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RÉSUMÉ
Le rendement thermodynamique d'un moteur à combustion interne est une fonction croissante du rapport volumétrique de compression. Mais dans les zones de faibles charges, le fonctionnement du moteur s'éloigne de ce cycle théorique. Les bénéfices d'un dispositif de rapport de compression variable sont prépondérants dans ces zones. Aucun véhicule n'est aujourd'hui doté en série d'un moteur à rapport volumétrique de compression variable, du fait de sa complexité de réalisation et des coûts supplémentaires engendrés. Cependant, l’application de cette technologie dans l’automobile est envisagée dans les années à venir.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre PODEVIN : Ingénieur de recherche au Conservatoire national des arts et métiers
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Adrian CLENCI : Maître de conférence à l'université de Pitesti (Roumanie)
INTRODUCTION
Le rendement thermodynamique d'un moteur à combustion interne est une fonction croissante du rapport volumétrique de compression, que ce soit pour les moteurs à allumage par compression, « moteur Diesel » ou les moteurs à allumage commandé « moteur à essence ».
Malheureusement, il n'est pas possible d'augmenter indéfiniment celui-ci du fait d'autres contraintes :
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pressions de fin de combustion trop élevées incompatibles avec les charges admissibles par le moteur ;
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risque d'une baisse du rendement global du moteur notamment par la chute du rendement mécanique ;
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risque d'une auto-inflammation du mélange dans le cas du moteur à essence qui, en général, doit être évitée.
Ce rendement thermodynamique est défini par rapport au cycle thermodynamique théorique du moteur. Dans les zones de faibles charges, le fonctionnement du moteur s'éloigne de ce cycle théorique. La pression de fin de compression n'est plus directement liée au rapport volumétrique de compression et dépend fortement de la charge et du régime de rotation du moteur. Les bénéfices d'un dispositif de rapport de compression variable (VCR : Variable Compression Ratio) seront prépondérants dans ces zones. L'augmentation du rapport volumétrique de compression permettra de rétablir la pression de fin de compression à la valeur requise pour un fonctionnement optimisé du moteur ; cette valeur pouvant être guidée par des impératifs de consommation ou de pollution.
Dans le cas de l'automobile, une situation de très faibles charges est rencontrée en circulation urbaine. Elle est surtout préjudiciable au moteur à allumage commandé du fait d'une régulation de la charge réalisée principalement par le vannage de la quantité d'air admise.
Les potentialités d'un rapport volumétrique de compression variable pour le moteur Diesel ne sont pas aussi importantes mais l'application de cette technologie pour ce type de moteurs n'est cependant pas dénuée d'intérêt.
Les avantages et bénéfices d'un rapport volumétrique de compression variable sont connus depuis fort longtemps. Dès 1932, un premier brevet a été déposé et depuis, ces dernières années, on assiste à une explosion de solutions de moteurs à rapport de compression volumétrique variable. Aucun véhicule n'est aujourd'hui doté en série d'un moteur à rapport volumétrique de compression variable, du fait de sa complexité de réalisation et des coûts supplémentaires engendrés. Cependant, compte tenu des contraintes futures en terme de réduction des émissions de CO2 des véhicules automobiles, l'EUCAR (European Council for Automotive R&D) envisage l'application de cette technologie dans les années 2015.
Après une étude détaillant l'intérêt de la compression variable et les moyens pour réaliser celle-ci, les différentes solutions constructives proposées seront présentées.
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Intérêt du taux de compression variable
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4. Conclusion
Les principaux avantages des moteurs à rapport volumétrique de compression variable ont été présentés dans cet article. De même, les différentes technologies ayant donné lieu à la réalisation de prototypes ainsi que les projets « réalistes » ou innovants ont été mentionnés.
Certains moteurs permettent de réaliser le cycle de Miller-Atkinson et autorisent parfois un rapport volumétrique de compression différencié sur chaque cylindre. D'autres spécificités sont ou peuvent être appliquées à ces moteurs telles que : la suralimentation, la distribution variable, l'injection directe d'essence, etc.
En revanche, les moyens de commande et/ou de régulation du rapport volumétrique de compression n'ont pas été abordés bien que, dans le cas du moteur d'automobile, ce paramètre soit primordial du fait des variations brusques de régime et de charge auxquelles il peut être soumis.
Des gains de consommation de 35 %, voire plus, en charges partielles sont annoncés. Ces valeurs doivent quand-même être examinées avec circonspection car elles dépendent beaucoup des charges partielles considérées ainsi que du moteur de référence utilisé.
Les technologies exposées présentent toutes des avantages et des inconvénients. Dans le cas du moteur d'automobile, il faudra comme toujours faire appel à des compromis.
Malgré le surcoût de cette technologie, elle s'avère, en raison du contexte économique futur et de la raréfaction des approvisionnements pétroliers, comme une des solutions étudiées par les constructeurs d'automobiles européens. Néanmoins, les progrès considérables effectués ces dernières années dans le domaine des moteurs à combustion interne et ceux à venir minimisent partiellement les potentialités des moteurs à taux de compression variable. Ils devront aussi intégrer ces progrès et notamment être capables de répondre à la demande actuelle d'une puissance spécifique élevée (downsizing), ce qui risque d'engendrer des contraintes supplémentaires au niveau de la conception mécanique de ces moteurs.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRATADOUR (M.) - Moteurs thermiques. Introduction aux moteurs alternatifs - [B 2500], Techniques de l'Ingénieur. (1995)
-
(2) - GUIBERT (P.) - Modélisation du cycle moteur. Approche zérodimentionnelle - [BM 2510], Techniques de l'Ingénieur. (2005)
-
(3) - PICARD (S.) - * - La Revue n° 16 - Musée des Arts et Métiers
-
(4) - TRAPY (J.) - Moteur à allumage commandé - [BM 2540], Techniques de l'Ingénieur.
-
(5) - CLENCI (A.) - Recherches sur l'amélioration du fonctionnement aux charges partielles d'un moteur à allumage commandé, par compression variable - Thèse de doctorat de l'Université de Pitesti - 2003
-
(6) - MAY (M.) - The high compression lean-burn spark ignited 4-stroke engine - IMech C97/1979
- ...
ANNEXES
http://www.mce-5.com, vcr engines principles
http://www.auto-innovations.com, dossiers : Les moteurs à rapport volumétrique variable
http://www.fev.com, vcr engine
http://www.unece.org/, traverse engine
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