Machines thermiques

L. Romdhane et K. Hajlaoui

11/05/2009 2

GENERALITES

♦♦♦♦ Machines : dispositifs qui permettent de convertir differentes formes d’énergie- de

pression, cinétique, thermique, mécanique- entre ell es

♦♦♦♦ Machines thermiques : dispositifs permettant de convertir l’energie thermique en

énergie mécanique et la conversion inverse. ( à travers un fluide)

Distinction par:

√√√√ Machines motrices ou moteurs thermiques : fournissent du travail au milieu extérieur (W < 0) en recevant de la chaleur

√√√√ Machines réceptrices ou pompes thermiques : elles recoivent du travail du milieu extérieur (W >0) en fournissant de la chaleur

Sens de conversion Fluide utiliséMvt des organes

mécaniques

● gaz : Turbine à gaz, moteurs àcombustion interne, moteurs diesel

● vapeur : Turbine à vapeur, machine à vapeur..

● Fluide frigorigène : réfrigérateur et pompes à chaleur

● Alternatif

● rotatif

(moteurs alternatifs, moteurs à piston )

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GENERALITE

Les moteurs : machines génératrices d’énergie mécanique .

- Classés suivant la nature de la source énergétique à l’origine de la conversion : thermique, hydraulique, pneumatique, électrique, etc.

- La grande majorité des moteurs délivre l’énergie méc anique sous la forme classique d’un couple moteur sur un arbre en rotation (moteurs tou rnants).

Formes de conversion chaleur-énergie mécanique

La transformation de chaleur en énergie mécanique e st régie par les Principes de la Thermodynamique.

-D’après le Second principe :

« la transformation n’est possible que si le fluide de travail, circulant dans le moteur, décrit un cycle thermodynamique (succession d’évolutions) ent re une source chaude (fournissant de la chaleur au fluide) et une source froide (prélevant de la chaleur au fluide) »

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GENERALITE

Modes d’apport de chaleur

Selon la manière dont est réalisé l’apport de chaleu r au fluide de travail, on distingue deux catégories de moteurs thermiques

Les moteurs à combustion externe ( à source de chaleur externe) :

la chaleur est introduite dans le fluide de travail d’une manière indirecte , par l’intermédiaire d’une chaudière ou d’un échangeur t hermique ..etc .

Exemples

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Moteurs à Combustion Externe Machine à Vapeur

La chaleur est produite dans une chambre de combustion (chaudière) séparée de la chambre de détente. Cette chaleur est utilisée pour vaporiser de l’eau. La vapeur d’eau obtenue par cette vaporisation est alors envoyée dans la chambre de détente (cylindre) où elle actionne un piston.

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Moteurs à Combustion Externe Machine à Vapeur

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Moteurs à Combustion Externe Moteur Stirling

� Le moteur Stirling, appelé parfois moteur à combustion externe ou moteur à air chaud est inventé en 1816 dont on reparle de plus en plus aujourd’hui.

� Avantages :� Le silence de fonctionnement� Le rendement élevé� L’aptitude écologique

� Inconvénients :� Le prix� Les problèmes

technologiques à résoudre

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Caractéristiques

-Configuration qui autorise la réalisation d’un cycle fermé où le fluide de travail circule en boucle, sans subir d’altération, entre source chaude et source froide,

- Etre adaptés à n’importe quelle source de chaleur : combustion, énergie solaire, chaleur sensible prélevée à la source froid e d’une autre machine thermique, sources de chaleur multiples, etc.

- Le découplage entre sources de chaleur et fluide de travail autorise le plus grand degré de liberté possible pour le choix de ce dernier qui est assez souvent un fluide condensable (eau par exempl e)

Moteurs à Combustion externe

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Moteurs à Combustion interne

L’apport est réalisé, de la manière la plus directe possible, par une combustion (réaction thermochimique exothermique) développée a u sein même du fluide de travail

Nécessite :- l’introduction d’un carburant approprié dans le flui de de travail de manière à former un

mélange inflammable

- la combustion de ce mélange dans des conditions te mporelles compatibles avec le déroulement correct du cycle thermodynamique,

- le renouvellement ou la régénération du fluide de t ravail dont la composition chimique est modifiée par la combustion (le fluide de travail es t prélevé dans l’atmosphère ambiante et y est rejeté après avoir traversé le moteur).

- Les cycles thermodynamiques qui peuvent être mis e n œuvre dans ces conditions sont des cycles ouverts où l’atmosphère ambiante joue le rôle de source froi de, la source chaude étant constituée par le dégagement de chaleur engendré par la combustion.

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Moteurs à Combustion interne Moteur WANKEL à piston rotatif

Avantages :

•Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel.•permet d’atteindre des régimes très élevées. (max. 18000 tr/min)•Moins de pièces est égale à moins de poids.

Inconvénients :

•Consommation en essence excessive.•Frein moteur pratiquement inexistant.•Techniquement perfectible.

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- Moteurs à essence (à allumage commandé ):

Un mélange convenable essence-air est admis dans la chambre de combustion du cylindre où l’inflammation es t produite par une étincelle.

- Moteurs Diesel (à allumage par compression ):

Le carburant est du gazole. On l’injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalableme nt comprimé et chaud , au contact duquel il s’enflamme spontanément.

Essence (à explosion) / Diesel

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Fonctionnement d’un moteur àexplosion

� Constitution� Une chambre à explosion� Un piston� Une bielle� Un vilebrequin� Système de distribution� Système de refroidissement� Système de graissage

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Lié au nombre de tours de vilebrequin (course de pis ton) nécessaires pour la réalisation du cycle thermodyna mique complet.

On distingue:

♦ Les moteurs à 2 temps

♦♦♦♦ Les moteurs à 4 temps

Temps du moteurs

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•••• 1er Temps: combustion – détente - échappement :

Le travail fourni par la détente des gaz brûlés fai t descendre le piston. Celui-ci va obturer la lumière d’admission et comprime l’air (ou le mélange air/carburant) emprisonné dans le carter.

• 2eme Temps: admission-compression:

En descendant, le piston découvre la lumière d’échappement et le canal de transfert. L’air (ou l e mélange air/carburant) engouffre. Le piston remonte enfin pour comprimer l’air présent dans le cylindre ; la combustion peut alors se produire .

lumière d'échappement

lumière d’admission

lumière du canal de transfert

Moteurs à 2 temps

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lumière d'échappement

lumière d’admission

lumière du canal de transfert

Moteurs à 2 temps

Avantages- une combustion à chaque tour moteur, donc une puissance massique très élevée malgré des régimes souvent relativement faibles. - une simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ; - une certaine fiabilité qui en découle ; - une faible consommation de carburant uniquement avec une injection directe de carburant ;

Inconvénients:

- une usure rapide, surtout à haut régime, le niveau de pollution par hydrocarbures imbrûlés- le graissage pose problème - faible frein moteur .

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Moteurs à 4 temps

- 1er Temps : AdmissionLe piston en descendant crée une baisse de pression qui favorise l’aspiration des gaz. -0,1 à -0,3 bar ;

- 2er Temps : CompressionLe piston comprime les gaz jusqu’à ce qu’ils n’occup ent plus que la chambre de combustion (pression + chale ur). 12 à 18 bars et 400 à 500 °C

- 3eme Temps: Combustion , détente :L’étincelle d’une bougie (ou l’injection de gazole comprimé) enflamme le mélange. La chaleur dégagée dilate le g az qui pousse violemment le piston vers le bas, pression m oyenne de 40 bars

- 4eme Temps: Échappement :ouverture de la soupape d'échappement et remontée d u piston qui chasse les gaz brûlés détendus dans le c ollecteur d'échappement, laissant la place à une nouvelle charge de mélange

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Caractéristiques d’un moteur àexplosion

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ETUDE THERMODYNAMIQUE DU MOTEUR

� Tous les moteurs à combustion font appel aux transformations thermodynamiques d'une masse gazeuse pour passer de l'énergie chimique contenue dans le combustible à l'énergie mécanique directement exploitable sur l'arbre de sortie du moteur.

� Selon le principe de Carnot : Une machine thermique ne peut produire du travail que si elle possède deux sou rces de chaleur à des températures différentes :

� La source chaude (à température absolue T2) où a lieu la combustion du carburant.

� La source froide à température T1 (gaz d'échappement, radiateur, milieu extérieur très proche du moteur).

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Étude Thermodynamique

- Notion de cycle :

La suite des transformations thermodynamiques que s ubir le fluide moteur pour permettre la réalisation pratique d’une machine thermique .

Peut être représenté en diagrammes (P,V) et (T, S)

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Le cycle de Beau de Rochas

Étude thermodynamique : moteur 4 temps à essence

Alphonse de Beau de Rochas, Ingénieur français (1815-1908)Alors que Lenoir avait construit le premier moteur à explosion à gaz (1859), il établit le cycle thermodynamique idéal des moteurs à explosion à quatre temps (1862), àallumage extérieur. Ses idées furent appliquées et développées par Otto(1876).

Une querelle d'antériorité eut d'ailleurs lieu .

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Échappement des gaz brûlés

Le cycle théorique

4ème temps

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• 1er principe de la thermodynamique : w + Qc+QF = 0

♦♦♦♦ Bilan énergétique

TF

TC

W < 0

Moteur

w

Qc

QF

•

Principe de Carnot :

Une machine thermique ne peut produire du travail que si elle possède deux sources de chaleur àdes températures différentes

Rendement du cycle théorique

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1

2

v

vτ =

QF = Cv (T1-T4)

QC = Cv (T3-T2)

Cv = Capacité thermique à volume constant

Équations générales des transformations adiabatiques réversibles : Loi de Laplace

PVγγγγ = cte

TVγγγγ-1 = cte

Tγγγγ P1-γγγγ = cte

3-a) Rendement du cycle théorique

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Échappement des gaz brûlés

4ème temps

Le cycle pratique

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Défauts constatés:

- Remplissage insuffisant,- Compression insuffisante,- Pression d'explosion trop faible,- Échappement incomplet (contre-pression).

Causes :

- Écoulement défectueux des gaz : lent et difficile (coudes, soupapes),- Inflammation non instantanée (durée t) des gaz frais en général t< 0.001 s.- Compression et détente non adiabatiques.- Vitesse du piston assez grande.

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Cycle réel après réglage

PMB

PMHRFE

AOA

AOE

4RFA

1

Échappement

Admissio

n

Croisement des soupapes5 6

2

- Augmenter le temps d'ouverture des soupapes (éviter le freinage des gaz).- Avancer le point d'allumage (tenir compte du délai d'inflammation).

L'aire (en rouge) a augmenté, l'aire hachurée a dim inué. Le travail utile du moteur est plus important.

Diagramme circulaire de distribution du moteur

- Avance à l'ouverture de l'admission (AOA ) - Retard à la fermeture de l'admission (RFA)- Avance à l'ouverture de l'échappement (AOE)- Retard à la fermeture de l'échappement (RFE )

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Paramètres caractéristiques

� Travail indiqué : en J

� Puissance indiquéePi = Wi ncsAvec ncs nombre de cycles par

seconde.

� Puissance effectiveP e = CωC couple moteur (N · m),ω (rd/s).

� Pression moyenne indiquée

� PMI = Wi /(VM – Vm)

= - iW PdV∫

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Paramètres caractéristiques

� Rendement effectif

� :

� Consommation spécifique

Pe : puissance effective recueillie sur l’arbre moteur

Pcal : puissance calorifique apportée par le carburant

Mc : consommation horaire en carburant (g/h)Pe : puissance effective (kW), CSE : consommation spécifique (g/kW · h), PCI : pouvoir calorifique inférieur du carburant (kJ/kg).

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Exemples de valeurs de rendement global et de consommation spécifique :

� Rendement du cycle Otto (1900): ηg = 15 %

� Rendement du cycle Diesel (1930): ηg = 23 %

� Cas d’une mobylette 2T: ηg =23%, CSE = 350 g/kW · h

� Cas d’une automobile: ηg = 31 %, CSE = 270 g/kW ·h

� Cas d’un gros Diesel marin: ηg = 46 %, CSE = 180 g/kW ·h

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Bilan énergétique d’un moteur àcombustion interne

Répartition de l’énergie dégagée par la combustion en travail mécanique et en chaleur

Dégradation énergétique et rendement associé

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Technologie des moteurs alternatifsà combustion interne

Éléments fixes du moteur

1- Bloc -moteur ou carter -cylindres

En fonte ou en alliage d'aluminium moulé, sert de p oint d'appui aux éléments mobiles internes et externes e t permet la fixation de certains organes externes (démarrage , pompe à eau, alternateur,...).

Fonctions principales- contenir les cylindres ;- supporter le vilebrequin, la culasse, les accessoi res... ;-servir de support à l’huile de lubrification ;- servir de support à l’eau de refroidissement.

Typesà alésage directavec chemise sèche rapportéeavec chemise humide amovible

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Différents types de chemise rapportées

Technologie des moteurs alternatifsà combustion interne

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Généralement en alliage d’aluminium contenant du silicium, du cuivre et du magnésium, délimite le ha ut de la chambre de combustion et les conduits des gaz (air frais, gaz brûlés). Elle permet

- l'arrivée et l'évacuation des gaz;- la mise en position des éléments de la distributio n et d'une partie de l'allumage;- l'évacuation rapide des calories, le point le plus chaud du moteur étant précisément la chambre de combustion .

1.Chambre de combustion2.Cheminée de bougie3.Chapelle4.Canalisation de refroidissement5.Guide soupape6.Rondelle d'appui du ressort7.Communication avec le bloc8.Siège de soupape9.Plan de joint de culasse

Culasse Zetec à 4 soupapes par cylindre (doc. Ford)

2- Culasse

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Joint de culasse

Assure l’étanchéité :

- aux gaz entre culasse et chemises ;- à l’eau vers l’extérieur (entre culasse et bloc -cylindres) et vers le cylindre (entre culasse et chemises) ;-à l’huile vers l’extérieur (entre culasse et bloc -cylindres) et entre l’huile et l’eau.

Le joint est sollicité par :

- des contraintes mécaniques de serrage, de pression des gaz (et des fluides à étancher), de dilatations thermiques différentielles entre le blo c et la chemise, de vibrations, etc. ;- des contraintes chimiques dues aux gaz de combustion, au liquide de refroidissement, à l’huile , etc. ;- des contraintes thermiques.

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Éléments mobiles du moteur1- PistonC’est l'organe qui, en se déplaçant dans le cylindr e ou la chemise, transmet la poussée des gaz (7,5-18MPa) au vilebrequin par l'intermédiaire de l a bielle.

Décomposé en quatre parties principales.

- la tête ou fond (reçoit les efforts dus aux gaz)- le porte - segments (assure l’étanchéité aux gaz et à l’huile et dissipe une partie des calories reçues vers le fluide de refroidissement ;- le logement de l’axe de piston ou trou d’axe;- la jupe, ou partie frottante, guider le porte-segments et de dissiper une partie des calories).

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Segments de piston

Des anneaux brisés, de section carrée ou parallélép ipédique, travaillant en extension. Ils doivent assurer des pressions radiales uniforme s sur les parois du cylindre .

En partant de la tête du piston, on a :

- le segment n°1= segment coup de feu(ou segment de feu) ;- le segment n°2= segment d’étanchéité ;- le segment n°3= segment racleu r ou refouleur.

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Axe de piston

Fabriqué en acier cémenté trempé, puis rectifié, est une pièce cylindrique qui lie le piston à la bielle. Il permet le mouvement oscillato ire bielle/piston pendant la rotation du moteur. Il transmet à la bielle la force de pression, que reçoit le piston pendant la phase expansion des gaz.

Déformation : Ovalisation de la section de l’axe du piston

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Bielle

Généralement en acier très résistant au nickel-chrome,son rôle est de transmettre au vilebrequin les efforts reçus par le piston, en transformant un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement circulaire dans un seul sens. La bielle est soumise à des efforts de combustion et d’inertie.

Système bielle -manivelle

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Cinématique du système bielle manivelle

λ = L /r entre 3,5 et 4,5

X = r[λλλλ-1/4λλλλ-3/64λλλλ3+cos θθθθ+ (1/4λλλλ+4/64 λλλλ3)cos2 θθθθ -(1/64 λλλλ3)cos4 θθθθ)]

Vitesse du piston

Accélération du piston

Influence du rapport λ = L /rSi λ augmente (équivalent à L augmenté),on a :- une augmentation de la masse de la bielle ;- une augmentation de la hauteur du moteur ;- une diminution des efforts du piston sur la chemis e:

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Vilebrequin

- Le vilebrequin est la manivelle qui reçoit la pous sée de la bielle et fournit un mouvement rotatif à p artir du mouvement alternatif du piston.- A l'une des extrémités du vilebrequin, le couple m oteur est utilisé pour entraîner le véhicule.- A l'autre extrémité, une fraction du couple dispon ible est prélevée pour entraîner les auxiliaires du moteur : la distribution (arbre à cames, soupapes, e tc.), le générateur électrique (dynamo ou alternate ur), le compresseur de climatisation, etc.

Réalisation

- par forgeage, en acier au nickel-chrome ou manganèse .

- par moulage, en fonte au chrome ou silicium.Il reçoit des traitements thermiques. Les manetons et tourillons sont tournés, puis rectifiés.

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Angle entre manetons αααα = 4ππππ/n

Vilebrequin

Vilebrequin 4 cylindre en ligne

Vilebrequin 6 cylindre en ligne

- En configuration classique, 4 cylindres "en ligne" , les manetons et les paliers du vilebrequin sont dans un même plan. Les manetons sont décalés de 180º dans l'ordre d'allumage.

- En configuration V à 90º, les 4 cylindres sont disp osés en 2 lignes de 2 cylindres formant un angle de 90º. Les maneton s sont décalés de 90º dans l'ordre 1-3-4-2.

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