Machines thermiques
Exemples d'études de machines thermodynamiques réelles :
.1 Moteur à explosion :
a. Présentation :
Les moteurs à essence fonctionnent suivant un cycle. Ce moteur est appelé moteur à explosion car il est
nécessaire de produire une étincelle à l’aide d’une bougie pour provoquer l’inflammation du mélange air-
carburant.
Le cycle d’un moteur à explosion est représenté dans le
diagramme de Clapeyron suivant :
1er temps : Admission .
La position initiale correspond au volume minimal du corps de piston. La soupape
d’échappement est maintenue fermée et la soupape d’admission ouverte. La descente du piston
provoque l’aspiration le mélange air-carburant dans le corps de piston (c’est l’admission). La
quantité représente la cylindrée du moteur.
2ème temps : Compression . le volume ayant atteint sa valeur maximale . Le piston remonte,
les deux soupapes étant fermées, et commence la phase réceptrice de compression du mélange air-
carburant.
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Un peu avant que le piston ne soit revenu à sa position initiale, la combustion de l’essence par
l’oxygène de l’air est provoquée en faisant éclater un arc électrique entre les électrodes de la bougie.
L’étincelle permet l’activation de la réaction chimique de combustion, qui provoque d’une façon
instantanée une forte élévation de la pression et de la température de la masse gazeuse : la phase
motrice peut commencer.
3ème temps :
o Combustion . Les deux soupapes fermées, la bougie émet une étincelle provoquant
l’explosion du mélange air-carburant (le volume varie très peu et la pression devient
maximale). La phase motrice peut commencer.
o Détente . La pression fournie par l’explosion permet de faire redescendre le piston
jusqu’à .
4ème temps : Échappement . La soupape d’échappement s’ouvre et le piston remonte jusqu’à
évacuant les gaz brulés : c’est le rôle de la soupape d’échappement qui est ouverte à cet effet.
Lorsque le piston arrive de nouveau en bout de course, le cycle est terminé, un nouveau cycle
commence : admission et carburation, compression et allumage, détente, échappement.
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b. Calcul du rendement :
Le cycle du moteur à explosion peut être modélisé par le cycle théorique suivant :
Afin de faciliter les calculs, on adopte les simplifications suivantes :
le mélange (air-carburant) est assimilé à un gaz parfait diatomique et le gaz ne subit pas d’évolution
chimique (en fait une faible partie de réagit).
on modélise la phase de combustion du carburant dans l’air par une source chaude fictive l’amenant
à .
on appelle
le taux de compression ou rapport volumique.
On rappelle l’expression du rendement pour un moteur :
Compression adiabatique réversible (isentropique) :
On a :
Combustion (évolution isochore ) :
Le premier principe s’écrit :
Détente adiabatique réversible (isentropique) :
On a :
Échappement et admission d’un nouveau mélange air-carburant (évolution isochore ) :
Le premier principe s’écrit :
, on obtient pour le rendement :
1
/
3
100%
