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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 :
-
le cycle Beau de Rochas (ou encore cycle de Otto) qui est un cycle à apport de chaleur isochore ;
-
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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Caractéristiques du fluide et énergies mises en jeu dans les cycles théoriques
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2. Cycles de base
2.1 Énergie mécanique échangée et diagramme indiqué
Le travail technique massique wt ou « énergie mécanique échangée entre l’unité de masse du fluide et les éléments mobiles d’une machine » est donné en fonction de l’enthalpie massique h par l’équation du premier principe ([BE 8 005], § 3.2) :
avec :
- q :
- énergie thermique massique échangée avec le milieu extérieur
- Δec et Δep :
- variations d’énergie cinétique et d’énergie potentielle de l’unité de masse de fluide
- A et E :
- sections droites dans les tubulures d’admission et d’échappement du fluide.
Son expression est également liée à l’évolution conjointe de la pression P et du volume massique v par la relation :
avec :
- τ :
- énergie mécanique transformée en chaleur du fait des irréversibilités.
Dans...
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