Moteur thermique

Moteur thermique

 1.1   Moteur A Piston Alternatif


Les moteur à combustion sont des machines thermique émettant de l'énergie utile développée par la combustion de carburant . Le carburant, sous forme gazeuse ou pulvérisé préalablement, doit être bien mélangé à l'air afin de permettre une combustion aussi complète que possible.

On distingue les moteurs à piston alternatifs, les moteurs à piston rotatifs et les moteurs à turbine.

Dans le cas du moteur à piston alternatif, très répandus, le mélange air/carburant combustible est comprime, allumé et brule a l'intérieur d'une chambre de combustion. La pression élevée, qui apparait lors de la combustion, s'exerce sur la partie mobile constituée par le piston. L'embiellage, l'ensemble mobile piston/bielle/vilebrequin, transforme le mouvement alternatif du piston en mouvementent rotatif du vilebrequin Ce mouvement rotatif est exploitable par la transmission du véhicule pour actionner les roues.

L'embiellage est entouré par le bloc moteur, avec les cylindres, la culasse et le carter.les piston coulissent dans les cylindres.

La culasse porte les soupapes L'ouverture et la fermeture des soupapes sont commandées par l'arbre cames. Les soupapes commandent l'admission du mélange combustible et l'échappement des gaz brules aux orifices du cylindre. C'est le vilebrequin qui entraine l'arbre à cames.

  

                        1:    Culasse 


                         2:    Arbre à cames

                            

                        3:     Soupape 

               

                        4:     Piston

                        5:      Bielle

                         6:     Vilebrequin

1.2  Cycle A Quatre Temps Du Moteur A piston Alternatif

Un moteur à piston alternatif mono-cylindrique est défini par ses caractéristiques principales:

> Course: c'est le déplacement du piston entre PMH (point mort haut, la position la plus approchée par rapport à la culasse) et le PMB (point mort bas, la position la plus éloignée par rapport à la culasse).

> Alésage: c'est le diamètre intérieur du cylindre.

 >Cylindrée: c'est le volume maximal de mélange combustible pouvant être admis a l'intérieur du cylindre, et qui représente la somme du volume engendré par le déplacement du piston et le volume de la chambre de combustion, délimité par la culasse au-dessus du piston en PMH >Rapport volumétrique: (taux de compression) c'est le rapport entre la  cylindrée et le volume de la chambre de combustion. Le moteur à piston alternatif fonctionne par la répétition d'un cycle de travail de quatre temps. Les gaz brulés, résultants de la combustion, sont échangés après chaque cycle du travail par un nouveau mélange le cycle est l'ensemble des temps moteurs nécessaires pour transformer l'énergie calorifique du combustible en énergie mécanique. 

Le cycle moteur s'effectue en deux rotations de vilebrequin et quatre courses du piston. Les quatre temps(courses du piston) d'un cycle moteur sont:

- Admission du mélange combustible.

- Compression du mélange.

- Allumage, explosion et détente.

- Échappement des gaz brulés.

1.3   Fonctionnement Du Moteurs A Essence A Quatre Temps

Premier Temps : ADMISSION 

 Le piston descend du PMH vers le PMB(demi-tour 0 à 180° rotation de vilebrequin). La soupape d'admission est ouverte, la soupape d'échappement est fermée. 

L'augmentation du volume du cylindre crée une dépression. Cette dépression provoque: l'aspiration du mélange air/essence, formé à l'extérieur, par le carburateur ou par le système d'injection.

 La colonne de mélange aspirée est freinée par de accidents de parcours comme le filtre à air et la soupape d'admission.

 Afin d'augmenter la durée de l'admission et de ce lait d'améliorer le remplissage du cylindre à 70% à 90% du son volume:

- La soupape d'admission s'ouvre en avance pur rapport au PMH(AOA 10 à 45° rotation de vilebrequin). Cette avance tient compte du temps nécessaire à la levée de la soupape.

 L'ouverture doit être totale au moment ou le piston se trouve au PMH.

  -La soupape d'admission se ferme en retard par rapport au PMB(RFA 35 à 90° rotation vilebrequin). Ce retard met au profit l'inertie des gaz aspirés à grande vitesse. Le mélange air/essence continue affluer à l'intérieur du Cylindre pendant une fraction de la course ascendante du piston (jusqu'à ce qu'ils soient freinés par la pression résultant de la montée du piston)

Deuxième Temps :  Compression

Le Piston monte du PMB vers le PMH(demi-tour de rotation 180 à 360 rotation de vilebrequin). Les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées.

 Par le déplacement du piston se réalise la compression du mélange dans la chambre de combustion. Grâce au rapport volumétrique de 6.1 à 10. 1, la pression de fin de compression est de 8 à 16 bars et la température atteint 400 à 500 °C. La compression favorise la vaporisation du carburant et son mélange avec l'air. Ainsi est favorisée l'inflammabilité du mélange.

 On ne peut pas réduire le volume de la chambre de combustion pour accroître la compression parce que la température de gaz s'élève très rapidement. Un rapport volumétrique excessif peut entrainer l'auto-allumage. L'explosion qui commence partout à la fois, est beaucoup plus violente que celle amorcée en un seul point par l'allumage ordinaire et est possible de voir la combustion achevée avant que le piston a atteint le PMH. Pour cette raison les constructeurs adoptent des taux de compression variant de 6; 1 a 10; 1.

 En fin de course de compression, se réalise l'inflammation du mélange par une étincelle électrique. Cette étincelle, produite par le système d'allumage, amorce la combustion du mélange par un apport de chaleur.

  

   _ AIR + essence 

                                         

              ↑   . Allumage

                   . Apport de chaleur

L'étincelle électrique se produit en avance par rapport au PMH(avance à l'allumage, AA=0 à 40' rotation de vilebrequin) afin que la combustion sous forme d'explosion atteigne sa pression maximale à 5 à 10 vilebrequin après le PMH. Cette avance tient compte du la durée qui s'écoule entre le déclenchement de l'allumage et l'apparition de l'étincelle et surtout de la durée de la combustion, 

Le moment ou se produit l'étincelle électrique (point d'allumage) influe sur la pression dans la chambre de combustion :

 ►Allumage anticipé. La pression dans le cylindre est obtenue avant que le piston soit au PMH. Cela provoque un <freinage> de la rotation et une fatigue importante des organes mécaniques. 

 ►Allumage retardé. La pression sur le piston est plus faible, car la descente du piston u augmenté le volume du cylindre Comme la combustion se fait en partie dans le cylindre, le moteur chauffe.

Troisième Temps : Explosion (détente)

La combustion produit une très important élévation de la température, 2000 à 2500 °C, et de la pression. 30 à 60 bars, dans la chambre de combustion. La détente des gaz agit sur le piston et crée la force motrice. Le piston est poussé du PMH vers le PMB (demi-tour 360 a 540° rotation de vilebrequin). La descente du piston, le temps moteur, transforme l'énergie thermique en travail mécanique. Peu avant le PMB, la pression dans le cylindre est de 3 à 5 bar et la température de 800 à 900 °C.

 Quatrième Temps :  Échappement

Le piston monte du PMB vers le PMH (demi-tour 540 à 720° rotation de vilebrequin). La soupape d'admission est fermée, la soupape d'échappement est ouverte. 

Les gaz brûlés sont expulses par le mouvement du piston. 

Afin d'augmenter la durée de l'échappement et de ce fait d'obtenir une meilleure évacuation des gaz et donc un meilleur  remplissage du cylindre:

▶ La soupape d'échappent  s'ouvre en avance par rapport au PMB(AOE= 40 à 90° rotation de vilebrequin). Cette avance permet à la soupape de s'ouvrir complètement lorsque le piston arrive au PMB(durée de la levée de la soupape) 

▶La soupape d'échappement se ferme en retard par rapport au PMH(RFE= 0 à 30° rotation de vilebrequin) La vitesse de sortie des gaz brules est suffisante pour qu'ils continuent à s'échapper par inertie. 

En fin de cycle, la soupape d'échappement se for me en retard(RFE) par rapport au PMH, alors que la soupape d'admission s'ouvre en avance(AOA). Ce balancement des soupapes favorise le balayage et le refroidissement de la chambre de combustion et améliore le remplissage.

1.4   Fonctionnement Du Moteurs Diesel A Quatre Temps

Premier Temps : ADMISSION 

Le piston descend du PMH vers le PMB. La soupape d'admission est ouverte, la soupape d'échappement est fermée.

L'air pur pénètre dans le cylindre à la suite du déplacement du piston 

Afin d'obtenir un meilleur remplissage du cylindre, la soupape d'admission s'ouvre en avance(AOA) par rapport au PMH et su ferme en retard(RFA)par rapport au PMB. 

Deuxième Temps :  Compression

Le piston monte du PMB vers le PMH. Les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées. 

L'air est comprimé. Le rapport volumétrique étant de 18; 1 à 24; 1, il en résulte une forte compression, de 30 à 55 bar, de même qu'une température très élevée de 700 à 900° C. 

En fin de course de compression. du gas-oil, finement pulvérise, est injecté sous fort pression. Par l'apport des premiers éléments du gas-oil, le mélange combustible se forme à l'intérieur du cylindre. Le gas-oil s'enflamme spontanément (auto-allumage) au contact de l'air surchauffe.

L'injection du gas-oil se produit en avance par rapport au PMH (avance à l'injection, AI = 20 à 30° de rotation de vilebrequin). Cotte avance tient compte de la durée qui s'écoule entre la levée de la soupape de refoulement de la pompe d injection et le début d'injection (délai d'injection) et aussi de la durée qui s'écoule entre le début d'injection et le début de la combustion (délai d'inflammation).

Si le délai d'inflammation est trop grand, par exemple quand le moteur est froid ou si l'avance à l'injection est inexacte, une très grande quantité de gas-oil s'enflamme et il en résulte les <forts cognements> nuisibles du moteur diesel.

Graphique de pression du moteur diesel

Troisième Temps : Combustion (détente)

La combustion de la quantité injectée provoque une forte libération de chaleur accompagnée d'une augmentation rapide de pression. ll en résulte un <dur> bruit de combustion, les <cognements> L'injection est regelée de telle sorte que la plus grande partie du gas-oil ne parvienne dans le cylindre que lorsque les premiers éléments de celui-ci y sont déjà enflammés. Âpres l'auto-allumage, le gas-oil continue à être injecté et à bruler pendant une durée de 25 à 40 rotation de vilebrequin. Ceci maintient la pression de combustion a une valeur élevée, 60 à 100 bar, malgré l'augmentation de volume due à la descente du piston 

Cette pression de gaz pousse le piston du PMH vers le PMB(temps moteur).

Quatrième Temps :  Échappement

Le piston monte du PMB vers le PMH. La soupape d'admission est fermée, la soupape d'échappement est ouverte. 

Les gaz brûlés sont expulses par le mouvement du piston 

Pour obtenir une meilleure évacuation des gaz ci par suite un meilleur remplissage du cylindre la soupape d'échappement s'ouvre en avance(AOE) par rapport au PMB et se ferme en retard(RFE) par rapport au PMH.

                

        

1.5   Diagramme Du Cycle A Quatre Temps 

 Un digramme pression-volume permet de visualiser les variations de pression agissant dans la chambre de combustion en fonction de la position du piston :

- L'admission, entre les points AOA et RFA, pendant laquelle il y a une dépression. En principe, le point RFA correspond à l'instant ou la pression des gaz égale la pression atmosphérique. 

- La compression, entre les points RFA et AI, pendant laquelle la pression augmente en raison de la diminution du volume du cylindre.

- La combustion et détente, entre les points AI et AOE, pendant laquelle la pression augmente raison de l'augmentation de la température des gaz, atteint son maximum quelques degrés après le PMH. puis diminue progressivement en raison de l'augmentation du volume et de la chute de la température des gaz. 

- L'échappement, entre les points AOE et RFE. pendant lequel la pression continue a diminuer.

Le diagramme présente deux zones bien distinctes : l'une S, supérieure, correspond au travail effectivement accompli par les gaz de combustion ; l'autre s, inférieure, correspond au travail absorbé par le remplissage et l'évacuation des gaz. La différence de la surface de ces deux zones représente le travail disponible fourni par un cycle à quatre temps 

T=S-s

Sur la base de ce diagramme, les constructeurs déterminent par le calcul la pression moyenne indiquée qui, en agissant de manière constante pendant toute la course de détente du piston, produit exactement le même travail. Les constructeurs indiquent généralement la pression moyenne effective qui est légèrement inférieure à la pression moyenne indiquée car le rendement mécanique du moteur y est inclus. 

La pression moyenne effective multipliée par la surface plane du piston(surface de la base du cylindre) se traduit par une force fournie par le piston qui agit, par l'intermédiaire de la bielle sur le vilebrequin. 

Cette force multipliée par la longueur du bras de manivelle du vilebrequin donne le moment de rotation ou couple réel du moteur. 

La puissance effectivement fournie par le moteur est le travail fourni par le couple moteur pendant l'unité de temps