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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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The thermodynamic efficiency of an internal combustion engine is proportional to the volumetric compression ratio. However in low load areas, the engine operation does not correspond to this theoretical cycle. The advantages of a variable compression device prevail in these areas. At this time, no mass-produced vehicle is equipped with a variable compression ratio engine, due to its complexity and additional costs induced. However, the application of this technology in the automotive industry is envisaged for the years to come.
Auteur(s)
-
Pierre PODEVIN : Ingénieur de recherche au Conservatoire national des arts et métiers
-
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 :
-
pressions de fin de combustion trop élevées incompatibles avec les charges admissibles par le moteur ;
-
risque d'une baisse du rendement global du moteur notamment par la chute du rendement mécanique ;
-
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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2. Moyens de variation du taux de compression
Pour modifier le taux de compression, les équations et invitent à changer le rapport volumétrique de compression. En assimilant rapport volumétrique de compression et taux de compression, l'équation montre qu'il faut agir soit sur le volume mort (volume de la chambre de combustion), soit sur la cylindrée unitaire, soit sur les deux à la fois. Les moyens utilisés feront l'objet du paragraphe .
Bien que l'analyse des cycles théoriques des moteurs à combustion interne, suppose des courses de compression et de détente identiques, certains moteurs possèdent des courses différentes, tel le moteur d'Atkinson. Par ailleurs, le volume de compression est, en général, considéré comme le volume balayé par le piston entre sa position au point mort bas et sa position au point mort haut. Dans le cas d'une fermeture très tardive de la soupape d'admission, technique de Miller, il convient de considérer que le volume de compression est égal au volume balayé par le piston entre la fin de la fermeture de la soupape d'admission et sa position au point mort haut. Ces dispositions technologiques, regroupées sous le nom générique de Miller-Atkinson constituent aussi un moyen de variation du taux de compression et méritent d'être étudiées spécifiquement.
2.1 Cycle de Miller-Atkinson
L'analyse du cycle théorique du moteur à allumage commandé, figure 4, parcours 0-1-2-3-4-1-0, entraîne les remarques suivantes :
-
Remarque 1 : les courses de compression et de détente sont identiques, aussi le rapport volumétrique de compression, ε c, est égal au rapport volumétrique de détente, ε d, et égal au rapport volumétrique, ε :
![]()
( 12 )
( 12 )
-
Remarque 2 : la détente des gaz à l'intérieur du cylindre n'est pas complète (p 4 > p 0)
En raison de la remarque 1, l'expression du rendement thermodynamique du cycle théorique s'exprime indifféremment de la manière suivante :
![]()
...
...
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Moyens de variation du taux de compression
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
À lire également dans nos bases Base « Machines hydrauliques et thermiques »
GRATADOUR (M.) - Moteurs thermiques. Introduction aux moteurs alternatifs - [B 2500]
GUIBERT (P.) - Modélisation du cycle moteur. Approche zérodimensionnelle - [B 2510]
TRAPY (J.) - Moteur à allumage commandé - [BM 2540]
DESCOMBES (G.) - MAGNET (J.L.) - Moteurs non conventionnels - [BM 2593]
PAROIS (A.) - Suralimentation des moteurs de véhicule par turbocompresseur - [BM 2631]
HAUT DE PAGE
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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