Présentation

Cette séance présente un résumé des principales caractéristiques technologiques des moteurs alternatifs à combustion interne, notamment sur le plan mécanique et conceptuel.

Elle est complétée par deux autres séances (S36 et S37), la première traitant plus particulièrement des performances de ces moteurs, et la seconde de la réduction des émissions de polluants.

Toutefois, les indications que nous donnons dans ce module de formation à distance ne pouvant être que très sommaires, nous vous recommandons de lire attentivement le chapitre 3 du manuel, et de vous cultiver plus largement sur les aspects technologiques de ces machines, notamment en vous reportant à trois articles des Techniques de l’Ingénieur qui traitent de manière approfondie de ce sujet

• Technologie des moteurs alternatifs à combustion interne, article B2 800, par Christian CLOS
• Moteur à allumage commandé, article BM2 540, par Jean TRAPY
• Moteurs Diesel d’automobiles, Conception et mise au point, article B2 575, par Jean-Pierre POUILLE

Avec l’aimable autorisation de la Direction des Techniques de l’Ingénieur, cette séance a été illustrée à partir d’extraits de leur collection, et en particulier du premier article.

• manuel : technologie des MACI (pdf, 721 Ko)
• techniques de l’ingénieur

principe de fonctionnement

• un gaz comburant est comprimé
• travail prélevé sur l’arbre moteur
• il est porté à haute température
• par combustion interne
• les gaz chauds sont détendus
• et produisent du travail utile

moteurs alternatifs à piston

• diesel
• essence
• gaz

deux modes d’allumage

• par compression (diesel)
• combustible s’enflamme quand il est injecté
• pression de fin de compression élevée
• flamme de diffusion
• forte hétérogénéité dans le cylindre

deux modes d’allumage

• commandé (essence et gaz)
• mélange homogène autour de la bougie
• flamme de prémélange
• risques de détonation (P et T limités)
• limites d’inflammabilité 0,5 < R< 4
• papillon de ralenti

caractéristiques

• large gamme de puissance
• pièces à température moyenne
• maîtrise de la combustion difficile
• mécanique complexe
• pertes par frottements
• renouvellement des gaz, pompage

applications

• petites puissances :
• outillage portable, transports routiers
• grandes puissances :
• propulsion maritime / ferroviaire
• production d’électricité
• cogénération

Mode général de fonctionnement

rapport volumétrique ρ

Moteurs alternatifs

• Bloc moteur

Moteurs alternatifs

• Système piston-bielle-vilebrequin

• Système piston-vielle-manivelle

Moteurs alternatifs

• Système piston-bielle-vilebrequin

Moteurs alternatifs

• Bloc culasse à 4 soupapes par cylindre

Moteurs alternatifs

• agencement des soupapes d’admission et d’échappement sur un moteur à cinq soupapes par cylindre

Moteurs alternatifs

Cycle à 4 temps

Cycle à 4 temps

Cycle à 2 temps

Cycle à 2 temps

Moteurs alternatifs

• balayage par excès : perte de gaz frais

  • utilisé pour les moteurs diesel (gaz frais : air)

• moteurs à explosion à deux temps :

  • injection, ou balayage par défaut (motocyclettes)

• moteurs rapides : 4 temps

  • a priori paradoxal, mais balayage efficace très difficile car délai de vidange extrêmement court

Refroidissement

parois latérales et fonds de cylindre toujours refroidis énergiquement (eau ou air)

Refroidissement

pistons :

• petite et moyenne puissance, piston refroidi par contact des segments avec parois du cylindre
• moteurs industriels de grand alésage, circulation d’eau dans piston creux ou refroidissement par huile de lubrification

Combustion dans les moteurs à essence

• mélange combustible à peu près homogène

• cinétique des mélanges combustibles gazeux

  • déflagration / détonation
• rapport volumétrique de compression ρ limité pour éviter la détonation

• moteur expérimental à vitesse donnée et à culasse réglable

  • C F R (Cooperative Fuel Research Steering Committee)

Combustion dans les moteurs à essence

• mélange en proportions variables :

  • carburant très détonant, l’heptane normal C₇H₁₆
  • carburant peu détonant, l’iso-octane C₈H₁₈
• x : teneur du mélange en iso-octane
• détermine loi de variation ρ = f(x) du rapport volumétrique limite d’apparition de la détonation (mesure de la pression)

Combustion dans les moteurs à essence

• pour classer un combustible quelconque C, on l’essaie dans le même moteur au même régime et on détermine le rapport volumétrique limite ρ_c

  • indice d’octane i : x_c telle que ρ_c = f(x_c)

• caractéristique ainsi établie indépendante du moteur utilisé

  • ρ_c compris entre 4 pour i = 0 et 12 pour i = 100
  • i peut dépasser 100 pour certains carburants comme l’éthanol ou le benzène, moins détonants que l’iso-octane

Combustion dans les moteurs à essence

• indice recherche ou RON (Research Octane Number)

  • conditions de fonctionnement peu sévères (faible charge, circulation urbaine)

• indice moteur ou MON (Motor Octane Number)

  • conditions de fonctionnement sévères (fortes charges, circulation à grande vitesse sur autoroute,...)

• MON inférieur de 10 à 12 points au RON,

  • RON compris entre 97 et 99 pour les supercarburants, et entre 89 et 92 pour de l’essence ordinaire

Combustion dans les moteurs à essence

• problème très ardu pour mise au point des moteurs à explosion rapides : accélérer la déflagration de façon que la combustion s’effectue en temps voulu

  • Moteur alésage 100 mm, à 3000 t/mn.
  • La flamme doit parcourir une centaine de mm pour balayer la chambre de combustion
  • Avec Vd = 5 m/s, valeur très élevée si le fluide est au repos, Δt = 1/50 s
  • à 3000 t/mn, durée d’un tour complet

Combustion dans les moteurs à essence

• avance à l’allumage, caractérisée par l’angle A que fait l’axe de la manivelle avec celui du cylindre, avant le PMH, lorsque l’étincelle éclate

Doc. Cahiers techniques Bosch

Combustion dans les moteurs à essence

• imprimer au mélange une turbulence élevée pour accélérer la vitesse de déflagration dans les moteurs à grande vitesse

Combustion dans les moteurs à essence

• effet de swirl
• augmente avec la vitesse de rotation
• mais augmente les coefficients d’échange et les actions de paroi
• relève la limite inférieure de richesse (effet de souffle)

Combustion dans les moteurs diesel

• Combustible injecté à la fin de la compression dans une chambre de combustion remplie d’air pur, devant brûler aussitôt après

  • nécessité absolue de l’auto-inflammation
  • nécessité d’un excès d’air élevé pour que le combustible dispose d’un comburant suffisant

Combustion dans les moteurs diesel

• cinétique combustibles liquides

  • flamme de diffusion
• rapport volumétrique de compression ρ important pour garantir l’autoallumage
• délai global Δt d’inflammation et de combustion de l’ordre de plusieurs millièmes de seconde
• très difficile de produire la combustion en temps voulu tout en contrôlant la surpression

Combustion dans les moteurs diesel

• préinjection à utiliser avec précaution
• accélération de l’allumage et de la combustion
• chambre auxiliaire, à parois systématiquement mal refroidies
• résistances électriques pour réchauffer avant le démarrage, soit une zone déterminée de la chambre, soit le courant d’air admis

Combustion dans les moteurs diesel

• préchambre :

  • le plus silencieux
  • faible rendement
  • (véhicules de tourisme)

Combustion dans les moteurs diesel

• chambre de turbulence

  • pertes de charge optimales
  • débouché tangentiel
  • rendement amélioré
  • plus bruyant

Combustion dans les moteurs diesel

• injection directe :

  • turbulence élevée pendant l’injection
  • géométrie complexe
  • injecteur à trous multiples
  • surpression difficile à contrôler : le plus bruyant
  • η + 20 % ÷ préchambre

Combustion dans les moteurs diesel

• réglage du ralenti par variation de la quantité de carburant injectée (beaucoup plus économique que pour moteurs à essence)

Moteurs diesel

• fatigues mécaniques, fortes pressions maxima en régime normal, mais pressions accidentelles bien supérieures

  • excès d’air permettrait de brûler une quantité de combustible beaucoup plus importante
  • risque de combustion à volume constant
  • présence accidentelle d’un excès de combustible

• bon fonctionnement nécessite très bon entretien

  • pas de défaut même minime d’étanchéité (ovalisation du cylindre ou rupture de segment)