la puissance développée dans le cylindre particulier. ❖ La puissance du cylindre peut être mesurée si les facteurs d'échelle, l'étalonnage du ressort et certains détails de base du moteur sont connus. Les valeurs de puissance des cylindres sont comparées et, pour une charge équilibrée, elles doivent toutes être identiques. III. Prise de diagramme sur le moteur Habituellement, le cycle de réel est représenté sous la forme d’un diagramme appelé diagramme indiqué, par la variation de la pression dans le cylindre en fonction soit de l’angle de rotation du vilebrequin θ, soit en fonction du volume V dans le cylindre, soit encore en fonction de la course du piston L. ❖ L’indicateur de pression peut fournir deux types de diagrammes: Le diagramme indiqué P-V. Le diagramme de temps. III. Prise de diagramme sur le moteur De nos jours, avec l'automatisation et la numérisation des systèmes de contrôle des moteurs marins, ces diagrammes sont souvent générés informatiquement pour une surveillance en temps réel. III. Prise de diagramme sur le moteur Voici une procédure générale pour obtenir le diagramme du cycle réel d'un moteur diesel marin à l'aide d'un système informatisé : ❖ Capteurs de pression : Tout d'abord, le moteur est équipé de capteurs de pression qui mesurent la pression à l'intérieur du cylindre du moteur. ❖ Acquisition de données : Les données de pression collectées par les capteurs PMI (Pressure Monitoring Instrument). Le capteur PMI utilise un transducteur piézo-électrique. Cet appareil est connecté à une boîte de jonction située près du moteur. III. Prise de diagramme sur le moteur Synchronisation : Il est essentiel que les données de pression soient synchronisées avec la position du piston dans le cylindre. La synchronisation se fait généralement à l'aide d'un capteur de position du piston. Traitement des données : Les données brutes de pression sont ensuite traitées par le système informatisé. Le logiciel analyse ces données et les convertit en un diagrammes. Il peut également calculer des paramètres importants tels que la pression maximale, le taux de compression, la température, etc. Affichage : Les diagrammes résultants sont généralement affichés sur un écran d'ordinateur dans la salle de contrôle du navire. III. Prise de diagramme sur le moteur Les données de pression les diagrammes résultants sont utilisés pour analyser les performances du moteur, surveiller l'efficacité de la combustion, et pour prendre des décisions en matière d'entretien ou d'optimisation du moteur. Affichage des diagramme sur ordinateur. III. Prise de diagramme sur le moteur Des diagrammes indicateurs sont utilisés pour évaluer les performances de chaque unité du moteur principal du navire. C'est sur la base du diagramme indicateur que les performances globales du moteur sont évaluées car il facilite la recherche des défauts potentiels. Différentes étapes de la combustion dans un moteur Diesel. III. Prise de diagramme sur le moteur Pour l’étude des paramètres de la combustion, on suppose que le processus de combustion dans les moteurs diesels se déroule en 4 phases: A: Début de l’injection. A-B: Le délai d’inflammation (ignition delay). Dans cette phase se déroule les processus suivants: La pulvérisation, l’échauffement, la vaporisation du combustible. Le brassage de l’air chaud avec les vapeurs de combustible. Le déclanchement de la réaction chimique. B-C: Combustion rapide incontrôlée (rapid combustion). Dans phase le mélange d’air et de carburant s’enflamme automatiquement lorsqu’il a atteint sa température d’auto-inflammation. En raison de ce mélange hétérogène, des flammes apparaissent à plusieurs endroits où la concentration du mélange est élevée. Le carburant accumulé pendant le délai se brûle à un rythme extrêmement rapide. Cela provoque une augmentation de la pression et de la température dans le cylindre. Durant cette étape, vous ne pouvez pas contrôler la quantité de carburant brûlé, c'est pourquoi cette période est appelée période de combustion incontrôlée. III. Prise de diagramme sur le moteur Lorsque la flamme s'est formée, le mélange situé dans la zone à faible concentration commence à brûler par la propagation des flammes ou par auto-inflammation, en raison du processus de transfert de chaleur. C-D: Combustion contrôlée (controlled combustion). Lorsque le carburant accumulé pendant la période de retard a complètement brûlé pendant la période de combustion incontrôlée, la température et la pression du mélange dans le cylindre sont si élevées que le nouveau carburant injecté par la buse brûlera rapidement en raison de la présence d'une quantité suffisante d'oxygène dans la chambre de combustion. C'est la raison pour laquelle nous pouvons contrôler l'augmentation de la pression dans le cylindre en contrôlant le débit d'injection de carburant. Par conséquent, cette période de combustion est appelée période de combustion contrôlée. D: La fin de l’injection. D-E: La postcombustion (after burning). Au cours de cette phase, se brulent les portions lointaines du mélange restant pendant la course de détente. Fin du chapitre II