Historique des Moteurs Thermiques PDF

Unité d’Enseignement : Moteurs Thermiques Théorie 1 M.  Chapitre 1 : les moteurs thermiques.  Historique : C'est vers 1770 qu'apparaît la première machine à vapeur appelée "pompe à feu". On la doit à l'écossais James WATT, qui s'en servit pour po...

Unité d’Enseignement : Moteurs Thermiques Théorie 1 M.  Chapitre 1 : les moteurs thermiques.  Historique : C'est vers 1770 qu'apparaît la première machine à vapeur appelée "pompe à feu". On la doit à l'écossais James WATT, qui s'en servit pour pomper l'eau des mines. Peu après, le même Watt songea au système bielle-manivelle pour transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement de rotation. Vers 1860, un ingénieur belge, Etienne LENOIR, réalisa le premier véhicule automobile doté d'un moteur à combustion interne. L'énorme différence entre le moteur de Watt et celui de Lenoir était que, pour le premier, la combustion nécessaire à produire la vapeur avait lieu hors du moteur, alors que, pour le second, la combustion se fait à l'intérieur même du moteur : MOTEUR A COMBUSTION INTERNE. L’idée de génie de Beau de Rochas, qui perfectionna le cycle de Lenoir, fut de comprimer le mélange avant combustion. Historique :  Historique : L'énergie nécessaire était un mélange de gaz d'éclairage et d'air. L'explosion était assurée par une bougie à étincelle et d'une bobine de Ruhmkorff.  Historique : Le mélange gaz-air n'était donc pas comprimé ; le moteur développait environ 1 cheval avec un rendement de 2 à 4 %. Tous les moteurs à combustion interne qui suivirent, ne furent que des moteurs Lenoir améliorés. Les Allemands OTTO et LANGEN furent les premiers à conclure que le rendement serait meilleur si le carburant était d'abord mélangé au comburant et ensuite comprimé. Cela n'est réalisable que si le moteur fonctionne en 4 phases : admission, compression, propulsion, échappement. Le premier moteur à 4 temps fut exposé à Paris en 1878, il développait 10 chevaux. Le premier moteur « 2 temps » fut construit par l’américain Brayton en 1979. Ce moteur, développé par l'anglais CLERK, comprenait un cylindre d'alimentation séparé qui forçait les gaz dans le moteur. Les soupapes fonctionnaient automatiquement par différence de pression entre les 2 cylindres. L’idée de génie de Beau de Rochas (cycle de moteur à essence actuel), qui perfectionna le cycle de Lenoir, fut de comprimer le mélange avant combustion.  Historique : Ces deux moteurs de base furent ensuite améliorés par les Allemands Maybach, Daimler et Benz. MAYBACH inventa le carburateur pour hydrocarbures, qui permettra de remplacer le gaz par un combustible liquide. DAIMLER perfectionna le principe d'allumage et permit d'augmenter la vitesse de rotation. Il inventa également le premier moteur 2 cylindres en V. BENZ améliora le moteur 2 temps en supprimant la pompe de compression, utilisant la chambre en dessous du piston comme compresseur. A la fin du 19eme siècle, la découverte la plus importante fut l'œuvre de Rudolph DIESEL avec son moteur révolutionnaire. Il s’aperçut qu’une forte compression préalable permettait une combustion spontanée et de plus le rendement s’en trouvait amélioré. Donc ici, pas d’étincelle pour provoquer la combustion.  Généralités : On appelle MOTEUR, toute machine transformant une énergie fournie sous une forme quelconque, en énergie mécanique. Si l'énergie transformée est de la chaleur, nous parlerons de MOTEUR THERMIQUE. Pour produire de l'énergie calorifique, il faut brûler un combustible et donc disposer : D’un combustible, D’un comburant, D'une chambre de combustion.  Classification : Moteurs thermiques à combustion externe : La combustion s'effectue dans un foyer et la chaleur est absorbée et transportée par un fluide vers le moteur qui la transforme en énergie mécanique. Exemple: la machine à vapeur. Moteurs thermiques à combustion interne : Le combustible est brûlé dans le moteur lui-même et l'énergie dégagée par la combustion est directement transformée en énergie mécanique. Ce sont les gaz à haute pression et à haute température qui fournissent la force motrice. Il existe des moteurs à piston, à rotor, à turbine ou à réaction.  Classification : En fonction du mode d'allumage, nous distinguerons : Dans les moteurs à allumage commandé, l'allumage du mélange sera commandé par une étincelle. Ce mélange d'air et de combustible (essence ou gaz) sera comprimé dans le cylindre avant l'allumage. Dans les moteurs à allumage spontané, l'allumage débutera lors de l'injection du combustible dans l'air préalablement comprimé (moteur diesel). Les moteurs à combustion continuent : moteurs à réaction et fusées. Classification : Construction générale : Collecteur Bloc moteur Circuit de refroidissement Conduit d’admission Toute la partie du dessus est la culasse Construction générale :  Construction générale : Le cylindre. Tube cylindrique ouvert à sa partie inférieure et fermé à sa partie supérieure par la culasse. Il sert de guide au piston et d'enceinte aux gaz. La culasse. Elle forme avec le cylindre la chambre de combustion et comporte les ouvertures permettant la communication avec l'extérieur. Le piston. Pièce cylindrique de diamètre légèrement inférieur au cylindre, dont la face supérieure est soumise à la poussée des gaz. Il participe également à la chambre de combustion. Il transmet la poussée à la pièce (bielle) suivante par son à axe. La bielle. Pièce rectiligne reliée à l'axe du piston par son pied et au vilebrequin par sa tête. Elle transmet au bras de levier du vilebrequin, l'action de la poussée des gaz. Le vilebrequin. Pièce supportée par des paliers, reliée à la bielle par des bras de manivelle. Il assure la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement rotatif.  Caractérisques : ALESAGE diamètre intérieur du cylindre exprimé en mm (A) COURSE distance parcourue par le piston entre ses deux positions extrêmes (PMH et PMB) exprimée en mm (C) On appelle moteur conventionnel ou longue course, un moteur où la course est supérieure à l'alésage; moteur carré si la course égale l'alésage et moteur super carré si la course est inférieure à l'alésage. La vitesse moyenne du piston (en m/s) est fonction du régime de rotation du moteur  Caractéristiques : La cylindrée unitaire est le volume engendré par le piston pendant sa course. Elle s'exprime en cm3 ou en litres. La cylindrée totale est le produit de la cylindrée unitaire par le nombre de cylindres Le volume de compression V est le volume compris entre le fond du piston au PMH et la culasse. Le rapport volumétrique est le rapport entre le volume d'un cylindre, piston au PMB et le volume restant, piston au PMH. Application : …  Caractéristiques : Le taux de remplissage est le rapport entre le volume de gaz admis dans le cylindre ramené à la pression atmosphérique et le volume d'un cylindre (Vu + V). A 26 m/s de vitesse moyenne (VMP), un piston de Formule 1 atteint 41 m/s (148 km/h) entre ses 620 arrêts par seconde espacés d'environ 42 mm (sa course) et il subit des accélérations de 10 000 G ! Les valeurs atteintes par les moteurs de production ne sont guère moins impressionnantes : à 6500 tr/min, chaque piston d'un moteur Alfa-Romeo JTS accélère 217 fois par seconde de 0 à 32 m/s (115 km/h) dans sa course de 91 mm, pour une vitesse moyenne de 19,7 m/s. Autre exemple, à 7500 tr/min, soit une VMP de 23,25 m/s, les pistons d’une Renault Clio Sport 2006 atteignent 38 m/s (137 km/h) vers 75° du PMH et ils sont soumis a des accélérations de quelque 3800 G (37'000 m/s2). VMP (en m/s) = course (en mm) x régime (en tr/min) / 30’000  Le cycle d’un moteur thermique : Le moteur à essence : Sur le moteur à essence conventionnel, le mélange d'essence et d'air est formé en dehors de la chambre de combustion, puis amené dans la chambre de combustion. Les moteurs à essence modernes, dits à injection directe, forment le mélange essence-air directement dans la chambre de combustion. Le moteur à essence possède un allumage commandé. Cela veut dire que le mélange est amené à la combustion par une bougie électrique. Les moteurs à essence peuvent fonctionner avec divers carburants. Il s'agit de : Essence Méthanol Gaz véhicule.  Le cycle d’un moteur thermique : Formation du mélange externe : La formation externe du mélange est le standard sur les moteurs à essence conventionnels. Le carburant est injecté dans la tubulure d'admission juste avant la soupape d'admission. La soupape d'admission est encore fermée au début de l'injection. Le mélange essence-air est aspiré conjointement dans le cylindre puis comprimé. Il reste alors suffisamment de temps pour obtenir un mélange homogène complet. Formation du mélange interne : La formation interne du mélange est utilisée sur les moteurs à essence modernes à injection directe et sur tous les moteurs diesel. Là, le carburant est injecté directement dans le cylindre. En fonction du point d'injection, le carburant se mélange à l'air dans la chambre de combustion pour donner un mélange homogène, ou le temps ne suffit pas et il se forme un mélange hétérogène.  Le cycle d’un moteur thermique : Le moteur Diesel : Sur le moteur diesel, le mélange n'est toutefois pas formé à l'intérieur de la chambre de combustion, ce qui veut dire que l'air et le carburant sont envoyés séparément dans la chambre de combustion. Une autre différence par rapport au moteur à essence est l'allumage. Sur le moteur diesel, le carburant s'enflamme spontanément sous l'effet de la température et de la pression. Aucune bougie d'allumage n'est nécessaire.  Le cycle d’un moteur thermique : Le cycle théorique du moteur à essence comporte 4 opérations (Beau de Rochas): l'admission d'un mélange air-combustible ou d'air seul ; la compression du fluide ; l'allumage du mélange ou l'injection de combustible; l'évacuation des gaz brûlés. Ces 4 opérations peuvent se dérouler les unes après les autres (4 temps) ou les unes en même temps que les autres (2 temps). Un cycle est une suite de phénomènes qui se reproduisent dans un ordre déterminé avec retour aux conditions initiales. L'étude du cycle théorique se fera pour un moteur 4 temps, monocylindre, pour lequel aucun échange de chaleur n'intervient avec l'extérieur, De plus, nous admettrons que les variations de pression sont immédiates (mouvements de soupapes instantanés et combustion instantanée).  Le cycle d’un moteur thermique : 1er temps : Admission Au début du premier temps, le piston se trouve au point mort haut et se déplace en direction du point mort bas. La soupape d'admission s'ouvre. La descente du piston se traduit par l'augmentation du volume de la chambre de combustion. Une légère dépression est créée, qui permet d'aspirer le mélange essence- air dans la chambre de combustion à travers la soupape d'admission ouverte. Lorsque le piston a atteint le point mort bas, la chambre de combustion est remplie par le mélange essence-air. La soupape d'admission se ferme.  Le cycle d’un moteur thermique : 2e temps : Compression Les soupapes étant fermées, le piston se déplace du point mort bas vers le point mort haut. Etant donné que le volume de la chambre de combustion se réduit et que le mélange essence-air ne peut pas s'échapper, celui-ci est fortement comprimé. La pression augmente considérablement dans la chambre de combustion. La compression rapide entraîne aussi une augmentation de la température dans la chambre de combustion. Juste avant d'atteindre le point mort haut, le mélange est enflammé par une étincelle qui jaillit de la bougie d'allumage. C'est ce qu'on appelle le point d'allumage. Le mélange essence-air brûle et libère alors de l'énergie calorifique. Le gaz se dilate fortement avec l'augmentation de la température. Comme la chambre de combustion est un espace fermé, le gaz ne peut pas se dilater aussi rapidement. C'est pourquoi la pression augmente subitement dans la chambre de combustion.  Le cycle d’un moteur thermique : 2e temps : Compression  Le cycle d’un moteur thermique : 3e temps : Explosion Du fait de la forte pression régnant dans la chambre de combustion, une force agit sur ses limites (parois, toit de la chambre de combustion et piston). Le piston se déplace en direction du point mort bas sous l'effet de cette force. Le volume augmente, le gaz peut se dilater et la pression diminue dans la chambre de combustion. Un travail est ainsi accompli. L'énergie chimique emmagasinée dans le carburant est convertie en travail mécanique. Cette dilatation fait aussi baisser la température dans la chambre de combustion. A l'arrivée au point mort bas, la soupape d'échappement s'ouvre et la pression baisse jusqu'à la valeur de la pression environnante.  Le cycle d’un moteur thermique : 3e temps : Explosion  Le cycle d’un moteur thermique : 4e temps : Echappement Le piston se déplace du point mort bas vers le point mort haut. Le volume de la chambre de combustion diminue. Les gaz brûlés sont évacués à travers la soupape d'échappement ouverte. La pression dans la chambre de combustion augmente un court instant de façon minimale puis baisse à nouveau jusqu'à la fin à la pression environnante. A la fin du 4ème temps, lorsque le piston atteint le point mort haut, la soupape d'échappement se ferme. Le cycle recommence du début avec quatre temps supplémentaires.  Le cycle d’un moteur thermique : 4e temps : Echappement  Le cycle d’un moteur thermique réel : Dans l'étude du cycle, nous avons émis un certain nombre d'hypothèses purement théoriques, que la pratique ne peut réaliser. A l'admission : Nous avons considéré que la pression restait égale à la pression atmosphérique durant tout le temps. En réalité, il existe une certaine dépression due aux pertes de charge dans les canalisations d'acheminement du mélange. Cette dépression dépend de l'état du filtre à air, du diamètre et de la longueur des tuyauteries d'alimentation et de la section de passage offerte par l'ouverture de la soupape d'admission. Tous ces facteurs se traduisent par une pression légèrement inférieure en fin d'admission.  Le cycle d’un moteur thermique réel : A la compression : En plus de débuter à une pression inférieure à la pression atmosphérique, la compression n'est pas adiabatique : des échanges de chaleur entre le gaz et les parois du cylindre ne sont pas nuls. Nous aurons donc affaire à une compression polytropique. Une transformation polytropique est une modification de l'état thermodynamique d'un système avec un échange thermique partiel entre ce dernier et son environnement. Un état polytropique se classe donc entre le cas isotherme et le cas adiabatique.  Le cycle d’un moteur thermique réel : A l'explosion-détente : Nous avons considéré, dans le cycle théorique, que la combustion était instantanée et accompagnée d'une augmentation de pression instantanée et à volume constant. En fait, la réalité est tout à fait différente. De plus, la détente, supposée commencer au PMH, devrait être adiabatique. En fait, cette détente débutera après que le maximum de pression soit atteint et la chute de pression sera plus rapide à cause du refroidissement de la culasse, du piston et du cylindre.  Le cycle d’un moteur thermique réel : A l'échappement : Théoriquement, à l'ouverture instantanée de la soupape, la pression résiduelle chutait à la pression atmosphérique et tout le refoulement se faisait à cette pression. En fait, la chute de pression à l'ouverture sera progressive et la pression atmosphérique ne sera atteinte qu'au PMH. Cette évolution sera fonction des dimensions de la soupape, des canalisations d'échappement et du silencieux.  Le cycle d’un moteur thermique réel : En résumé, pour obtenir le diagramme PV, il faut tenir compte : de l'ouverture et la fermeture des soupapes de la combustion non-instantanée de la dépression à l'admission des échanges de chaleur à la compression et à la détente de la chute de pression graduelle à l'échappement.  Le cycle d’un moteur 2 temps : Un moteur à deux temps effectue un cycle complet en seulement deux mouvements linéaires. Le déplacement du piston dans le cylindre, par l’intermédiaire des conduits des lumières entre la partie basse du carter et la partie haute du cylindre, permet d’évacuer les gaz brûlés et remplir le cylindre de gaz frais via la boîte à clapet. Le cycle d’un moteur thermique réel : Résumé.  Le travail du cycle : Le travail du cycle sera égal au travail moteur diminué du travail résistant des autres temps. La thermodynamique nous enseigne que le travail d'une transformation est donné, sur le diagramme PV, par l'aire de la surface comprise sous la courbe (intégrale). Ce travail sera positif s'il correspond à une augmentation de volume, et négatif sinon. Dès lors, nous pouvons calculer le travail correspondant à chaque temps et en déduire le travail du cycle. Le travail du cycle :  Le travail du cycle : Le travail disponible (en Joule) est mesuré par l’aire BCDE (nouveau graphe). 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. D Surface équivalente C Pm th 10 bars E A Pa Pa B v V+v v V+v 1 cm3 Travail équivalent à la surface « s » : Ws (joules) = 10 bars x 1 cm3 W  pdv = 106 pascals x 10-6 m3 = 106 N.m-2 x 10-6 m3 = 1 N.m = 1 Joule  Le travail du cycle : 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). A Pmi Pa B Pa v V+v v V+v Wi = [S(A) – S(B)] x Ws Wi(joule)10 Wi10 PMI(bar daN /cm²)  V(cm3) v(  1) Avec : V = cylindrée unitaire (cm3) ; v = volume mort (cm3) ;  = rapport volumétrique  Conclusion : Pour augmenter le travail du cycle, il y a intérêt : A augmenter la surface CGDEC : Elle est en relation directe avec la pression maximum de combustion et donc avec le point de départ de celle-ci (avance à l'allumage) ; A diminuer la surface BEAFB Elle est en relation directe avec les points d'ouverture et de fermeture des soupapes. Il y aura donc lieu de corriger le cycle en fonction des remarques ci-dessus  Le cycle réel corrigé : Le cycle réel fut donc amélioré grâce à la modification de l’épure de distribution.  Le cycle réel corrigé : Calage d'allumage L'avance à allumage définit l'instant où commence l'allumage, considéré comme celui où s'ouvre le rupteur, par rapport à la position supérieure définie par le piston. L'avance peut s'apprécier par un angle de rotation du vilebrequin. On peut admettre que l'angle d'avance se compose de trois éléments : Une avance fixe résultant du calage initial du dispositif de déclenchement de l'allumage sur la rotation du moteur, cette avance fixe suffit en principe aux moteurs à régimes lents. Une avance variable dépendant de la vitesse de rotation, augmentant avec elle, mais non proportionnellement. Une correction de cette avance en fonction de la charge supportée par le moteur : cette correction est positive si la charge diminue ; mais elle peut être négative pour éviter la pollution au ralenti ou en cas d'emploi du frein-moteur. Cette correction est basée sur la dépression.  Le cycle réel corrigé : Exemples d'ordres de grandeur des avances : Le calage initial de l'allumeur donne une avance de 10º d'angle vilebrequin; l'avance maximale donnée par l'allumeur est de 40 à 50º, l'angle ajouté à celui de l'avance initiale étant donné par les corrections centrifuges (20 à 40º) et de dépression (de l'ordre de 20º). L'avance initiale : Compte tenu du délai de combustion des gaz, on provoque l'allumage avant le PMH fin de compression, afin d'avoir une pression maximale sur le piston aux alentours de 20° après le PMH. Ce réglage s'appelle le point d'avance initiale. On l'effectuera moteur à l'arrêt.  Le cycle réel corrigé : Les corrections d'avances : Pour donner un rendement de cycle optimal le point d'avance varie selon deux critères : Le régime moteur : l'avance doit augmenter avec la vitesse de rotation afin de garder une durée de combustion correcte. la charge du moteur : suivant le remplissage, la durée de combustion varie : bon remplissage → combustion rapide → réduire l'avance mauvais remplissage → combustion lente → augmenter l'avance. Les systèmes anciens qui permettaient de faire varier l’avance étaient « centrifuge » ou « pneumatique ».  Le cycle réel corrigé : Les dispositifs à dépression Au ralenti : La dépression n'a pas d'action sur la membrane, le pointeau port-rupteur n'est pas déplacé : pas de correction d'avance. Cas de retard à dépression : quand on fait intervenir une deuxième capsule manométrique agissant en sens inverse de la capsule à l'avance. Lors d'une faible ouverture du papillon (mauvaise préparation du mélange, durée de combustion assez longue). La dépression sur la membrane est importante : le plateau est décalé, la correction d'avance est importante. A pleine charge : La membrane n'est plus soumise à la dépression, il n'y a pas de correction d'avance.  Le cycle réel corrigé : Représentation de l’évolution de la pression dans la chambre de combustion en fonction de la variation de position angulaire du vilebrequin 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. Pression (bar) Phase 2 Phas e1 Courbe de compression  (° vil) PMH  Le cycle réel corrigé : Remarque. Le couple moteur C (et donc la puissance) dépend: - du couple résistant engendré par l’admission et l’échappement (travaux de pompage) ; - du couple engendré par la combustion de la charge ; - du couple engendré par les frottements internes ; - du couple résistant engendré par l’entraînement des organes (pompe à huile). La grandeur prépondérante est l’énergie produite par la combustion de la charge qui dépend essentiellement de masse de gaz admise pendant la phase admission. On peut agir sur la valeur du couple moteur en réduisant cette charge grâce à un papillon situé dans le conduit d’admission, ou en l’augmentant grâce à un dispositif de suralimentation. Si le moteur fonctionne en admission atmosphérique, la masse de gaz admise pendant la phase diminue lorsque le régime croit (problème de remplissage), et la puissance d’un moteur est limitée par la dégradation du remplissage à haut régime. Résumé : Résumé : Résumé : W1 : Travail fourni par le gaz (Wdétente-Wcompression) W2 : Travail absorbé lors de l’aspiration et l’éjection. Wu (travail utile) = W1-W2  Résumé : PMH PMB Relevé de pression au ralenti : Relevé de pression à pleine charge :