Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Moteurs alternatifs à combustion interne

Introduction

Les machines à piston occupent une place prépondérante parmi les moteurs à combustion interne. Cette situation provient de deux causes :

1. de par leur régime périodique, ces machines conviennent particulièrement bien pour des évolutions où la température atteint des valeurs élevées. Les parois de la machine, étant en contact avec le fluide à divers stades de la transformation, sont en effet soumises à une température moyenne très inférieure à la température maximale, alors que dans une machine à flux continu comme la turbine à gaz, certaines pièces sont en permanence soumises à cette température.

2. les moteurs à combustion interne sont très employés pour la propulsion de véhicules de petite et moyenne puissance. Or la machine à piston s'adapte beaucoup mieux à cette utilisation que la turbomachine, qui n'est réalisable qu'avec des vitesses caractéristiques très élevées, et par conséquent doit tourner à des vitesses considérables lorsque la puissance est modérée, avec interposition de réducteurs fragiles et coûteux.

La puissance des moteurs alternatifs s'échelonne pour les applications usuelles de moins de 1 kW à 1 MW environ, l'utilisation de ces machines ayant connu le succès le plus spectaculaire étant la propulsion des véhicules routiers.

Il existe principalement deux grandes catégories de moteurs alternatifs à combustion interne :

1. les moteurs à allumage commandé (à essence ou à gaz), dont le principe a été défini par le français Beau de Rochas en 1860, et la première réalisation effectuée par l'allemand Otto en 1876.

2. les moteurs à allumage par compression, dits Diesel, du nom de leur inventeur allemand, qui les a brevetés en 1892.

Ce qui distingue les deux types de moteur, ce n'est pas tant leur cycle théorique que les caractéristiques de la combustion, dont les cinétiques suivent des lois très différenciées selon que le combustible est volatil ou non. Dans un moteur à essence, le combustible est prémélangé au comburant et on parle de flamme de prémélange, tandis que dans un moteur Diesel la combustion se déroule dans un milieu hétérogène où les gouttes de combustible s'enflamment au contact avec l'air chaud : on parle de flamme de diffusion.

Mode général de fonctionnement

Tous les moteurs alternatifs à combustion interne fonctionnent suivant le même processus général décrit schématiquement ci-dessous. Un volume variable est délimité par un cylindre, l'une de ses bases qui est fixe, appelée culasse, et l'autre qui est un piston mobile dans l'alésage du cylindre, entraîné par un système bielle-manivelle. Dans un moteur à quatre temps, les organes qui commandent le refoulement ou l'admission sont des soupapes actionnées par des poussoirs couplés à l'arbre moteur par un arbre à cames.

De diverses manières, selon qu'il s'agit d'un moteur à deux ou à quatre temps (voir plus loin), on fait en sorte, dans la phase d'admission, que soit introduit dans le cylindre du gaz frais à la pression atmosphérique (mélange combustible formé au préalable dans les moteurs à essence classiques, air pur dans les moteurs Diesel).

Le piston étant à une certaine distance du fond du cylindre, l'orifice d'admission est alors fermé, le volume V compris entre le piston et le fond étant occupé par une certaine charge de gaz frais.

Le piston, se rapprochant du fond du cylindre, comprime cette charge dans le volume v de la chambre de combustion, c'est-à-dire l'espace restant lorsque le piston atteint la fin de sa course, appelé point mort haut ou PMH. Cette compression est sensiblement adiabatique et s'effectue sans frottements internes appréciables. Le facteur essentiel de fonctionnement est le rapport de compression volumétrique ro = V/v, caractéristique géométrique du cylindre.

La réaction de combustion est alors déclenchée, soit par allumage local du mélange dans les moteurs à essence, soit par injection du combustible dans l'air comprimé pour les moteurs diesel. La combustion se produit pendant un temps relativement court, alors que le piston poursuit sa course. En pratique, elle s'effectue selon un mode intermédiaire entre la combustion à volume constant et la combustion à pression constante. Le piston continuant à s'éloigner du fond du cylindre, les gaz brûlés se détendent jusqu'à la fin de la course ( point mort bas ou PMB), puis sont évacués et remplacés par une nouvelle charge de gaz frais.

Moteur Diesel de forte puissance

La figure ci-dessous montre la configuration générale d'un moteur diesel Pielstick PC2-6B de forte puissance (jusqu’à 18 cylindres de 630 kW, alésage de 400 mm, course de 500 mm). Un moteur de 18 cylindres tournant à 530 tr/mn développe 11,34 MW et a une masse de 130 t. Il mesure 10,24 m de longueur, 3,6 m de largeur, et 3,8 m de hauteur.

Système bielle-manivelle

La figure ci-dessous montre un éclaté de l'ensemble formé par un vilebrequin, les bielles et les pistons.

Les séances Diapason S35_PBV et S35_CDS préparées en partenariat avec la Marine Nationale vous expliquent comment fonctionne ce système et vous donnent accès à des animations 3D l'illustrant.

La première est consacrée à la présentation du fonctionnement de l'ensemble piston-bielle-vilebrequin, tandis que la seconde explique comment sont commandées les soupapes.

Analyse fonctionnelle

La finalité d'un moteur alternatif à combustion interne (essence ou diesel) est de produire de la puissance mécanique à partir d'un combustible liquide ou gazeux propre.

Les trois phases de compression, de combustion et de détente du fluide correspondent aux trois fonctions principales qui permettent de répondre à la finalité du système.

Dans un moteur alternatif à combustion interne, ces trois phases sont ainsi réalisées par un seul assemblage mécanique constitué par la culasse, la chemise et le piston, ce qui souligne bien la différence entre les fonctions et les solutions technologiques.

Les trois fonctions principales d'un moteur alternatif à combustion interne peuvent donc être énoncées comme suit :

  • comprimer la charge fraîche ;

  • la porter à haute température par combustion ;

  • détendre les gaz brûlés en produisant du travail mécanique.

Les gaz détendus sortant du moteur sont évacués et remplacés par une nouvelle charge d'air frais. Nous regrouperons dans une seule fonction contrainte ces deux évolutions, et l'appellerons « Renouveler la charge fraîche ».

La transmission du mouvement alternatif du piston sur l'arbre du moteur se fait quant à elle par l'intermédiaire d'une bielle et d'un vilebrequin dont nous ne détaillerons pas ici le fonctionnement, nous contentant d'ajouter une fonction contrainte à la fonction principale « Détendre les gaz brûlés en produisant du travail ».

Une fonction contrainte supplémentaire correspondant à l'alimentation en combustible doit être ajoutée, et une autre pour représenter le contrôle de la combustion, très différent selon le type de moteur.

Les températures atteintes dans les moteurs à combustion interne étant très élevées (jusqu'à environ 2200 °C), des précautions particulières doivent être prises pour bien refroidir et lubrifier le moteur, deux fonctions contraintes fondamentales pour sa bonne marche.

Les parois latérales et les fonds de cylindre des moteurs alternatifs sont toujours refroidis énergiquement, le plus souvent par circulation d'eau dans des évidements de la paroi.

L'ensemble des fonctions de service contraintes dont nous avons parlé se retrouve dans le diagramme FAST de moteur diesel donné ici à titre d'exemple. On y distingue les trois fonctions de service principales et les différentes fonctions contraintes nécessaires à la bonne marche du moteur.

Modes de combustion

Une différence importante entre un moteur à essence et un moteur diesel réside non dans le mode d'introduction du combustible, qui, dans certains moteurs à essence, est aussi injecté, mais dans le moment où le combustible est introduit, qui détermine la nature des gaz lorsque la réaction se déclenche.

Dans le moteur à essence, le combustible est introduit suffisamment à l'avance pour que le cylindre soit rempli, lorsque l'allumage se produit, d'un mélange sensiblement homogène. Dans le moteur diesel, le combustible est injecté au dernier moment, et brûle au fur et à mesure de son introduction.

Pour cette raison, en règle générale, les moteurs à essence brûlent des combustibles gazeux, ou des liquides volatils, et les moteurs diesel des combustibles liquides non volatils, mais on peut à la rigueur brûler dans les moteurs à essence des combustibles liquides peu volatils pulvérisés très finement, et dans les moteurs diesel des combustibles gazeux sous pression ou des combustibles liquides volatils.

Cycles à quatre et à deux temps

D'après le procédé employé pour évacuer les gaz brûlés et les remplacer par une charge fraîche, on distingue les fonctionnements à quatre temps et à deux temps.

Dans les cycles à quatre temps, les plus répandus, le fond du cylindre est percé de deux orifices, contrôlés par des soupapes commandées, qui le mettent en communication avec les enceintes d'admission et d'échappement. On notera la différence avec les compresseurs à piston, où les soupapes ne sont pas commandées, mais s'ouvrent en fonction des différences de pression entre le cylindre et ces enceintes.

L'évolution de la pression et du volume massique des gaz dans le cylindre est souvent représentée dans le diagramme de Watt (figure à droite). À la fin de la détente en 3, la soupape d'échappement s'ouvre, la pression tombe à la pression atmosphé-rique, et le piston effectue une course complète vers le fond, chassant ainsi les gaz brûlés. Quand il atteint le PMH, en 5, la soupape d'échappement se ferme, et celle d'admission s'ouvre. En s'éloignant, le piston aspire une charge de gaz frais. En 4, au PMB, la soupape d'admission se ferme, et la compression 4-1 commence, suivie de la combustion 1-2 et de la détente. Il s'agit donc d'un cycle à quatre courses simples, d'où le nom de moteur à quatre temps.

Dans les moteurs à deux temps, l'échappement se produit à la fin de la course de détente par des orifices pratiqués dans la paroi latérale (les lumières), à un niveau tel qu'ils sont démasqués par le piston au PMB. Au même moment ou peu après s'ouvrent des orifices dits de balayage mettant en communication le cylindre avec un collecteur de balayage, rempli de gaz frais à une pression un peu supérieure à celle qui règne dans le collecteur d'échappement.

L'ouverture des orifices d'échappement en 3 fait tomber la pression au niveau de celle du collecteur d'échappement, puis l'ouverture de l'orifice de balayage produit une irruption brutale de gaz frais, qui chassent les gaz brûlés vers le collecteur d'échappement. La vidange des gaz brûlés et leur remplacement par des gaz frais s'effectuent pendant un temps assez court à la fin de la course de détente et au début de la course suivante. Les orifices d'échappement et de balayage se ferment alors, puis vient la compression 4-1, la combustion 1-2 et la détente. L'ensemble du fonctionnement se déroule pendant deux courses simples, d'où le nom de cycle à deux temps.

La séance Diapason S35_4t2t préparée en partenariat avec la Marine Nationale vous explique comment fonctionnent ces deux types de moteurs et vous donne accès à des animations les illustrant.

En général les moteurs rapides sont à quatre temps, ce qui semble a priori paradoxal, puisqu'un fonctionnement à deux temps permet de doubler la puissance à vitesse donnée et paraît ainsi mieux convenir aux moteurs à grande puissance massique. Mais il se trouve que la réalisation d'un balayage efficace soulève d'énormes difficultés dans les moteurs rapides, en raison du délai extrêmement court imparti pour la vidange. Par ailleurs, dans le cycle à deux temps, la température moyenne est beaucoup plus élevée dans le cylindre, et, dans les moteurs rapides, où le frottement des segments sur le cylindre dégage une chaleur intense, il devient impossible de maintenir celle du piston à un niveau admissible.

Modes de refroidissement

Les parois latérales et les fonds de cylindre des moteurs à essence sont toujours refroidis énergiquement, le plus souvent par circulation d'eau dans des évidements de la paroi, et parfois dans des moteurs de petite puissance par des ailettes extérieures très développées soumises à un courant d'air violent (la figure ci-dessous à droite montre les températures atteintes en différents points d'un moteur deux temps de petite cylindrée).

Références livre

Chapitre 3

Des extraits de ce chapitre sont librement téléchargeables avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris  :

Séances Diapason disponibles

Les séances Diapason proposées ici commencent par présenter les principes de fonctionnement des moteurs alternatifs à combustion interne  et les conséquences de la cinétique chimique de la combustion sur le fonctionnement et la conception de ces moteurs (séance S35). Sont ensuite abordés succinctement l'analyse de leurs cycles, les performances globales,  et les dispositifs de suralimentation (séance S36). Enfin, les problèmes posés par le contrôle des émissions de polluants sont traités dans la séance S37. Les deux dernières séances présentent des exemples de modélisation avec Thermoptim de moteurs Diesel et essence.

Fiche-guide disponible

La fiche-guide FG20 permet de reprendre la modélisation du moteur Diesel qui fait l'objet de la séance Diapason S38, puis de présenter la manière dont peut être construit un pilote externe pour automatiser le paramétrage du cycle.

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