Université technique «Gheorghe Asachi Iasi » - Faculté de génie mécanique

Le rendement du moteur-Rapport-

Etudiant : Stoica Stefan Année : 1 degré

Spécialisation :CMPA

Année scolaire :2010-2011

Le rendement du moteur

Un moteur à combustion interne est une machine thermique où l'énergie thermique dégagée par la combustion est transformée en énergie motrice mécanique directement à l'intérieur du moteur, en opposition au moteur à combustion externe ou l'énergie est transportée par un fluide caloporteur à l'extérieur de celle-ci, comme dans un ensemble chaudière, turbine à vapeur ou moteur Stirling. Dans les moteurs à combustion interne, il existe le moteur 2 temps, le moteur 4 temps. On compte parmi ces moteurs, le moteur à essence et le moteur diesel.Avant de se lancer dans l'explication de comment marche un moteur à combustion interne, il me semble indispensable de voir les différents organes d'un moteur afin d'être sûr que tout le monde parle de la même chose.Suite à "l'explosion", le piston effectue un va et vient dans le cylindre. Par l'intermédiaire de la bielle, le mouvement du piston est transferé au vilebrequin transformant ainsi le mouvement alternatif du piston en un mouvement rotatif au niveau du vilebrequin. La tête de la bielle s'articule sur un maneton qui est un axe excentré par rapport au centre du vilebrequin et qui détermine la course du piston. La culasse couvre le cylindre et va permettre la compression des gaz ainsi que l'entrée des gaz frais et l'expulsion des gaz brulés. Par ailleurs, j'attire votre attention sur le fait qu'il y a au moins 2 soupapes. Une soupape d'admission (à gauche) et une soupape d'échappement (à droite) (Attention ceci est spécifique au 4 temps)La soupape d'admission ouvre ou ferme un passage vers le carburateur qui permet de faire le mélange air/essence. La soupape d'échappement ouvre le passage vers l'extérieur ou échappement. Le cycle du moteur 4 temps

Le moteur 4 temps est probablement le plus répandu dans le monde de la moto du particulier car pour la compétition il en va autrement.Ci-dessus un schema vous décrit les étapes majeures d'un cycle d'un moteur 4 temps Le cycle se décompose en 4 étapes :

1. Admission 2. Compression 3. Détente/Explosion 4. Echappement

Etape 1 : L'admission Durant l'admission, la soupape d'échappement est fermée et la soupape d'admission est ouverte. Le piston

descend donc il crée une dépression permettant d'aspirer le mélange air/essence venant du carburateur. Etape 2 : La compression A cette étape, les deux soupapes sont fermées rendant la culasse hermétique. Le piston remonte et comprime le mélange air/essence. Cette simple compression va élever le mélange carburé à une température de 300°C environ. Si la température s'élève encore de 100°C supplémentaire, le mélange risque de s'enflammer spontanément. C'est ce qu'on appelle l'autoallumage Etape 3 : La détente Le piston arrivé à son point le plus haut, une étincelle jaillit entre les éléctrodes de la bougie provoquant l'inflammation (et non l'explosion) des gaz. Il en résulte une élévation de la pression et de la température pousse alors le piston qui redescend alors vers son point le plus bas. Lorsque que le piston arrive à ce point, les deux soupapes sont encore fermées. Etape 4 : L'échappement La soupape d'échappement s'ouvre et le piston en remontant va pousser devant lui les gaz brulés qui s'échappent par cet seul orifice. Le cycle 4 temps se déroule donc sur quatre courses de piston soit deux tours de vilebrequin. Tout cela est de la théorie car dans la pratique on s'expose à des problèmes de physiques mais nous ne retiendrons que la combustion n'est pas instantanée ou encore l'étanchéité entre piston et le cylindre n'est pas parfaite. Tout ces points et leurs conséquences seront abordés dans le chapitre de la distribution. Le rendement d'un moteur est le ratio entre la puissance mécanique délivrée et la puissance thermique fournie par le carburant. Il dépend du cycle thermodynamique choisi, des paramètres de fonctionnement (taux de compression) et des pertes thermiques, mécaniques (frottement), d'écoulement (dans l'admission et l'échappement) ainsi que des pertes dues aux accessoires (pompes d'injection, ventilateur et pompe de refroidissement). Le rendement maximum est pour les moteurs automobiles modernes, de 35 % environ pour les moteurs à allumage et de 45 % pour les moteurs Diesel. Les plus gros moteurs industriels dépassent 50 %. Dans le cas d'un moteur automobile qui fonctionne rarement à forte charge et de manière toujours transitoire, le rendement réel pratique est beaucoup plus faible. Pour rouler à vitesse stabilisée à 120 km/h, la majorité des voitures n'a guère besoin de plus de 25 ch, alors que les moteurs peuvent souvent en fournir quatre à huit fois plus, ce qui conduit à un rendement pratique très dégradé. Du fait des pertes complémentaires liées à la transmission, aux accessoires tels que la direction assistée et la climatisation, aux périodes d'arrêt, le rendement réel pratique d'une voiture ne dépasse guère 12 %.

Les meilleurs rendements d’un moteur à explosion sont obtenus sur des moteurs industriels Diesel brûlant du fioul lourd destinés aux bateaux ou aux centrales électriques. Leur rendement dépasse légèrement 50 %, consommation des auxiliaires déduites. Ces moteurs de grande puissance (10 000 à 120 000 chevaux) sont des moteurs deux temps à longue course (plus de deux fois le diamètre du piston), équipés de turbocompresseurs délivrant des pressions de suralimentation de plusieurs bar. Leurs bielles n’actionnent pas directement les pistons mais des coulisseaux, ce qui fait que les pistons ne reçoivent aucune poussée latérale et s’usent très peu. La durée de vie de ce genre de moteur dépasse les 50 ans. Ces moteurs tournant très lentement sont très hauts à cause des coulisseaux. Pour un moteur de 120 000 chevaux, la vitesse de rotation va de 65 à 100 tours/minute, la hauteur dépasse 17 mètres (six étages), le poids est de plus de 2 000 tonnes et le diamètre des cylindres est d'environ 1 mètre. Ces moteurs ont souvent une soupape à l’admission avec un échappement par lumière.

Plusieurs solutions sont possibles pour améliorer le rendement global des voitures :

Les voitures à transmission hybride ‘série’ ou un groupe électrogène à puissance généralement fixe, donc fonctionnant au meilleur point de rendement alimente une batterie qui délivre une puissance variable à un moteur électrique.

Les voitures à transmission hybride ‘parallèles’ ou un moteur de puissance modérée entraîne les roues. Ce moteur est complété par un moteur/alternateur électrique qui apporte un complément de puissance quand nécessaire ou au contraire recharge la batterie quand la demande est faible. Ce moteur étant plus proche de sa charge maximum a un meilleur rendement.

En créant des moteurs à combustion dont le rendement aux diverses charges est amélioré. Il y a de nombreuses solutions en cours d’études depuis parfois des décennies, qui sont abordées au chapitre suivant.

Solutions pour améliorer l'efficacité:

Les embiellages à roulements à aiguille: Les paliers à aiguille ont moins de frottement que les paliers lisses, mais les bielles ne sont pas démontables et il faut assembler le vilebrequin et les bielles ensembles. Ce n’est pas adapté pour des manetons de gros diamètre. Les bielles étant plus légères, ceci facilite aussi les régimes rapides.

Les moteurs à désactivation d’une partie des cylindres: On cesse de faire fonctionner les soupapes sur certains cylindres quand la demande est faible. De ce fait, les cylindres restants fonctionnent à plus forte charge donc à meilleur rendement. C’est un peu compliqué et malheureusement il y a toujours quelques pertes par frottement sur les cylindres désactivés. La gestion de l’équilibre thermique du moteur est délicate. Cela s’utilise sur des voitures de haut de gamme de forte cylindrée, généralement à plusieurs rangées de cylindres.

Les moteurs à compression Variable (VCR): Par des systèmes mécaniques on peut adapter la compression suivant la charge du moteur. La majorité des systèmes utilisés comportent des déplacements de parties importantes du moteur ce qui crée des contraintes mécaniques ou de transmission. Une des exceptions est le moteur MCE-5, donc le bloc moteur reste d’un seul tenant. Ce moteur est proche de l’industrialisation.

Les soupapes à levée variable: Il existe des systèmes de levée variables mécaniques ou d'autres sans arbres à cames à commande pneumatique, hydraulique ou électrique dit camless. On peut faire varier le remplissage du cylindre en utilisant le cycle d'Atkinson, améliorant le rendement à charge partielle. On modifie aussi les avances et retard d’ouverture en temps réel en fonction des paramètres instantanés du moteur. L’un des objectifs est notamment de ne plus avoir de papillon d’admission, limitant ainsi les pertes d’écoulement. Ceci faciliterait aussi la réalisation d'un moteur HCCI.

Avec les soupapes électriques, en plus de la levée variable on diminue les pertes de la distribution car la consommation électrique pour la levée des soupapes demande moins de puissance qu’un arbre à cames traditionnel. Les premiers moteurs à soupapes électriques doivent sortir en 2009 sur la Fiat 500. Les soupapes à levée pneumatique sont utilisées sur certains moteurs de camions.

Les pistons sans efforts latéraux: Le moteur Revetec propose un système remplaçant le système bielle/vilebrequin par une double came annulant totalement les efforts latéraux. Les pistons étant entraînés par des roulements roulant sur la came, il y a aussi un gain sur la transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif car il n’y a pas de paliers lisses. Le rendement maximum du dernier prototype atteint 38 % pour un moteur à allumage dont la distribution et les culasses sont relativement primitives. Ce moteur en est à sa deuxième génération de prototypes.

Le moteur MCE-5, dont l’objectif principal est d’être un moteur à compression variable, offre comme avantage complémentaire l’annulation des efforts latéraux sur les pistons par un système d’engrenage oscillant. Il comporte un vilebrequin et des bielles.

La récupération de l’énergie d’échappement avec une turbine: Les turbocompresseurs utilisent l’énergie de l’échappement pour comprimer les gaz d’admission. Il est aussi possible de coupler la turbine à l’arbre de transmission de façon à récupérer une partie de la puissance (moteurs turbo-compound (en)). Le train de réduction est complexe et ceci ne fonctionne correctement que pour une plage de puissance limitée. Ceci a été développé sur des moteurs d’avions à la fin des années 1940 et est utilisé actuellement sur des moteurs de camion Detroit Diesel (en) et Scania[2].

La récupération de l’énergie de refroidissement: Le moteur Crower à six temps récupère la chaleur de refroidissement par injection d’eau dans le cylindre, ce qui crée de la vapeur dans un cycle moteur complémentaire à vapeur en plus du cycle à explosion. Il n’y a pratiquement pas de données sur les prototypes existants et le développement semble arrêté.

Le moteur Bajulaz à six temps récupère la chaleur de refroidissement d'une chambre de combustion qui est séparée du cylindre. Cette chaleur est utilisée pour préchauffer de l'air dont l'expansion sera utilisée lors d'un cinquième temps.

Le moteur Velozeta récupère la chaleur de refroidissement et d'échappement par injection directe d'air dans le cylindre lors de l'échappement. Il présente l'avantage additionnel de diminuer la pollution du fait d'un meilleur balayage du cylindre.

Combiner diverses solutions

Il faut noter que certaines des solutions exposées sont combinables, les effets de ces combinaisons étant plus ou moins cumulatifs. Par exemple un moteur Revetec à faibles frottements bénéficierait pleinement d’un système de soupapes à levées variables. La combinaison d’un moteur à compression variable et de soupapes à levée variable est positive, mais les avantages ne s’additionnent pas complètement.

Le rendement d'un moteur thermique varie énormément selon le régime et le couple demandés. A chaque point de fonctionnement (coordonnées : régime, couple), correspond un rendement. Pour se représenter la chose, imaginons une carte géographique. A chaque point (latitude, longitude) correspond une altitude. L'ensemble des altitudes forme une surface continue représentée par des lignes de niveau. Il en est de même pour le diagramme de consommation spécifique. Il est évidemment différent pour chaque moteur, mais l'allure est toujours semblable.

Diagramme de consommation spécifique

Il est défini sur la zone de fonctionnement du moteur (régime minimum à régime max, couple nul à couple max) et se présente sous la forme d'un relief continu présentant un minimum global à un certain point (2500 tours/min, 3/4 du couple max par exemple). C'est le point de meilleur rendement, celui où pour produire une quantité d'énergie mécanique donnée, la plus faible quantité de carburant est nécessaire.Ci contre, le diagramme d'un moteur essence 4 cylindres, 1.9L. La zone vert sombre représente la plus faible consommation spécifique.

Diagramme de rendement:

On peut donc présenter, de façon analogue, le diagramme de rendement. Le meilleur rendement se situe dans la zone vert sombre, au "sommet de la montagne" si on raisonne en lignes de niveaux. Consommation spécifique et rendement sont inversement proportionnels (voir article "Rendement et consommation spécifique moteur") Rendement = 84 / conso spécifique (g/kWh). La valeur 84 peut varier un peu selon les types d'essence.

Mauvais et bons rendements

Tous les moteurs essence (et, dans une certaine mesure, diesel) présentent cette allure de courbe.

 - Bons rendements : couple important, régime vers 1500-3500 tours/min. Cela ne signifie pas qu'en se plaçant à 2500 tours/min, le rendement sera toujours bon, le rendement dépend surtout du couple !

- Mauvais rendements : couple faible, quel que soit le régime

- Rendement nul : couple nul. Le carburant injecté sert alors exactement à compenser les frottements internes. C'est le cas quand on accélère au point mort ou, quand on est en prise, qu'on enfonce l'accélérateur juste pour compenser son frein moteur. La consommation horaire est alors proportionnelle au régime (voir article "consommation horaire").

- Rendement négatif : couple négatif. Une petite quantité de carburant est injectée et ne suffit pas à compenser les frottements internes. En conduite, il s'agit d'un cas proche du frein moteur. Lorsqu'on fait du frein moteur pur, l'injection est coupée et le rendement tend mathématiquement vers moins l'infini !

Lorsque le couple demandé au moteur est faible, la plupart du carburant sert à maintenir la rotation du moteur (compenser le frein moteur) et seule une faible partie sert à donner de la puissance mécanique (faire avancer le véhicule). En revanche, le rendement est bon lorsqu'on accélère fort, c'est à dire qu'une grande partie du carburant sert à fournir de la puissance mécanique.

Conclusion

Le rendement dépend surtout du couple et moins du régime. Les mauvais rendements sont liés à une faible sollicitation du moteur (faible couple). Sur la plupart des moteurs essence, le meilleur rendement est atteint entre 2000 et 3000 tours/min et un couple de 2/3 ou 3/4 du couple max.

Le cycle de Carnot

Aucune machine, fonctionnant entre deux sources de chaleur données, ne peut être plus efficace qu’une machine de Carnot fonctionnant entre les deux sources précédantes.Le cycle de Carnot est défini par l’ hypothèse suivante :Il n’y a pas d’irréversibilité, ni dans les compressions, ni dans les détentes, ni dans les transformations de fluide.Ce cycle n’est donc pas possible pratiquement car toute transformation de chaleur en travail est irréversible.Autrement dit, ce cycle contredit de second principe de la thermodynamique.Rendement d’une machine et rendement de Carnot.Le rendement d’une machine est égal au quotient de l’énergie mécanique qu’elle fourni par l’énergie thermique qu’elle reçoit.rendement = (Qc-Qf) / Qcavec Qc chaleur fournie par la source chaudeet Qf chaleur perdue à la source froide.Avec les hypothèses de Carnot ce rapport est identique à celui des températures absolues :rendement = (Tc-Tf) / Tcavec Tc température de la la source chaudeet Tf température de la source froide.Le cycle de Carnot est utile pour comparer le cycle réel et le cycle idéal. Il permet d’évaluer un cycle.On visualise les pertes par irréversibilités en superposant le cycle réel et le cycle de Carnot sur un diagramme T-S.Cycle de carnot sur un diagramme TS ; Les compressions et les détentes sont représentées par des verticales car il n’y a pas d’irréversibilités.Les compressions et les détentes sont représentées par des verticales, ce qui signifie que la variation d’entropie est nulle, c’est à dire qu’il n’y a pas d’irréversibilités.La surface entre les températures de sources chaudes et froides représente l’énergie mécanique utile.Dans le diagramme TS, une machine réelle a une surface utile de cyle plus petite que celle de la machine de Carnot.Le rapport entre le rendement réel et celui de Carnot a été nommé "efficacité énergétique". Il existe un concept plus judicieux : l’exergie.En l’améliorant cette efficacité, on peut augmenter l’efficacité motrice d’une machine sans élever la différence de température à ces bornes. Cela revient à réduire au maximum les frottements, à éviter de perturber les écoulements et de bannir tout choc thermique.

FONCTIONNEMENT DU MOTEUR STIRLING

Ces moteurs ont fait l'objet de nombreux brevets, le plus ancien datant de 1759.Le pasteur Robert STIRLING déposa un brevet en 1816; ce brevet comprenait de telles innovations que l'année 1816 est considérée comme la date de naissance de ce type de moteurs.Entre cette date et la première guerre mondiale, de grandes quantités de moteurs furent produits.Les inventions du moteur à gaz, ancêtre du moteur à essence,  du moteur Diesel et l'absence de matériaux fiables pour le moteur Stirling, le firent tomber dans l'oubli.Entre 1936 et 1975, Philips développa de nouveau le moteur Stirling, l'améliora considérablement et collabora avec de nombreux constructeurs de voitures ou de camions tel que Ford, GM, MAN etc..Aujourd'hui, les moteurs Stirling modernes ont des rendements supérieurs à 40%.  Comment fonctionne un tel moteur?Imaginons un cylindre dont l'extrémité supérieure est fermée et chauffée fortement alors que la partie basse est refroidie.

Dans ce cylindre se trouve un "déplaceur" sorte de piston laissant l'air passer autour de lui.Sous ce déplaceur se trouve un piston de travail ajusté dans le cylindre et sur la tige du déplaceur.Au départ, le déplaceur est en position haute et le piston en position basse ; l'air est donc à sa pression la plus faible.1 à 2 Le déplaceur est en position haute, le piston remonte et comprime légèrement l'air.2  à 3 Le déplaceur descend et transfère l'air de la partie froide à la partie chaude ; l'air s'échauffe, tend à se dilater, mais contenu dans un volume limité, sa pression augmente. 3 à 4  La pression de l'air pousse le piston, ce qui constitue le temps moteur.4 à 1  Le déplaceur remonte à sa position basse et transfère l'air dans la position froide ; ce dernier voit sa pression baisser.La synchronisation des mouvements du piston et déplaceur s'obtient avec un vilebrequin à deux manetons décalés, le déplaceur est  en avance de 90° par rapport au piston. Avantages du moteur StirlingMoins polluant  Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe, donc plus facile à contrôler que dans un moteur à combustion interne.Moins bruyant  Le fluide actif du moteur Stirling, l'air, travaille en cycle fermé et ne s'échappe pas à l'atmosphère, contrairement au moteur à combustion interne, dont le bruit d'échappement est très important.Multi-carburant  Le moteur Stirling ne demande qu'une source de chaleur, quelle que soit la nature de cette source  chaude ; il peut être alimenté par un foyer au bois, charbon, paille, etc. et bien entendu le soleil.Les possibilités du moteur Stirling moderne.Il existe en petit nombre des moteurs Stirling modernes, pour des applications spécifiques : espace, applications militaires et  des scieries dans les pays nordiques.

Les moteurs à combustion interne

On sait que le rendement thermique ηth d'un cycle de Carnot augmente si la différence de température Δ T = T2 - T1 augmente, en effet on a :

η th = (T1 - T2) / T1

On en conclut que si on brûlait directement les gaz (air + carburant) dans l'enceinte de la machine ou moteur, on augmenterait sensiblement la température T2 : d'où, un rendement final plus élevé. C'est là, le principe du moteur à combustion interne.En plus, on aurait intérêt à utiliser un cycle de Carnot car c'est le cycle à rendement maximum.Mais cette idée n'est pas réalisable dans la pratique, car si la température finale T2 est très élevée, alors la pression correspondante atteint des valeurs trop élevées incompatibles avec la résistance des structures des moteurs.ex. en effet, si T2 = 1800°C et si on partait de T1 = 15 °C avec p1 = 1bar, alors par calcul, on aurait p2 > 200 bar (avec l'exposant polytropîque γ = 1,33).Au début de la course de compression, la température de la charge (c'est-à-dire de l'air ou du mélange admis) est inférieure à celle des parois du cylindre et de la chambre de combustion. La température de la charge augmente alors pour deux raisons par la compression en cours et parce que les parois sont plus chaudes et transfèrent de la chaleur à la charge.A un certain moment, la température de la charge et celle des parois sont égalisées et ensuite la charge commence à rejeter de la chaleur vers les parois, jusqu'à la fin du processus de compression. Ces différences de température entre la charge et les parois durant la compression font que le processus suit une courbe polytropique selon un exposant variable. La température et la pression en fin de compression différent donc de ce qu'elles seraient avec compression adiabatique, c'est-à-dire sans échange de chaleur avec les parois. Pour simplifier, on prend une valeur moyenne de l'exposant polytropique, en général de l'ordre de 1.33, pour lequel la température et la pression en fin de compression sont identiques à ce qu'elles sont en réalité avec un exposant variable.

Il faudrait alors surdimensionner les moteurs pour travailler à ces pressions élevées, – et de toutes façons les températures seraient telles que les matériaux fondraient. Or, les moteurs actuels ont des taux de compression inférieurs (de 15 ou 25), au lieu d'un taux irréalisable de 400 pour le cycle de Carnot.Par conséquent, il faut donc modifier le cycle de Carnot inutilisable dans les moteurs à combustion : ceci est réalisé de deux façons différentes en supprimant les deux transformations isothermes AB et BC. On obtient alors respectivement :le cycle à volume constant du moteur à essence, en remplaçant : - l'isotherme AB par une isochore A1B- l'isotherme CB par une isochore C1Dle cycle à pression constante du moteur Diesel, en remplaçant : - l'isotherme AB par une isobare A2B- l'isotherme CD par une isochore C1Dd'où, les deux cycles A1BC1D à volume constant et A2BC1D à pression constante dont les rendements seront inférieurs au cycle idéal de Carnot. Dans ces moteurs à combustion interne, l'énergie chimique d'un carburant est convertie par combustion dans une machine à pistons en travail mécanique : ces moteurs sont donc des systèmes ouverts avec combustion interne. Au cours de cette combustion, la composition du mélange air-carburant change et les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère extérieur. On a donc un système ouvert et irréversible ou le mélange change à la fois de masse et de composition.On idéalise alors ces moteurs en ne considérant qu'un cycle à air dans lequel on négligera la variation de composition et de masse du mélange, d'où un moteur à air correspondant à un cycle idéal et à un système fermé.Grâce à différentes méthodes de combustion et donc d'apport de chaleur, on distingue différents types de moteurs tels le moteur à essence, le moteur diesel et le moteur diesel mixte de Seiliger.=> Les rendements de ces cycles à volume ou à pression constante sont bien sûr inférieurs au rendement du cycle de Carnot.

Image : Cycle théorique de Watt1er temps de 0-1 : phase admission du gaz / 2ème temps de 1-2 : phase de compression isentrope / 3ème temps de 2-3-4 : phase allumage à V = cte. La phase 3-4 détente isentrope (seule motrice) / 4ème temps de 4-1-0 : phase d'échappement.

Considérons le cycle théorique du moteur à essence représenté par son diagramme de Watt théorique en coordonnées (p,V), Il s'agit de :

un cycle ouvert avec évacuation des gaz brûlés à l'atmosphère (la masse de gaz varie donc)

ce cycle idéalisé est constitué de quatre phases ou temps en admettant les hypothèses suivantes

1) Cycle théorique ou Diagramme de Watt théorique

Hypothèses :

- les ouvertures et fermeture des soupapes d'admission et d'échappement sont instantanées et sans perte de charge (D p = 0)

- l'allumage et la combustion sont instantanés

- la compression et la détente sont isentropiques (c.à .d sans perte de chaleur)

- on suppose les chaleurs massiques Cp et Cv = constantes au cours du cycle

Image : Diagramme de Watt réel schématisé0-1 : admission / 1-2 : compression / 2-3 : explosion / 3-4-5 : détente / 6-7 : échappement.

2) Cycle réel du moteur à essence

Les hypothèses précédentes avec des transformations successives idéales et réversibles ne sont pas réalisées dans la pratique :

il faut tenir compte des pertes de chaleur par les parois du cylindre refroidi (d'où une réduction de la température T2 en fin de compression et donc de la pression p2)

il y a également des pertes de charge par laminage au niveau des soupapes, réduisant la pression pendant la phase d'aspiration 0-1 et augmentant la pression pendant la phase d'échappement 1-0 (d'où p1 ¹ p2)

la combustion n'est pas instantanée, pour cela on provoque l'inflammation du mélange avant la fin de la compression (avance à l'allumage)

les chaleurs massiques Cp et Cv ne sont pas constantes

Afin de pouvoir opérer des calculs simples sur ce cycle, on l'assimile à un cycle fermé utilisant uniquement de l'air supposé un gaz parfait :

la chaleur Q2 est amenée à l'air par l'explosion 2-3 en introduisant une masse de carburant qu'on néglige à la masse d'air.

une chaleur Q1 est ensuite restituée pendant la phase 4-1 à l'atmosphère.

On obtient ainsi un cycle idéalisé avec de l'air chaud formé de transformations supposées réversibles.

On définit le rendement thermique ηth d'un moteur comme le rapport du travail fourni W sur la chaleur reçue Q2

η th = W / Q2

image : Cycle théorique de Watt

3) Cycle réel du moteur Diesel

mêmes hypothèses que pour le cycle théorique du moteur à essence

On définit les grandeurs du cycle Diesel :

- a = V1 / V2 , le taux de compression volumique

- b = V2 / V3 , le taux de détente volumique

- c = V3 / V2 = a/b , le taux d'injection

Caractéristiques du cycle :

l'évolution 1-2 (compression isentrope) s'effectue uniquement sur l'air, le taux de compression est ici plus élevé (a = 25) que pour le moteur à essence (a = 10)

de ce fait, la température T2 en fin de compression est très élevée et afin d'éviter une auto-inflammation du mélange air-carburant au cours de la phase 1-2, on réalise une compression séparée de l'air et du carburant

le carburant est alors injecté au point 2 dans la chambre de combustion rempli d'un air, porté par la compression à une température T2 < Ti (la température d'inflammation)

d'où, une inflammation immédiate du mélange ne nécessitant pas de dispositif d'allumage (absence de bougies à étincelles)

l'injection est réglée de façon que la transformation 2-3 se fasse à p = cte, d'où le nom du cycle à pression constante pour le moteur Diesel

Image : Cycle fictif à air du moteur Diesel

Comme pour le moteur à essence, les hypothèses précédentes ne sont pas réalisables en pratique : on obtient alors un cycle réel du moteur Diesel qui s'écarte sensiblement du cycle théorique.

Afin d'évaluer facilement les performances de ce moteur, on utilise comme pour le moteur à essence, un cycle idéalisé utilisant uniquement de l'air et formé de :

- deux isentropes 1-2 et 3-4

- une isobare 2-3

- une isochore 4-1

l'aire 1234 du cycle est égale à Wk

On a les relations suivantes :

la chaleur fournie Q2 = mcp ( T3 - T2 )

la chaleur cédée Q1 = mcv ( T1 - T4 )

le travail utile du cycle :

Wk = -(Q2 +Q1)

d'où, le rendement thermique du moteur Diesel :

η th = 1-(T4-T1)/(T3-T2)

Le rendement du moteur Diesel est plus élevé que pour le moteur à essence.

Image : Cycle Diesel mixte de Seiliger ou de Sabathé

Les moteurs Diesel actuels plus rapides utilisent un cycle Diesel modifié :

avec des injections plus rapides et courtes grâce à l'emploi de pompes d'injection HP (de 1500 à plus de 2000 bars)

permettant une pulvérisation très fine du carburant et des vitesses d'injection élevées

ce cycle comprend une combustion partiellement à P = cte et V = cte

En bref :

- Le rendement thermique théorique η th est défini par le rapport du travail indiqué (aire limitée par le cycle) à l'équivalent en travail de la chaleur fournie pour décrire le cycle.

- Le rendement thermique idéal est fonction du rapport volumétrique (il augmente en même temps que ce dernier).

- Le rendement thermique est inférieur à l'unité.

Bibliographie :

1. http://cesifs.emse.fr2. http://vladzhr.lx.ro

3. http://facultate.regielive.ro4. fr.wikipedia.org

5. www.thermodynamique.com6. http://www.histomobile.com