Présentation

Cette séance présente un résumé des performances des moteurs alternatifs à combustion interne, ainsi que les principes de la suralimentation.

Elle est complétée par deux autres séances (S35 et S37), la première traitant des principales caractéristiques technologiques de ces moteurs, notamment sur le plan mécanique et conceptuel, et la seconde abordant plus particulièrement 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 deux articles des Techniques de l’Ingénieur qui traitent de manière approfondie de ce sujet :

• Moteurs Diesel : injection et chambre de combustion, article BM2 585, par Jean-Louis FROMENT
• Suralimentation des moteurs de véhicules par turbocompresseur, article BM2 631, par Aimé PAROIS

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 de ces deux articles.

• manuel : performances des MACI (pdf, 788 Ko)
• techniques de l’ingénieur

performances des moteurs

• fonction complexe de 3 paramètres principaux

• richesse : R

  • rendement de combustion
  • émissions de polluants

• charge (ouverture du papillon) : (P_a - P₄)

  • pression d’admission

• vitesse de rotation : N

  • détermine le débit des gaz
  • pertes de charge à l’admission et l’échappement
  • frottements dans le moteur

coefficient de remplissage C_r

coefficient de remplissage C_r

• baisse de la masse de la charge de gaz frais lors de l’admission
• présence résiduelle de fumées
• température élevée des parois (dilatation des gaz frais)
• pertes de charge à l’admission
• moteur à essence : C_r = 0,80 - 0,85
• moteur diesel : C_r = 0,9

coefficient de remplissage C_r

Doc. Cahiers techniques Bosch

suralimentation

• suralimentation permet de porter le coefficient de remplissage C_r à des valeurs supérieures à l’unité
• consiste à alimenter un moteur à P > pression atmosphérique, à l’aide d’un compresseur auxiliaire

suralimentation

• Schéma de principe

suralimentation

suralimentation

Doc. Cahiers techniques Bosch

• principe
• 1 : compresseur
• 2 : turbine
• 3 - 4 : by-pass

suralimentation

• coefficient de suralimentation s : rapport du volume spécifique v_a de l’air aux conditions de référence (P_a, T_a), à celui de l’air dans le collecteur d’admission v_s
• moteurs automobiles : 1,2 ≤ s ≤ 1,8
• moteurs diesel de camion : s > 2
• moteurs diesel fortement suralimentés : s ≈ 4

Courbes caractéristiques

• travail produit par cycle :

  $W=-\underset{c}{\overset{}{\int }}PdV$
• cylindrée Vs : grandeur géométrique fondamentale

• pression moyenne

  $\mathrm{PM}=\frac{\underset{c}{\overset{}{\int }}PdV}{V_s}$
• pression qu’il faudrait appliquer sur le piston pour produire le même travail

Vitesse de rotation

• n_c nombre de cylindres
• i facteur d’intermittence

Boîtes de vitesses

Boîte manuelle

Boîte automatique

Charge partielle

• 

  moteur à essence
• 

  moteur diesel

vitesse de rotation

Cycles théoriques des moteurs alternatifs

Dans sa forme classique, l’étude élémentaire des cycles est basée sur des approximations assez grossières : le fluide technique est assimilé à de l’air pur, et lui-même à un gaz parfait, et les transformations sont considérées comme parfaites. Pour être plus précis, il faut tenir compte :

• de la masse et de la composition chimique réelle du fluide technique, qui peut varier selon les phases du cycle, du fait de l’introduction du combustible et de la combustion ;
• des variations de la chaleur massique avec la température ;
• de la dissociation moléculaire à haute température ;
• des pertes liées au renouvellement de la charge ;
• de la cinétique de combustion ;
• des échanges de chaleur entre le fluide technique et les parois du moteur ;
• des frottements mécaniques et des consommations auxiliaires.

Nous commencerons par étudier les cycles idéaux qui se prêtent à une analyse thermodynamique aisée, et nous donnerons ensuite des indications sur la manière de prendre en compte les principales non-idéalités.

Bien qu’ils soient très simplifiés, ces cycles permettent en effet de tirer un certain nombre de conclusions importantes qui ne sont pas remises en cause par une analyse plus poussée, comme par exemple celles relatives à l’influence sur les performances du moteur du rapport de compression volumétrique, des conditions de la combustion (volume constant, pression constante), ou de la pression initiale dans le cylindre…

Les analyses des cycles idéaux excluent les phases d’admission et d’échappement des cycles réels à deux ou quatre temps.

Cycle idéal de Beau de Rochas

• Moteur à essence

  $\eta =1-\frac{1}{{\rho }^{\gamma -1}}=1-\frac{\mathrm{T4}}{\mathrm{T1}}$

Cycle Diesel

• ε rapport des volumes en fin et en début de combustion

Cycle mixte

• combustion commence à volume constant et se termine à pression constante

$\lambda =\frac{\mathrm{P2a}}{\mathrm{P1}}$

$\epsilon =\frac{\mathrm{v2b}}{\mathrm{v2a}}$

Comparaison des cycles

Cycle combustion en 3 étapes

• volume constant
• pression constante
• température constante

Cycle combustion en 3 étapes

• meilleur rendement de forme

Cycle combustion en 3 étapes