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RÉSUMÉ
La présentation thermodynamique des moteurs alternatifs à combustion interne est souvent faite à partir de deux cycles fondamentaux dithermes : le cycle Beau de Rochas, à apport de chaleur isochore, et le cycle Diesel, à apport de chaleur isobare. Ces deux cycles sont des modélisations simples de l’évolution du fluide dans les deux types essentiels de moteurs à combustion : le moteur à allumage commandé et le moteur à allumage par compression. Mais, comme cette modélisation basique conduit à des résultats trop optimistes, un modèle plus réaliste et toujours simple à mettre en œuvre est également présenté.
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Les convertisseurs d’énergie thermique – mécanique les plus nombreux sont, sans aucun doute, les moteurs alternatifs à combustion interne (MACI). Ce sont aussi ceux qui ont la gamme de puissance la plus étendue, de quelques watts à plusieurs dizaines de mégawatts. Ce sont des moteurs à gaz qui fonctionnent avec une seule source de chaleur, comme les turbines à gaz dont les cycles et le principe de fonctionnement sont présentés dans le dossier . Le fluide de travail ne subit pas un cycle thermodynamique, mais une suite ouverte de transformations : partant d’air et de carburant pris dans les conditions atmosphériques, on obtient des fumées à l’échappement, qui se fait à la pression atmosphérique et à une température généralement encore relativement élevée. L’énergie chimique du carburant remplace l’apport de chaleur de la source chaude lors de l’évolution cyclique du fluide thermodynamique des moteurs à deux sources.
Cependant, la présentation thermodynamique des moteurs alternatifs à combustion interne est faite traditionnellement en se basant sur deux cycles fondamentaux dithermes :
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le cycle Beau de Rochas (ou encore cycle de Otto) qui est un cycle à apport de chaleur isochore ;
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le cycle Diesel, qui est un cycle à apport de chaleur isobare.
Chacun de ces deux cycles est une modélisation simple de l’évolution du fluide dans les deux types essentiels de moteurs à combustion : le moteur à allumage commandé ou encore moteur à essence et le moteur à allumage par compression ou moteur Diesel.
Mais, comme cette modélisation basique, conçue notamment avec l’hypothèse du gaz parfait à capacités thermiques constantes, conduit à des résultats beaucoup trop optimistes pour représenter le fonctionnement d’un MACI, un modèle plus réaliste et toujours simple à mettre en œuvre est présenté à la fin de ce dossier.
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Amélioration de la modélisation
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4. Cycles avec suralimentation
La suralimentation d’un moteur permet d’introduire l’air (moteur Diesel) ou le mélange (moteur à essence) à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ce qui, pour une cylindrée et une température d’admission données, permet d’introduire plus de mélange, donc à richesse fixée plus de carburant à chaque admission. Ainsi, pour une vitesse de rotation donnée, la puissance du moteur est augmentée. Les premières applications de cette technique l’ont été aux moteurs d’avion, pour lesquels la pression atmosphérique chute avec l’altitude entraînant une perte de puissance du moteur.
La mise sous pression préalable à l’admission dans les cylindres est réalisée soit par un compresseur à piston, soit, plus généralement aujourd’hui, par un compresseur centrifuge. Dans le premier cas, le compresseur est entraîné directement par le vilebrequin, dans le second cas, l’entraînement a lieu généralement par une turbine utilisant l’énergie résiduelle des gaz d’échappement du moteur. L’ensemble turbine et compresseur est alors appelé : turbocompresseur de suralimentation. Un schéma du couplage entre un moteur et son turbocompresseur est donné sur la figure 12. On peut remarquer qu’un tel couplage est relativement délicat puisqu’il met en relation une machine à flux continu (le turbocompresseur) et une machine à flux alternatif (le MACI). Cet ensemble peut, selon le rapport entre les quantités d’énergies mises en jeu dans chaque type d’élément être considéré comme un MACI suralimenté ou comme une TAC disposant d’une chambre de combustion particulière (le moteur alternatif).
Si l’analyse rigoureuse du fonctionnement de ce système est complexe, on peut, comme pour l’analyse basique du fonctionnement d’un MACI, en faire une modélisation simplifiée. Celle‐ci s’appuie sur les représentations de la figure 13 où sont données les évolutions qualitatives du fluide en diagramme entropique et en diagramme indiqué (diagramme de Watt). Les hypothèses sont les suivantes :
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compressions isentropiques dans le compresseur 1-2 et dans le moteur 2-3 ;
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combustion (ou apport thermique) sous pression constante 3-4 (le cas représenté est celui du diesel) ;
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détentes isentropique dans le moteur...
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