Présentation
En anglais
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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Thermodynamic discussions of various internal combustion engines often start with consideration of two fundamental cycles having two heat reservoirs, namely the Beau de Rochas cycle with heat input at constant volume and the Diesel cycle with heat input at constant pressure. These two cycles are simple models of the behavior of the fluid in the two principal types of combustion engines: the controlled ignition engine and the compression-ignition engine. Since these models lead to overly encouraging results, a more realistic, yet simple to apply, model is also discussed here.
Auteur(s)
-
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 Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule. 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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Présentation
Caractéristiques du fluide et énergies mises en jeu dans les cycles théoriques
En anglais
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 le cas d’un système à piston, le travail sur l’élément mobile (piston), ou énergie mécanique échangée, peut aussi être déterminé en considérant le déplacement des forces de pression sur le piston (figure 5a ). On peut alors écrire, en utilisant les conventions de signe de la thermodynamique (travail négatif s’il est fourni par le fluide) :
...
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