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1 Enseignements Technologiques Communs 1. LE MOTEUR THERMIQUE. D finition Les moteurs thermiques transforment de la chaleur en travail m canique destin quilibrer le travail r sistant d'un v hicule qui se d place. Les machines thermiques sont repr sent es par le synoptique ci- dessous : Machines A combustion A combustion Moteurs A allumage 4 temps thermiques interne cyclique alternatifs command . A combustion A combustion Moteurs A allumage par 2 temps externe continue rotatifs compression Moteur vapeur Turbor acteur Moteur Wankel Moteur Diesel Moteur 2 temps Analyse fonctionnelle Analyse structurelle - Structure des moteurs combustion interne Page 1 sur 9. Enseignements Technologiques Communs Caract ristiques internes du moteur Un moteur 4 temps se caract rise par sa cylindr e. Cylindr e unitaire (V). C'est le volume d fini entre le point mort haut (PMH). et le point mort bas (PMB) dans un cylindre. Le diam tre du cylindre est nomm al sage. La distance comprise entre le PMH et le PMB est la course.
2 Remarques : c'est la g om trie du vilebrequin qui d finit la course : C = rayon de manivelle 2. Course et al sage s'expriment en g n ral en mm, la 3. cylindr e en cm parfois en litres. A2. V= C. 4. Cylindr e du moteur Vt Lorsqu'il y a plusieurs cylindres, la cylindr e du moteur est le produit de la cylindr e unitaire par le nombre de cylindres n. Vt = V n Rapport volum trique . Le volume compris entre la culasse et le piston lorsque celui-ci se trouve au PMH constitue la chambre de combustion (ou volume mort) v. Dans le cas des moteurs Diesel pr chambre de combustion, une partie de ce volume mort se situe dans la culasse. La valeur du rapport volum trique est donn e par la formule : V+v =. v Page 2 sur 9. Enseignements Technologiques Communs 2. CYCLE 4 TEMPS D'UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMAND . Description du cycle thermodynamique Tous les moteurs thermiques font appel aux transformations thermodynamiques d'une masse gazeuse pour passer de l' nergie chimique contenue dans le combustible l' nergie m canique directement exploitable sur l'arbre moteur.
3 Dans son brevet d pos en 1862, le fran ais BEAU DE ROCHAS propose d'appliquer le processus d crit ci dessous une masse gazeuse emprisonn e dans un moteur piston. Le cycle complet comprend 4 courses de piston donc 2 tours de vilebrequin. 1er temps : l'admission - le piston d crit une course descendante du PMH au PMB ;. - la soupape d'admission est ouverte ;. - le m lange air + carburant pr alablement dos p n tre dans le cylindre ;. - l' nergie n cessaire pour effectuer ce temps est fournie au piston par le vilebrequin par l'interm diaire de la bielle. 2 me temps : la compression - les 2 soupapes sont ferm es ;. - le piston est repouss par vers le PMH par la bielle ;. - la pression et la temp rature du m lange croissent. 3 me temps : la combustion d tente - un peu avant le PMH, une tincelle lectrique d clenche le processus de combustion ;. - l'accroissement de la pression qui s'exerce sur le piston engendre un effort sur la bielle et donc un moment moteur sur le vilebrequin.
4 - le piston redescend au PMB. 4 me temps : l' chappement - la soupape d' chappement s'ouvre ;. - le piston remonte vers le PMH en expulsant les gaz br l s. Thermodynamique : les transformations r versibles Transformation Isochore : volume constant (V = cste). Transformation Isobare : pression constante (P = cste). Transformation Isotherme : temp rature constante (T = cste P x V=cste). Transformation adiabatique ou isentropique : sans change de chaleur (P x V = cste). V. Page 3 sur 9. Enseignements Technologiques Communs Cycle th orique Cycle th orique Cycle r el Pression L' volution des pressions dans la chambre de combustion en fonction du volume du cycle Beau de Rochas se P2 D. repr sente dans un diagramme (p,v). A B : Aspiration du gaz la pression atmosph rique dans le Combustion cylindre le long de la droite isobare AB (PA = PB = Pa ). B C : Compression adiabatique (sans change de chaleur avec les parois du moteur) BC jusqu'au volume minimal V1, Compression la pression devenant : P1.
5 C. P1 C D : Combustion instantan e du gaz volume constant le long de la droite isochore CD avec une forte l vation de D tente temp rature T2 et de la pression P2. D E : D tente du gaz chaud le long de l'adiabatique DE qui ram ne le volume V2, mais une pression P3 sup rieure . celle de l'atmosph re. E E B : D tente th orique des gaz dans le cylindre donc la P3. pression tombe instantan ment la pression atmosph rique Echappement le long de l'isochore EB, la temp rature redescend. Pa A. B. B A : Echappement des gaz br l s en d crivant l'isobare Admission BA. Retour au point de d part A. V1 V2. Volume Le cycle Beau de Rochas a t con u pour un moteur tel que l'entr e et la sortie des gaz se fassent par des orifices . soupapes plac s l'extr mit ferm e d'un cylindre dont l'autre extr mit est constitu e par la t te du piston. Toutefois, il est appliqu dans d'autres configurations de moteur, par exemple le moteur rotatif. Cycle r el La premi re r alisation pratique d'un moteur piston a t.
6 R ussie par Otto chez Deutz Cologne en 1876. Sur ce moteur, l' volution de la pression relev e ne correspondait pas exactement au cycle th orique et le rendement en tait tr s inf rieur. En voici les raisons : Admission : l'inertie des gaz augmentant avec la vitesse de rotation du moteur est responsable du remplissage incomplet du cylindre. Compression : la compression n'est pas adiabatique. Du fait de la communication de la chaleur aux parois, la pression des gaz s' l ve moins vite que dans la loi adiabatique. Combustion : la combustion du m lange air/essence n'est pas instantan e au PMH d'o une zone de combustion arrondie sur le diagramme. D tente : la d tente des gaz br l s n'est pas adiabatique car les gaz c dent une partie de leur chaleur aux parois. Echappement : en fin de d tente, la pression des gaz est nettement sup rieure la pression atmosph rique. Page 4 sur 9. Enseignements Technologiques Communs 3. CARACT RISTIQUES D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.
7 Le couple moteur La force de pouss e des gaz qui s'exerce sur le piston lors du temps combustion d tente engendre, par l'interm diaire de la bielle et du maneton de vilebrequin, un couple moteur. Ce couple provoque la rotation du vilebrequin. Par d finition ce couple correspond au moment de la force Fb qu'exerce la bielle sur le vilebrequin par rapport l'axe de rotation du vilebrequin, au point O (voir figure ci-contre). Ci = Fb x d Avec Fb : force de la bielle sur le vilebrequin, d : distance entre la force et le point O, Point 0. Ci : couple instantan . Nous parlons ici de couple instantan , car ce couple n'est pas constant durant la phase de combustion d tente. En effet, l'intensit de la force Fb varie puisqu'elle d pend : de l'intensit de la force de pouss e des gaz Fp, variable lors du temps combustion d tente (voir diagramme cycle r el), de l'obliquit de la bielle (angle ), des forces de frottement entre le piston et le cylindre, de la valeur de d qui varie elle aussi suivant l'inclinaison de la bielle (angle ).
8 Conclusion : la valeur du couple moteur instantan change donc constamment suivant l'angle de rotation du vilebrequin. Page 5 sur 9. Enseignements Technologiques Communs Le couple moyen Sur le diagramme de la figure ci-dessous, le couple moyen d velopp pendant le temps moteur est d fini de telle sorte que l'aire du rectangle Oabc soit identique l'aire de la surface hachur e Si. De la m me mani re on d finit un couple moyen r sistant lors des phases non motrices. On obtient ainsi le couple le couple moyen r el que peut fournir le moteur, que l'on appelle tout simplement le couple moteur. La puissance d'un moteur P= C. : vitesse angulaire du moteur en rad/s . N (tr /min). Puissance du moteur en W (Watt) =. 30. 1 cheval = 736 watts Couple en N : fr quence de rotation moteur en tr/mn La consommation sp cifique d'un moteur C'est la quantit de carburant en gramme que doit consommer le moteur pour produire une puissance de 1KW pendant une heure. Elle s'exprime en g / Page 6 sur 9.
9 Enseignements Technologiques Communs 4. QUANTIFICATION DES PH NOM NES PHYSIQUES MIS EN. JEU DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE. Consommation massique d'air th orique d'un moteur 4 temps essence N (tr / min). Qmath = . V (m 3) . ( kg / m 3 ). 120. Qmath : consommation massique d'air th orique en Kg/s N : vitesse de rotation du moteur en tr/min V : cylindr e totale du moteur en m3. : masse volumique de l'air en kg/m3. Rapport air / carburant R = 12 lorsque le moteur fonctionne avec un dosage Qma de 1 gramme d'essence / 12 g d'air R = Qma : consommation massique d'air th orique en Qmc gramme/seconde Qmc : consommation massique de carburant en gramme/seconde Puissance thermique th orique d gag e par la combustion PCth = Qmc . pc Pouvoir calorifique du carburant (c'est l' nergie contenue dans le Puissance th orique carburant). d gag e par la Consommation massique 42000 KJ/kg pour l'essence combustion en KW de carburant en Kg/s 39000 KJ/Kg pour le gazole Remarque: 1 cheval = 736 watts Rendement volum trique.
10 En pratique la consommation massique d'air r elle du moteur qma r elle est inf rieure la consommation massique th orique qmath d finie en 1. A cause des pertes de charge dans le syst me d'admission, ainsi que la diminution de la densit de l'air qui p n tre dans le cylindre. Qma r elle V : rendement volum trique V = Qma r elle : consommation massique d'air r elle du moteur en kg/s Qma th orique Qma th orique : consommation massique d'air th orique en Kg/s Page 7 sur 9. Enseignements Technologiques Communs Le rendement de combustion En pratique la combustion n'est jamais parfaite 100 %, on n'arrive pas bruler tout le carburant. Le rendement de combustion est fonction : des caract ristiques propres au m lange gazeux (air + essence), des caract ristiques propres au syst me d'allumage charg de d clencher la combustion du m lange (chaleur de l'arc lectrique la bougie, emplacement de cet arc dans la chambre de combustion, instant de production de cet arc lectrique par rapport au point mort haut).
