Cycles de moteur

Analyse du cycle du moteur

Lorsqu'il s'agit d'analyser les cycles des moteurs, on distingue quatre étapes. Il s'agit de l'admission, de la compression, de la combustion et de l'échappement. Chaque étape est illustrée dans la figure 1 ci-dessous qui décrit un moteur diesel à quatre temps ou un moteur à essence. Il convient de mentionner les principaux composants individuels d'un cylindre de moteur. Le cylindre est l'endroit où la combustion a lieu. Un piston est un cylindre à l'intérieur du moteur qui est relié à une tige qui sert à déplacer le piston verticalement à l'intérieur du cylindre du moteur de manière étanche au gaz. Il y a deux soupapes en haut du cylindre, une soupape d'admission et une soupape d'échappement, et un injecteur de carburant ou une bougie d'allumage entre les deux soupapes.

Fig. 1. Cycle d'un moteur à quatre temps

Dans les moteurs à essence ou diesel, chaque mouvement vertical du piston vers le haut ou vers le bas est appelé course. Ainsi, dans les moteurs à quatre temps, le piston effectue au total quatre mouvements vers le haut et vers le bas qui sont généralement divisés en quatre étapes différentes pour compléter un cycle de moteur.

Analyse des cycles du moteur : Course d'admission

Le premier temps est le temps d'admission. Lors d'une course d'admission, le piston descend le long du cylindre de la position maximale supérieure à la position minimale inférieure. L'air et le carburant prémélangés sont aspirés dans le cylindre par les soupapes d'admission ouvertes, ce qui augmente le volume à l'intérieur du cylindre. La pression dans le cylindre reste constante, approximativement inférieure à la pression atmosphérique.

Analyse des cycles du moteur : Compression

À ce stade, les soupapes sont fermées. Le piston se déplace maintenant vers le haut, de la position verticale minimale à la position maximale, ce qui diminue le volume et augmente la pression à l'intérieur du cylindre. Le mélange est comprimé en direction d'une bougie d'allumage. Un travail est effectué sur l'air pendant la compression. C'est le deuxième temps.

Il est essentiel que l'étincelle se produise juste avant la fin de la course pour que le mélange ait eu le temps d'atteindre le sommet de sa course, permettant ainsi à la pression maximale d'agir sur le piston descendant. Le carburant chauffé alimente la turbine puis est injecté dans la chambre de combustion où il est brûlé.

Analyse des cycles du moteur : Combustion

En raison de la pression élevée près de la position maximale supérieure vers la fin de la deuxième course, la température du mélange est augmentée et le mélange est enflammé par une étincelle provenant de la bougie d'allumage. Le volume reste presque constant pendant cette étape. Il s'agit de la dernière étape du deuxième temps.

Analyse des cycles du moteur : Expansion

La pression élevée des gaz détendus oblige le piston à se déplacer vers le bas. Un travail est effectué par les gaz en expansion. La soupape d'échappement s'ouvre en position minimale et la pression diminue jusqu'à devenir presque atmosphérique. C'est le troisième temps.

Analyse des cycles du moteur : Échappement

Le piston se déplace vers le haut en expulsant les gaz brûlés par la soupape d'échappement ouverte alors que la pression dans le cylindre reste juste au-dessus de la pression atmosphérique. C'est le quatrième et dernier temps d'un cycle de moteur. Le cycle se répète ensuite.

Les cycles thermiques ou cycles de moteur ajoutent et rejettent essentiellement de l'énergie sous forme de chaleur pendant les phases de combustion et d'échappement, tandis que le travail est effectué par les phases de compression et d'expansion.

Deux types de cycles pour les moteurs à essence et les moteurs diesel

Il existe deux types de moteurs. Les moteurs diesel et les moteurs à essence fonctionnent selon des cycles théoriques différents, respectivement le cycle diesel et le cycle d'Otto.

Le cycle d'Otto idéal ou théorique décrit ci-dessus est le principe selon lequel fonctionne le moteur à essence. Il suppose les conditions suivantes :

• L'admission est isobare(0-1).

• La compression est réversible et adiabatique (1-2).

• La combustion (apport de chaleur) est isochore (2-3).

• L'expansion est réversible et adiabatique (3-4).

• L'échappement (rejet de chaleur) est isochore (4-1).

Le cycle d'Otto idéal peut également décrire les quatre temps à l'aide d'un graphique thermodynamique pression/volume. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous où les quatre temps sont décrits par des nombres de 1 à 4 se référant aux quatre temps séquentiels complétant un cycle de moteur. Les processus à volume constant et à pression constante sont représentés.

Fig. 2. Cycle d'Otto idéal

Le cycle diesel idéal ou théorique est le principe de fonctionnement du moteur diesel. Il peut être décrit en supposant les conditions suivantes :

• L'admission est isobare (0-1).

• La compression est adiabatique (1-2).

• La combustion (apport de chaleur) est isobare (2-3).

• L'expansion est adiabatique (3-4).

• L'échappement (rejet de chaleur) est isochore ( 4-1).

Fig. 3. Cycle diesel idéal - StudySmarter Originals

Une indication du cycle d'Otto d'un vrai moteur à essence et d'un moteur diesel obtenue à l'aide d'un capteur de pression dans le cylindre et d'un transducteur dont la sortie dépend de la position angulaire du vilebrequin est présentée dans la figure ci-dessous.

Fig. 4. À gauche : moteur diesel indicateur, à droite : moteur à essence indicateur.

On peut voir sur ces figures ci-dessus qu'elles ne correspondent pas aux chiffres du cycle théorique. Cela s'explique par le fait que les processus thermodynamiques qui ont lieu lors d'une combustion interne ne sont pas ceux qui sont supposés dans les cycles théoriques. Les phases de combustion et d'expansion ne sont pas constantes en termes de volume et de pression comme on le suppose. Elles ne sont pas non plus réversibles dans la réalité comme on le suppose dans les conditions théoriques.

Il existe également d'autres cycles de moteur que le cycle d'Otto et le cycle diesel, notamment le cycle de Carnot, le cycle de Brayton et le cycle de Rankine. Le cycle le plus efficace est le cycle de Carnot et le cycle le moins efficace est le cycle du moteur diesel.

Equations pour les cycles de moteur

Les chiffres ci-dessus peuvent être utilisés pour la comparaison avec les cycles idéaux, mais aussi pour trouver le travail effectué sur le gaz pendant la compression en estimant la surface sous la courbe de compression, et le travail effectué par l'expansion du gaz en estimant la surface mesurée en^{m2 sous la} courbe d'expansion.

Ainsi, le travail net effectué par l'air au cours d'un cycle est donné par l'aire située sous la boucle fermée sur le diagramme p-V. Si le travail effectué est divisé par le temps d'un cycle, on obtient la puissance indiquée comme le montre l'équation ci-dessous où _ns est le nombre de cycles par seconde, _ncylindres est lenombre de cylindres dans un moteur._Pi est la puissance indiquée développée par la combustion du carburant dans la chambre de combustion.

\[P_i[W] = Surface \cdot n_s \cdot n_{cylindres}\]

Une partie de l'énergie chimique sera perdue à cause des frottements et la puissance de sortie du moteur sera donc inférieure à la puissance indiquée. La puissance de sortie _Pout est donc égale à la puissance indiquée _Pi à laquelle on soustrait la puissance de frottement_Pf, comme indiqué ci-dessous.

\[P_{out}[W] = P_i - P_f\]

La puissance de sortie _Pout peut également être calculée à l'aide du couple de l'arbre de sortie T et de la vitesse angulaire ω. Par conséquent, la puissance maximale est la puissance d'entrée obtenue à partir de l'énergie chimique du combustible.

\[P_{out} [W] = T[Nm] \cdot \omega [rad/s]\]

Cette valeur peut être calculée à l'aide des formules énumérées où_Pin est la puissance d'entrée générée à partir de l'énergie chimique, _mf est le débit du combustible et_cf est le pouvoir calorifique du combustible.

\[P_{in}[MW] = c_f[MJ/kg] \cdot m_f[kg/s]\]

Le rendement théorique d'un cycle idéal peut être trouvé à l'aide de l'équation ci-dessous, où η est le rendement global, _rn est le taux de compression. Les rendements thermiques _ηth et mécaniques _ηm peuvent également être trouvés à l'aide des équations ci-dessous. Les rendements varient en fonction de la charge du moteur.

\[\eta = 1 - \frac{1}{r_n^{0.4}} \quad \eta_o = \frac{P_{out}}{P_{in}} \quad \eta_m = \frac{P_{out}}{P_i} \quad \eta_{th} = \frac{P_i}{P_{in}}\]

où \(r_n = \frac{\text{Max volume at bottom stroke}}{\text{Min volume at top stroke}}\)