Origine

Sommaire
CHRONOLOGIE.
LE MOTEUR A VAPEUR.
LE MOTEUR A EXPLOSION.
LE MOTEUR ELECTRIQUE.
LE MOTEUR A REACTION.
D’AUTRES MOTEURS
CONCLUSION et
BIBLIOGRAPHIE
1
PAGE
2
PAGE
5
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9
PAGE
17
PAGE
22
PAGE
29
PAGE
32
Chronologie.
1820
Andre-Marie Ampere démontre que le
magnétisme est une force entre les courants
électriques (voir le lien ci- dessus).
1708
Abraham Darby intensifie la production du
fer en Angleterre, grâce à la houille (coke).
Alors que le bois de chauffage se raréfie, le
charbon devient le carburant de choix en
Angleterre et le coke remplace le charbon de
bois pour la production du fer. Pour faire
fonctionner les pompes qui extraient la
houille, Newcomen invente en 1712 un
moteur à vapeur rustique.
Révolution industrielle :
George Stephenson en Grande-Bretagne
(1825) et Peter Cooper aux USA (1830)
construisent avec succès de nombreuses voie
ferrées au service de la machine à vapeur.
1769
James Watt (1736-1819) conçoit le moteur
à vapeur moderne.
1833
Michael Faraday calcule les lois sur la
diversité électrique des différents corps
(comme déjà en 1807 par Davy)et énonce
que les atomes possèdent des charges
électriques.
1783
Les frères Montgolfière en France,
propriétaires d'une usine de papier,
construisent les premiers ballons à air
chaud; les ballons à hydrogène suivront.
1836
John Ericsson invente l'hélice des bateaux.
1806
William Congreve invente les fusées
militaires ; elles sont utilisées le 13
septembre 1814 lors d'une attaque des
Anglais sur Baltimore.
1859
Edwin Drake extrait le pétrole d'une huile de
Titusville en Pennsylvanie. Débute un
engouement mondial de recherche et
d'extraction du pétrole, pour le raffiner et
utiliser ses constituants pour s'éclairer, se
chauffer et plus tard recourir à l'essence et
aux moteurs diesel.
1807
Robert Fulton se sert de la vapeur pour faire
fonctionner le premier bateau commercial à
aubes sur le fleuve Hudson ;
1843
James Prescott Joule (1818-89) mesure " la
proportionnalité " entre énergie mécanique
et chaleur.
1820
Hans Christian Oersted observe l'effet
magnétique des courants électriques.
2
1886
Heinrich Hertz produit et détecte les ondes
électromagnétiques, ce qui sera appelé plus
tard la "radio."
1859
Edwin Drake extrait le pétrole d'une huile de
Titusville en Pennsylvanie. Débute un
engouement mondial de recherche et
d'extraction du pétrole, pour le raffiner et
utiliser ses constituants pour s'éclairer, se
chauffer et plus tard recourir à l'essence et
aux moteurs diesel.
Débuts des automobiles (Marcus 1864 en
Autriche; Benz, 1887 en Allemagne;
Duryea, 1893 aux US).
1864
James Clerk Maxwell propose les équations
de l'électromagnétisme et suggère que la
lumière est une onde électromagnétique.
1895
Henri Becquerel découvre la radioactivité.
1896
Svante Arrhenius rattache l'anhydride
carbonique à "l'effet de serre" réchauffant la
terre.
la révolution industrielle se poursuit :
Les bicyclettes apparaissent (le grand - bi,
alors " référence de sécurité "), production en
série des tissus, construction du pont de
Brooklyn (1883),de la statue de la liberté
(1886),de la tour Eiffel (1889).
1897
J.J. Thompson découvre l'électron.
1870
Le chemin de fer traverse les USA. En
1891-1905, construction du Trans-sibérien.
1911
Andre Bing en Belgique fait breveter une
fusée à plusieurs étages.
1916
Goddard teste des fusées avec des becs de
De-Laval.
1879
Edison invente l'ampoule électrique, avec au
début un fragile filament de carbone.
1926, 16 Mars
Goddard lance sa première fusée à
carburant liquide.
1882
Centrales électriques à Londres et à New
York. Réfrigération à grande échelle.
1932
James Chadwick découvre le neutron.
1885-1900
l'arrivée des moteurs électriques pour les
trains permet la construction des métros
dans les grandes villes d'Europe (D'abord
Londres, puis Budapest) et des USA
(d'abord Boston, puis New York)..
1936
Le DC-3, premier avion de ligne moderne,
peut atteindre 210 kM/H avec 21
passagers.
1884
Charles Parsons invente la turbine à
vapeur, qui devient finalement le relais
préférentiel des centrales et des bateaux
fonctionnant à l'énergie électrique. Le
moteur diesel est présenté en 1897 par
Rudolf Diesel.
3
1939
Hahn, Meitner and Strassmann
découvrent la Fission nucléaire lorsqu'un
noyau d'uranium absorbe un neutron, il
peut être ébranlé au point de se dédoubler en
deux fragments de taille comparable,
accompagné d'une grande quantité
d'énergie.
1958-9
"Projet Orion " destiné à concevoir les
vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire.
1963
Traité d'interdiction des essais nucléaires.
1979, 24 Decembre
Premiers vols de la fusée européenne
Ariane.
1942, 2 Decembre
Le premier réacteur nucléaire, conçu par
Enrico Fermi, est mis en service avec succès
à Chicago.
1981, 12 Avril
Premier vol de la navette spatiale.
1944, 8 Septembre
les premières fusées V2 sont lancées sur la
Grande-Bretagne
1986, 14 Decembre
L'avion "Voyager", conçu par Burt Rutan et
piloté par son frère Dick et par Jeanna
Yaeger, fait le tour de la terre sans escale et
sans réapprovisionnement en combustible
1947, 14 Octobre
l'avion - fusée X-1 piloté par Chuck Yaeger
franchit le mur du son.
1949, 24 février
La fusée à deux étages "Bumper" monte à
393 kilomètres.
1949
La Grande-Bretagne met en service le
premier avion de ligne à réaction : le Comet.
Il est plus tard rappelé en raison de graves
défauts, mais en 1958 le Caravelle français
et les Boeing 707, plus grands, sont mis
en service. Un peu à la fois, les avions à
réaction prédominent dans les transports
aériens, ce qui fait brusquement diminuer
les voyages passagers à travers les océans.
1956
La Première grande centrale nucléaire
commerciale, Calder Hall, est inaugurée en
Grande-Bretagne.
1958
Eisenhower, le président des USA, fonde la
NASA.
4
Le Moteur à vapeur.
Au 19ème siècle, la machine à vapeur a un rôle central dans la révolution industrielle.
Ce moteur puissant et efficace fonctionnant à l’énergie du charbon est rapidement devenu
une force motrice du travail dans les usines et les mines.
Historique
Des noms qui ont marqué leur temps.
Thomas Newcomen.
Denis Papin.
C’est cet anglais qui créa les véritables premiers
moteurs à vapeur : les « moteurs à poutre »
Ils sont constitués d’une chaudière à vapeur,
d’un cylindre et d’un piston. Le piston, en
montant et descendant transfère de l’énergie à
la poutre qui se déplace à l’intérieur du
cylindre. Mais, ce moteur n’est pas rentable à
cause des nombreuses perditions thermiques.
Dès 1960, ce physicien
met au point un des
premiers moteurs à
piston. Son principe
est assez
simple. Son
seul cylindre
sert de
chaudière, et fonctionne davantage
avec la pression atmosphérique plutôt
qu’avec la pression due à la vapeur.
Moteur à vapeur de Thomas Newcomen
James Watt.
Décidant d’améliorer le concept de Newcomen, il
Le marquis de Worcester et Thomas Savery.
Ces ingénieurs ont également
fabriqué des ébauches de moteurs à
vapeur vers la fin du 17ème siècle
Notamment le moteur de Savery a
été très utilisé dans les exploitations
minières pour pomper l’eau dans les
tunnels.
5
travailla sur un nouveau modèle de moteur
qu’il fit breveté en 1769.
Son objectif était atteint : il avait réussi à
augmenter l’efficacité du moteur.
Effectivement, par la création d’un espace
séparé pour la condensation de vapeur, et le
remplacement de la pression atmosphérique par
la pression de la vapeur d’eau il élimina
quasiment toutes les pertes thermiques.
Ainsi, cet
ingénieur
écossais est
considéré
comme
l’instigateur
du moteur à
vapeur.
Le saviez-vous ?
On différencie les machines à vapeur en simple
effet et en double effet.
En simple effet, le piston qui se déplace dans le
cylindre est entraîné par la vapeur par une de ses
faces, et en double effet, par ses deux faces.
Chronologiquement, les moteurs à vapeur créés
avant celui de James Watt sont à simple effet !
Et la locomotive a toujours un moteur à vapeur à
double effet !
Richard Trevithick et Oliver Evans.
Au début du 19ème siècle, cet ingénieur des
mines britanniques et inventeur américain
ont construit le premier moteur à vapeur à
haute pression, et ont utilisé ce modèle pour
faire fonctionner la première locomotive à
vapeur du monde.
6
tre phases de travail de la vapeur :
*Admission
*Détente
*Echappement
*Compression
Machine à vapeur à double flux.
Rôle de la distribution
Elle sert à garder ou laisser s'échapper la vapeur
produite par la chaudière dans le cylindre en
fonction des mouvements du piston.
Ainsi, on utilise l'énergie contenue dans la
vapeur sans trop de gaspillage.
Le piston sépare le cylindre en deux chambres
de travail reliées chacune par un canal de
vapeur.
Ce canal, dont l'embouchure se trouve aux
extrémités du cylindre, permet l'admission de
vapeur et l'échappement de vapeur.
Le tiroir, commandé par les bielles de
distribution, (distributions extérieures) règle la
répartition de la vapeur dans les deux canaux
du cylindre de la locomotive.
Ainsi dérivent le mouvement de la crosse et de
l’essieu moteur.
Admission :
Le tiroir ouvre le canal du cylindre puis le
tuyau d’admission de vapeur la vapeur de la
chaudière atteint le cylindre.
La phase d’admission commence en A Et se
termine an B (début de la détente)
Ainsi, la distribution permet de modifier la
puissance de la machine et le sens de rotation
des roues motrices.
Détente
Description du cycle
Pendant la détente, le tiroir ferme le canal du
cylindre en B.
« L’acheminement » de vapeur provenant de la
chaudière s’arrête.
La vapeur enfermée dans le cylindre subit une
détente et déplace de ce fait le piston en C.
Plus le piston se déplace vers la droite, et plus
V1 augmente et V2 diminue et la pression de la
vapeur diminue.
Pen
dan
t un
tour
de la
roue
motr
ice,
le
piston avance, puis retourne en arrière.
Le
cycl
e est
décr
it
par
qua
7
Compression
Pendant la compression, le tiroir referme de
nouveau le canal du cylindre.
Le piston comprime la vapeur restant
dans le cylindre E->A
Echappement
Pendant l’échappement,
le tiroir relie le canal du
cylindre avec le tuyau
d’échappement de vapeur :
la vapeur détendue
s’échappera par le tuyau
d’échappement et la
tuyère d’échappement à « l’air libre » C->D
Et ainsi de suite, le cycle reprend.
En D, le tiroir libère totalement l’accès du canal
du cylindre vers l’échappement.
Fin de l’échappement avec le début de la
compression en D. D->E
8
Le Moteur à explosion.
Ce moteur thermique se décline en plusieurs versions, le moteur Diesel et le moteur à
essence, gaz ou alcool, à 2 ou 4 temps. Leur fonctionnement est très similaire à la
différence près que le combustible n’est pas le même est de ce fait que certaines propriétés
varient.
Historique
Des noms qui ont marqué leur temps.
Fonctionnement du moteur à quatre
temps.
François Isaac de Rivaz.
En 1804 il créa le premier
moteur à explosion à quatre
temps.
Un moteur à explosion peut être modélisé
comme un cylindre creux, fermé à ses deux
extrémités à l’intérieur duquel un autre
cylindre, le piston, plein celui-ci, est mobile.
Du carburant est injecté d’un coté du piston,
dans la chambre à combustion, et ce dernier va
comprimer le carburant.
Jean-Joseph Étienne Lenoir.
En 1860 il propose une
simplification du moteur à
quatre temps : le moteur à
deux temps.
Au démarrage, le moteur effectue la
compression du carburant avant allumage à
l’aide d’une source de travail extérieure : une
manivelle actionnée à la main, ou aujourd’hui
un moteur électrique.
A l’allumage, le carburant s’enflamme en 1 à 2
millisecondes et il se produit une déflagration.
Celui-ci est produit soit à l’aide de bougies
d’allumage dans le cas d’un moteur à essence,
gaz ou alcool [c’est pour cela qu’on met en
avant l’importance de la batterie d’un véhicule
essence] soit par combustion spontanée du
carburant à haute pression dans le cas du
moteur Diesel. A ce moment là, le carburant est
sous une pression de 12 à 18 bars et entre 400
et 500 °C s'enflamme.
S’en suit une expansion des gaz à haute
température (et haute pression : près de 60 bars)
et une détente accompagnant le
9
refoulement du piston. La variation du volume
dans la chambre de combustion crée ainsi du
travail.
Le couplage du piston avec un volant d’inertie
(le vilebrequin) permet alors de récupérer une
partie du travail créé par la phase précédente
pour renvoyer le piston en sens inverse, éjecter
les gaz dans un premier mouvement, admettre
à nouveau du carburant par pompage dans un
second mouvement, et enfin le comprimer en
vue d’un nouveau cycle. On obtient ainsi un
cycle de moteur à quatre temps.
10
Description du cycle
dans la paroi du cylindre ouvert en une
certaine position du cylindre.
Comme tout moteur, le moteur à explosion a
pour but de transformer une énergie en travail.
Cette transformation repose sur le phénomène
de déflagration* qui se produit lors de la
combustion d’un carburant.
Le fonctionnement du moteur a quatre temps
est modélisé par le cycle de Beau de Rochas
Dans le premier cycle du moteur, après
admission, le carburant est comprimé, vient
ensuite l’allumage, refoulant le piston qui
dans le même mouvement détend le système,
éjecte les gaz et pompe le carburant nécessaire
au prochain cycle.
Le cycle s’effectue en plusieurs étapes :
0-1 : Admission du carburant isobare
1-2 : Compression adiabatique (idéale)
2-3 : Explosion (déflagration) à volume
constant
3-4 : Détente adiabatique (idéale)
4-5 : Ouverture isochore de la soupape
d’échappement
5-0 :Echappement des gaz, isobare
Le saviez-vous ?
La pression moyenne qui règne dans le
moteur est de 11bar environ, avec des pics
à 60bars, d’où l’importance de choisir des
matériaux solides, des pièces étanches et
facilement déplaçable (lubrifiées).
Rendement du moteur à explosion.
Da
ns
ce
cyc
le,
2 temps sur 4 sont consacrés à l’admission et à
l’échappement du combustible. Une
simplification du moteur à quatre temps fut
proposée par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1860
: le moteur à deux temps.
Le principe du moteur à deux temps est
d’effectuer l’échappement et l’admission en un
même mouvement de piston. Dans les modèles
Notre moteur étant basé sur le cycle de Beau de
Rochas, nous allons d’abord calculer le
rendement du cycle, puis celui du moteur luimême.
les plus simples, ces deux étapes ne se font plus
à l’aide de soupapes à clapets, mais par des
soupapes à manchons, ou lumières, trous ouvert
11
Rendement du cycle
On étudie ici le gaz qui décrit le cycle 1234.
La quantité de gaz, n, est celle qui a été
admise dans l'état 1.
L'échauffement de l'étape 2-3 est dû à la
combustion "interne" du mélange gazeux
admis.
A savoir que les produits de la réaction sont
gazeux.
On admettra que la quantité de gaz n'est pas
modifiée par la combustion interne.
Afin de calculer le rendement d’un cycle on
calcule :
- le travail que fourni notre moteur qui pourra
être utilisé sous la forme d’énergie mécanique ,
-et la quantité de chaleur absorbée par le moteur
pour se mettre en mouvement sur un cycle.
Par définition, il faut savoir qu’il n’est pas
échangé de chaleur au cours de la
transformation adiabatique ; de ce fait, tous
les échanges de chaleurs se font sur les
chemins 2-3 et 4-5.
Le gaz est assimilé à un gaz parfait pour
lequel les capacités thermiques molaires (ou
massique) Cpm et Cvm sont constantes.
En se qui concerne le travail, c'est à dire l'aire
sous la courbe dans le diagramme de
Clapeyron, il est nul car les chemins 0-1 et 5-0
sont inverses.
Le travail fournit par le moteur est donc créé
uniquement lors des étapes 1-2 , 2-3, 3-4, 4-5.
R
Cvm
( 1)
et
Cpm
1
,33
C
vm

Le saviez-vous ?
Le « travail » est exprimé par :
La capacité thermique molaire est donnée par
la quantité d'énergie apportée par échange
thermique pour élever d'une unité la
température d'une mole d'une substance.
WpdV
Il correspond à l'aire sous la courbe dans le
diagramme de Clapeyron.
Il est nul sur les chemins 0-1 et 5-0 car ils
sont inverses ;le travail fournit par le moteur
est donc créé uniquement lors des étapes 1-2 ,
2-3, 3-4, 4-5.
Calcul de la chaleur et du travail du cycle :
Or,si on regarde bien la formule, on comprend
qu’aucun travail n'est produit lors des étapes
pendant lesquelles il n'y a pas de variation de
volume.
Nous n'avons donc à considérer que les
chemins 1-2 et 3-4 (deux chemins
adiabatiques) pour calculer le travail.
Expression de Q1 quantité de chaleur échangée
dans l'étape 2-3 :
Q
nC
(T
T
1
vm
3
2)
avec ( T3 – T2 )>0 échauffement du gaz
Q1 >0, chaleur reçue par le système, le gaz.
Expression de Q2 quantité de chaleur échangée
dans l'étape 4-5 :
On appelle « taux de compression » le rapport

Vmax
  10 .
Vmin ; on prendra
Q
nC
(T
T
2
vm
5
4)avec( T5 – T4 )<0
refroidissement du gaz
12


1


1
T

T
)
V

(
T

T
)
V
max
min
D’où : (
1
4
2
3
Q2 <0, chaleur cédée par le système, le gaz.
Expression du travail total W échangé au cours
du cycle 1234 :


1


1




T

T
V
V
min


1
4
min 1







1


(
T

T
)V
V
max
2
3
max


L’énergie interne du gaz ne varie pas au cours
du cycle :  U=0

0
,33


1

1
1

10
U

W

Q
Q

(Q
Q
Or 
1
2d'où W
1
2)
  0,53
si   10
Le rendement théorique est donc de 53%
Le saviez-vous ?
Conditions proches.
L’énergie interne est un concept regroupant
le travail et les quantités de chaleur
échangés d’un système.
D’après le Premier Principe de la
Thermodynamique, sa variation est nulle
pour un système isolé.
Regardons ce qui ce passe en chaque étape du
cycle en appliquant des conditions proches de
la réalité.
On prend un moteur à un cylindre de volume
V=500cm3.
La pression atmosphérique est de 1bar, la
température de l’air de 15°C et   1,33 .
Expression de l’efficacité en fonction de Q1 et
Q2.
Admission en 1 :
Efficacité (rendement) : rapport du travail
fourni par l’énergie reçue à la source chaude ;

3
V
 
V

571
,
4
cm
1

1
T1 = 15 + 273 = 288K (degré Kelvin)
Compression adiabatique en 2 :
W

(
Q

Q
)
Q




(
1
)
Q Q
Q
1
1
2
1
P1 = 1bar

2


V
1


P
P
14
.
93
bar
2
1


V
2


V2 = V1 – V = 71,4cm3
1
Or, Q1>0 et Q2<0 d'où  =1-|Q2| /Q1

1

V
1


T
T
537
K
2
1

 
V
2
Expression de l’efficacité en fonction de T1, T2,
T3 et T4 :
Q
2
T
T
1
4
Explosion en 3 :
T
T
1
4

; 1
Q
(T
T
(T
T
1
3
2)
3
2)
Lors de l’explosion, une augmentation rapide
de pression se produit. Celle-ci dépend de la
nature du mélange combustible ; la
combustion de 500cm3 de mélange carburé
air/essence dégage 1776 joules environ sous
forme de chaleur.
1-2 adiabatique réversible donc :

1

1
T
V

T
V
max
min
;
1
2
3-4 adiabatique réversible donc :

1

1
T
V

T
V
max
min
5
3
13
La thermodynamique précise que : QCvT ,
mais pour rester approximatifs dans notre
simulation nous utiliserons la relation :
P
P
7
(
1
)
2
1
Le saviez-vous ?
Autrefois, la puissance était exprimée en
cheval-vapeur (ch) avant que son unité
devienne le Watt.
Le cheval-vapeur était la puissance développée
par un cheval pour traîner une masse m à la
vitesse du pas (P=m.g.v).
1 ch = 736 W
A ne pas confondre avec le cheval fiscal (cv)
qui lui répondait à la formule P = k n d² I w
où :
k est une constante administrative dépendant
du type de moteur, n le nombre de cylindres, d
l’alésage d’un cylindre en cm, I la course du
piston, et w la vitesse de rotations forfaitaire
en tour/sec pour être finalement remplacée par
C
1
,48
p

m
(
0
,0458
)
ou K est constante prenant
K
en compte la démultiplication de la
transmission et C la cylindrée.
P3 = 64bar
V3 = V2 = 71,4cm3
P
3


T
T
2299
K
3
2
P

2
Détente adiabatique en 4 :


V
2


P
P
4
,28
bar
4
3


V
1
V1 = 571,4cm3
1




V
2


T
T
1232
K
4
3

 
V
1

Ce qui nous fait un rendement de 46 % dans
ces conditions.
Le moteur réel.
La puissance développée par le moteur, c'est-àdire l’énergie mise en œuvre pendant une unité
de temps est :
Dans un moteur réel, des anomalies sont
détectées dans le fonctionnement.
Pendant la combustion, par exemple lors de
l’allumage, un point chaud résiduel dans la
chambre de combustion peut provoquer un pré
allumage et outre passer l’action des bougies…
le moteur continue à tourner après coupure du
contact.
Autre anomalie le « cliquetis », phénomène de
combustion ultra rapide identique à celle de la
détonation, se manifestant par une onde de
pression, mais qui apparaît après le
déclenchement de l’étincelle.
Il est favorisé par la relation entre l’indice
d’octane du carburant et le taux de compression
du moteur, la turbulence dans la chambre de
combustion, la richesse et l’homogénéité du
mélange.
Ce phénomène peut venir à bout d’un piston en
quelques heures…
L’optimisation d’un moteur est donc
primordiale pour qu’il puisse fonctionner
durablement, efficacement et si possible
écologiquement.
Puissance W = Travail T/ Temps t
N
W2C
t
Connaissant le travail pour un cycle complet
soit 2 tours de vilebrequin
1N
(
tours
/
min)
W

2
C


2
60

14
La première question à se poser est de savoir si
notre comportement théorique du moteur est
vérifié dans la pratique.
compresseur ou d’un turbo compresseur,
on déforme l’ensemble du diagramme
dans le sens de l’augmentation de
surface utile. La puissance augmente
en fonction de la pression d’admission.
D’une part, et non d’une moindre, notre cycle
ne tiens pas compte de l’inertie de la masse de
fluide déplacée par notre moteur.
D’autre part, notre enceinte n’est pas
adiabatique et une quantité non négligeable de
chaleur est échangée avec le milieu extérieur.
Enfin, la combustion complète du carburant
n’est pas instantané et n’est pas forcément
achevée lors de la détente du piston ce qui
entraîne une pollution inutile.
La bougie d’allumage.
Elle est le dernier maillon du système
d’allumage dont elle exploite le courant haute
tension pour provoquer une étincelle au sein du
mélange air/essence que le piston a comprimé
dans la chambre d’explosion. Celle-ci se produit
entre deux électrodes, l’une reliée à la masse,
l’autre, parfaitement isolée (résistant à 20 00030 000 Volts), raccordée au générateur de haute
tension. La différence de potentiel entre les
électrodes entraîne une ionisation de l’espace les
séparant et permet l’instauration d’un arc
électrique qui dégage suffisamment d’énergie
pour amorcer la combustion du mélange
carburé.
Alors pour améliorer le rendement du moteur et
retrouver un cycle réel ressemblant au cycle
théorique, plusieurs solutions existent.






Augmenter le temps d’ouverture des
soupapes d’admission et d’échappement,
afin d’éviter le freinage des gaz.
Avance du point d’allumage par rapport
à la compression maximale (le point
mort), pour tenir compte du délai
d’inflammation.
Prolongation de la phase de détente pour
augmenter le travail utile et diminuer
les pertes par l’échappement.
Augmenter la vitesse d’inflammation
du mélange carburé de façon à se
rapprocher de la combustion à volume
constant ce qui induit un
accroissement de la vitesse de rotation et
donc de la puissance du moteur. Cette
vitesse d’inflammation dépend de
l’homogénéité du mélange et de la forme
de la chambre de combustion. Une
seconde bougie d’allumage fait gagner
3%.
Minimiser les pertes de chaleur en
augmentant l’alésage (le diamètre de la
chambre à combustion) ce qui a pour
contre partie de réduire la vitesse de
rotation et donc la puissance.
En turbo suralimentant le moteur, ce
qui consiste à le gaver à l’aide d’un
Carburant.
Si de nos jours le moteur à explosion est tant
critiqué, c’est pour son indispensable besoin en
carburant fossile de plus en plus rare et la
pollution qui en découle.
A essence ou diesel, le moteur à explosion n’à
pas nécessairement besoin d’être remplis de
carburant pour fonctionner, du moins pas à
l’état liquide, car le liquide incompressible
pourrait causer de sérieux dommages au
moteur lors de la compression. Un mélange
d’air et de carburant est préparé en amont et
injecté directement dans la chambre de
combustion.
Ces carburants sont d’origine pétrolifère dans
la très grande majorité. Ils se distinguent
avant tout par leur indice d’octane qui, nous
l’avons vu, est intimement lié au bon
fonctionnement du moteur.
Un mauvais indice d’octane peut créer un
disfonctionnement du moteur, voire le
dégrader.
15
Le saviez-vous ?
Consommation de carburant
On distingue les essences :




Depuis les années 1970 et les 2 chocs
pétroliers, les politiques d'état et des
constructeurs ont été de réduire globalement
la consommation des principaux modèles
automobiles.
sans plomb 95 ou « Eurocarburant »
(indice d’octane 95),
sans plomb 98 (indice d’octane 98),
le « super » (indice 98, en voie de
disparition). Il ne contient plus de
plomb mais du potassium pour l'« antirécession des soupapes » et pose de ce fait
des problèmes de fonctionnement.
le Gazole.
En France, la consommation moyenne du
parc automobile est ainsi passée de 8,3 litres
aux 100 km à 7 litres en 2004. La
consommation du "véhicule neuf moyen"
commercialisé en France en 2005 est de 6
litres/100km.
D'ailleurs, pour la 4ème année de suite, la
consommation globale annuelle de super et de
gazole a reculé en France pour revenir au
niveau de 1996 soit 29 millions de mètres
cubes avec pour forte origine la hausse de
leurs prix et pour conséquence directe une
diminution du kilométrage parcouru (398
milliards de km en 2005 contre un pic à 404
milliards en 2003) favorisé par le
vieillissement de la population française,
tendance aussi constatée en Allemagne et
Grande-Bretagne - et à une diminution de la
vitesse (aidée par des contrôles radar de
vitesse en nette augmentation).
Reste à noter qu’on peut actuellement
substituer aux essences l’alcool ou du gaz
(naturel) et au gazole les huiles végétales et
biocarburants réduisant sensiblement la
pollution et ce sans modification majeure du
système.
Actuellement, les efforts technologiques
tendent à réduire énormément la
consommation de moteurs. Preuve la plus
évidente, la sortie en 2005 de plusieurs modèles
de véhicules grand public dont la
consommation avoisinait les 4 litres/100km.
L’intégration d’un moteur d’appoint (et de
substitution) annexe électrique, permet
également de réduire toute utilisation inutile
du moteur à explosion.
En moyenne dans le monde, la
consommation est de 10 litres/100 km par
véhicule particulier.
16
Le Moteur électrique
propagent à la vitesse
de la lumière.
Historique
Des noms qui ont marqué leur temps.
Pierre Simon
Laplace
C’est en 1814 que ce
mathématicien
physicien français a
déterminé les outils
mathématiques
permettant de
représenter les forces
magnétiques (Force
de Laplace)
Michael Faraday
Ce physicien
anglais est le
premier maître de la
rotation
magnétique
(1821).Il fur acteur
de la conception du
premier moteur électrique.
Ludwig Lorenz
Ce physicien
mathématicien
danois a travaillé
sur la transmission
des forces par des
champs en utilisant
des équations. Il a
démontré que des
forces électriques se
17
Fonctionnement
On distinguera les machines tournantes en
courant continu et alternatif, et les moteurs
linéaires.
Le moteur électrique repose sur le phénomène de
la force de Laplace.
Selon Lorentz, en électromagnétique, une
particule chargée, dans un champ
électromagnétique est ainsi soumise à une
force :
Les machines tournantes.
La machine tournante est utilisée dans le but
de convertir une énergie électrique en énergie
mécanique : l’énergie cinétique de rotation.
   
Fq
Eq
vB
Avec :


La première machine tournante fut trouvée par
Faraday en 1821, qui mit en évidence qu’un
fil de fer plongé dans du mercure avec un
aimant en son milieu tournait autour de celuici.

F la force subie par la particule chargée

E le champ électrique au niveau de la
charge


B le champ magnétique au niveau de la
charge
Les moteurs à courant continu reprennent de
nos jours le même principe.

 v la vitesse de la charge
En l’absence de champ électrique, la force
devient :
  
F qv B


Soit j qnv  le vecteur densité de courant
avec q la charge d’un porteur, n la densité
volumique des porteurs de charge tel que
l’intensité du courant vaut :
 
i  j dS
S
De ce fait :
 

dFid
l B
On en déduit la Formule de Laplace :
  
F  I B
Un champ magnétique est créé par l’aimant
permanent (le stator, car il reste fixe). Le
courant passant à travers le fil placé dans ce
champ magnétique est un mouvement
d’électron c'est-à-dire de charges. Les charges
en mouvement sont alors influencées par le
champ magnétique en présence et mettent en
mouvement le fil de fer. C’est la force de
Laplace. L’ensemble du fil tournant est alors
nommé le « rotor » parce qu’il tourne, et
« induit » car composé d’un bobinage de fil
conducteur, et met en mouvement l’axe moteur
grâce auquel on pourra récupérer du travail
utile.
La Force de Laplace est donc normale au
courant qui traverse un conducteur et au
champ magnétique dans lequel il est plongé.
Pour mettre en mouvement un conducteur, on
le soumet donc à un courant ; pour le champ
magnétique, on entoure le conducteur d’un
aimant.
Le moteur électrique, repose entièrement sur ce
principe.
18
De manière générale, les stators et rotors sont
composés de matériaux ferromagnétiques afin
que le flux produit par les bobinages ou les
aimants soit aussi grand que possible, et que le
flux interne à la machine ne sorte pas de celleci (dans un soucis de limiter les pertes et les
nuisance du voisinage proche au moteur :
interférences, champ magnétique non souhaité
etc.)
Pour favoriser cet effet d’inertie, il suffit
d’augmenter la masse de la bobine. Plus la
masse est lourde, plus son inertie est grande,
mais plus on a besoin d’énergie pour la mettre
en mouvement. Il faut trouver le bon
compromis.
La pièce maîtresse permettant ce changement
automatique du sens du courant est le
collecteur.
Le moteur à courant continu est le moteur le
plus simple à concevoir, et une version statorbobine rotor-aimant fonctionne tout à fait !
Comme le montre le schéma, un couple de forces
de Laplace est créé, conséquence de l’action
d’un flux (le champ magnétique) sur un
courant (passant à travers le bobinage du
rotor). Lorsque la bobine de fil tourne, ces deux
forces tendent à se compenser. C’est ce qui se
passe lorsque la bobine est normale au champ
magnétique. A ce moment là, le mouvement ne
peut plus durer car les forces s’exerçant de part
et d’autre de la boucle sont contraires. A ce
moment là, on inverse donc le sens du courant
traversant le fil et un couple de forces de
Laplace contraire au précédent est créé. En
laissant un temps entre la compensation des
forces du premier couple, et le changement du
sens du courant (de la polarisation), la bobine
peut continuer un temps son mouvement grâce
à son inertie et permettre ainsi que le
mouvement de rotation soit pérennisé dans un
même sens.
Si aucun temps n’est laissé, le couple de forces
contraire pourrait imposer une rotation inverse
à la bobine et le mouvement de rotation ne
serait plus continu.
Il suffit de multiplier le nombre de spires de
l’induit sur un même axe, et de reprendre le
même principe pour avoir un effet plus évident
et une plus grande inertie. Chaque boucle et
montée de façon à ce que lorsque une partie de
celle-ci se situe sous le pôle sud du stator, une
autre du même ordre de grandeur se situe sous
le pôle sud.
A partir de là, on peut également multiplier le
nombre d’aimants du stator. En mettant deux
couple Nord-Sud, et en doublant le nombre de
spires, lesquelles auront la situation similaire
à un angle de +/-90°
Le saviez-vous ?
L’entrefer est l’intervalle entre le stator et le
rotor.
19
plastique). L'ordre de grandeur de ces pertes est
1.5%.
Rendement
-contacts des balais : L'effet Joule dans la
résistance de contact diminue lorsque la charge
augmente, on estime les pertes à 0.5%.
-frottements et ventilation : les frottements sur
les paliers et le frottement de l'air sur les
ailettes assurant le refroidissement
consomment environ 1% de la puissance.
Pour une dynamo motrice (moteur) ou
génératrice (générateur) le rendement est
défini par le rapport

P
électrique
(générateur)
P
mécanique
Et

P
mécanique
(moteur).
P
En conséquence le rendement d'un moteur à
courant continu sera en moyenne de l'ordre de
93%. Il sera d'autant meilleur que la puissance
sera élevée et bien sûr inférieur pour des "petites"
dynamos (< 100kW !).
électrique
Le rendement théorique est de 100%, mais
comme ces deux rendements sont inférieurs à 1
la dynamo n'est pas exactement une machine
réversible.
La Puissance électrique se calcule en mesurant
le produit de la tension et de l’intensité entrant
ou sortant de la dynamo.
Le saviez-vous ?
On appelle courants de Foucault les courants
électriques créés dans une masse conductrice,
soit par la variation au cours du temps d'un
champ magnétique extérieur traversant ce
milieu (le flux du champ à travers le milieu),
soit par un déplacement de cette masse dans
un champ magnétique constant. Ils sont une
conséquence de l'induction magnétique.
La Puissance mécanique quant à elle se
mesure par le produit du Couple et de la Vitesse
de rotation du rotor.
Les pertes sont dues aux :
-pertes cuivre dans l'induit : RI2 (effet Joule)
Solution : On adopte une densité de courant
d'environ 4A/mm2 de telle sorte que les pertes
par effet Joule ne dépassent pas 2% dans un
système à pleine charge.
-dans l'inducteur :
Solution : On augmentera volontiers le poids
des bobines fixes ce qui permet d'augmenter la
densité de courant et donc de réduire l'effet
Joule.
-fer de l'induit : si le flux est constant lespertes
par hystérésis et courants de Foucault sont
constantes.
Solution : Comme elles augmentent avec
l'induction on se limitera généralement à
1.2Wb/m2. On réduit les courants de Foucault
en réalisant le tambour sous forme de disques
séparés par un isolant (papier ou film
Soit une grandeur cause notée C produisant
une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a
hystérésis lorsque la courbe E = f(C) obtenue
à la croissance de C ne se superpose pas avec
la courbe E = f(C) obtenue à la décroissance
de C. Généralement, la raison en est que les
variations de E se font avec un certain retard
par rapport à celles de C, ce retard produisant
des discontinuités lors des inversions de la
variation de C.
20
Les moteurs à courant alternatifs.
Sa vitesse n'est pas forcément proportionnelle à
la fréquence des courants qui le traversent.
Ces machines étaient uniquement utilisées en
moteur mais, grâce aux progrès de
l'électronique de puissance, il est de plus en
plus fréquent qu'elles puissent être utilisées en
génératrice.
On distingue les moteurs universels,
synchrones et asynchrones, dont le stator ne
diffère pas.
L’avantage d’un moteur à courant alternatif
est qu’il permet une puissance bien supérieure à
la version à courant continu. Cela va de soi
puisque les tensions les plus hautes sont
généralement distribuées via un courant
alternatif afin de faciliter le transport.
Pour fonctionner en courant monophasé, ces
machines nécessitent un système de
démarrage. Pour des applications de forte
puissance, les moteurs asynchrones sont
uniquement alimentés par des systèmes de
courants triphasés
Le principe du moteur à courant alternatif ne
varie pas outre mesure de celui du courant
continu si ce n’est quelques variantes au
niveau du rotor concernant les moteurs
synchrones et asynchrones.
Un point majeur des moteurs électriques est
qu’ils peuvent dans leur très grande majorité
être utilisés également en générateur, tout en
gardant le meilleur rendement connu à l’heure
actuelle. Leur plus gros inconvénient réside
dans la faible portabilité de son énergie.
Ce point pourrait subir une grande évolution
avec la mise au point de la pile à combustible ou
des cellules photovoltaïques.
Concernant les moteurs universels, c’est un
moteur à courant continu avec un stator
feuilleté afin d'éviter que le courant statorique
alternatif n'y induise trop de courants de
Foucault. Leur avantage est de pouvoir délivré
un fort couple.
Les moteurs synchrones sont utilisés dans les
systèmes de traction. Ces machines sont
associées à des onduleurs de courants, ce qui
permet de fixer le couple moteur moyen
constant avec un minimum de courant. On
parle d'autopilotage (asservissement des
courants statoriques par rapport à la position
du rotor).
Le rotor, alimenté en courant continu, par un
système de contacts glissants (bagues), crée
un champ magnétique rotorique qui suit le
champ tournant statorique avec un retard
angulaire lié à la charge (plus la charge est
importante, plus est grand). Ce moteur peut
également être utilisé pour relever le facteur de
puissance d'une installation. Il fournit alors de
la puissance réactive au réseau (charge
capacitive).
Les moteurs asynchrones, sont les plus
répandus, grâce à son rapport qualité prix.
21
Le Moteur à réaction
Historique
Hans Joachim Pabst
Von Ohain
Cet ingénieur allemand
créa le premier
turboréacteur allemand :
le HES 1, proche du
turboréacteur de Frank
Whittle (1937).
Améliorant son concept,
il créa le HES B3.
Et c’est le 27 Août 1939
que le premier avion à
turboréacteur du monde
décolle : c’est le Heinkel
He-178 expérimental.
Des noms qui ont marqué leur temps.
Frank Whittle
Cet élève officier,
rédigea sa thèse sur
« les développements
probables de l‘aviation
future. »
Il est persuadé que l’on
peut propulser des
avions par réaction et
dépose un brevet en
1930.C’est le 12 avril
1937 qu’il crée son
premier turboréacteur.
Entrée d’air : Quand l'avion avance, l'air qui
entre par ce conduit fournit l'air nécessaire au
compresseur : il y a conservation de l'énergie
Composition d’un turboréacteur.
22
cinétique de l'air en énergie de pression. Si
l’entrée d’air est mal conçue, des turbulences ou
phénomènes de traînée peuvent survenir.
Plus il y a d'air et plus il y a injection de
carburant.
Le mélange « air – carburant » s'enflamme, et
par la chaleur produite, le mélange se dilate et
une très grande force de poussée apparaît.
Un réacteur comporte plusieurs chambres de
combustion ou une seule dite annulaire (elle
entoure l'axe central comme un anneau).
Compresseur : il fournit la quantité maximale
d'air sous pression qui peut être chauffée dans
la chambre à combustion.
Chaque étage du compresseur est constitué
d'un disque mobile avec ses aubes, appelé rotor,
et d'un disque d'aubes fixes, appelé stator.
En tournant, les ailettes composant le rotor
aspirent l'air.
Le flux ainsi créé est stabilisé par le stator. Le
compresseur permettra entre autre le
refroidissement des parties les plus chaudes du
moteur, la pressurisation des joints
d'étanchéité, l'alimentation de la chambre de
combustion en carburant.
Turbine : elle transforme l'énergie cinétique et
thermique des gaz en énergie mécanique.
Elle est reliée au compresseur par un axe
central. Quand les gaz d’échappement frappent
les ailettes, la turbine tourne .et fait ainsi
tourner le compresseur. C’est son rôle principal.
Remarque : il y a dans un moteur autant de
turbine que de compresseur.
Tuyère : elle convertit la pression des gaz en
énergie cinétique.
Sa forme est étudiée de telle sorte que la
pression des gaz à la sortie du moteur soit la
plus faible possible mais qu'ils soient rejetés le
plus rapidement possible.
Le canal d'admission et le canal d'échappement
sont donc fabriqués conformément à la loi de
Bernoulli. Du coup, dans la tuyère, l'espace
Le moteur est constitué de plusieurs
compresseurs, notamment :
- un compresseur basse pression où le rotor est
de grande taille mais tourne lentement.
- un compresseur haute pression où le rotor est
de petite taille mais tourne à grande vitesse.
- un compresseur moyenne pression ayant un
rotor de taille et de vitesse intermédiaire. Celui
ci
Le saviez vous ?
peut
, sur
cert
C'est Daniel BERNOULLI, scientifique suisse, qui a découvert, au XVIIIème siècle, la loi suivante :
ain
plus un fluide se déplace rapidement, plus sa pression diminue.
réac
teur,
s'int
étant plus petit, la vitesse des gaz va augmente
ercaler entre les deux étages.
en faisant diminuer sa pression.
Ces divers compresseurs sont composés
d'ailettes de tailles différentes, tournant à des
vitesses différentes afin que la compression
progressive du flux d'air soit progressive.
Principe de propulsion par réaction.
Chambre de combustion : elle transforme
l'énergie chimique du carburant en énergie
calorifique.
L'air compressé est dirigé dans la chambre de
combustion.
23
Quel
les
force
s
s’exer
cent
sur
un
avio
n?
La
poussée
d'un
moteur à
réaction
Il en
existe quatre :
-le poids
-la poussée des moteurs
-la portance
-la traînée.
(noté F)
résulte du produit du débit de la masse d'air
(noté m) par la différence entre la vitesse de
sortie (notée Vs) et la vitesse d'entrée du flux
gazeux (notée Ve) :
F=m (Vs-Ve)
En plus de la portance générée, le passage de
l'air du dessous de l'aile vers le dessus de l'aile
crée deux tourbillons de bout d'aile qui vont
accroître la portance.
Ces tourbillons génèrent aussi une traînée
induite par la portance cause d'une petite
vitesse verticale descendante induite par les
tourbillons.
Le saviez-vous ?
Le fuselage, les moteurs, et la dérive
augmentent la traînée de l'avion.
La portance est essentiellement donnée par
l'aile et les stabilisateurs horizontaux.
Ces premiers turboréacteurs dits à simple flux,
ont bien vite été mis à l’écart au profit de
turboréacteurs à double flux (1946, le RATEAU
SRA-1français).
Et en 1960, c’est le turboréacteur à double flux
qui est reconnu comme étant le meilleur moteur
pour aviation de transport (au dessus de
550km/h)
24
Turboréacteurs à simple flux,
Fonctionnement
De grandes quantités d’air vont entrer dans le
compresseur.
A l’intérieur du compresseur, l’air est
comprimé, et la pression va augmenter
Ensuite, l’air comprimé est envoyé dans des
chambres de combustion.
A l’intérieur de celles-ci, l’air se mélange à du
kérosène, ce qui crée un mélange explosif.
Après combustion, une grande quantité de gaz
chaud est expulsée violemment vers la tuyère.
Simultanément, ces gaz vont faire tourner une
turbine qui actionne le compresseur (grâce à
un axe central liant turbine et compresseur)
Le saviez vous ?
Un turboréacteur fait tellement de bruit que
l’on limite son utilisation dans le domaine
civil !
De plus, les "oiseaux" sont un vrai danger !
Eh oui, car le turboréacteur absorbe tout ce
qui est à sa proximité, et si c’est un oiseau,
on peut observer l’arrêt du moteur de l’avion
en plein vol !
Afin que le turboréacteur démarre, il faut que
la vitesse de rotation de la turbine soit assez
élevée. Pour ce faire, on rajoute des moteurs
électriques très puissants à la turbine.
De plus, pour que l’avion dépasse le mur du
son, il nous faut plus de puissance : la poussée
de postcombustion.
Heureusement pour nous, ceci ne s’est vu
qu’a basse altitude (décollage et
atterrissage)
L'air rejeté par la chambre de combustion,
même plein gaz, contient encore une grande
quantité d'oxygène, il est donc possible
d'injecter du carburant dans la tuyère. La
puissance du turboréacteur est ainsi multipliée
par deux.
25
26
Turboréacteurs à double flux,
Découverte
s
Des
ingénieur
s ont
découvert
qu’on peut
utiliser
l’air situé
à la
périphérie
des
ailettes du
compresse
ur en
augmenta
nt le
diamètre
du
compresse
ur à basse
pression.
grande et la poussée l'est donc aussi.
Une partie seulement de l'énorme quantité d'air
Rendement
La consommation en kérosène de ce type de réacteur est moindre que celle d'un
turboréacteur traditionnel. Cela s'explique de la façon suivante : le surplus d'air qu'apporte
la soufflante n'est pas brûlé mais augmente, tout de même, sa poussée. Il y a donc un
meilleur rendement.
Les gaz d'échappement sont noyés dans le flux d'air supplémentaire. Il en résulte une nette
diminution du bruit issu de la combustion et des organes en mouvement. Ce résultat a
induit une quasi obligation de commercialisation d'avion avec ce type de réacteur pour une
amélioration de la qualité de vie à bord de l'avion mais aussi aux abords des aéroports.
aspirée est utilisée comme comburant alors
qu'un conduit dévie le reste à l'arrière du
réacteur.
Ainsi, à puissance égale, le diamètre du
réacteur à double flux doit être plus grand que
celui du réacteur classique.
Le taux de dilution, qui était inférieur à 1 pour
les premiers réacteurs à double flux augmente
progressivement de nos jours.
Fonctionnement du turboréacteur à double
flux.
Le moteur à réaction est un moteur à gaz
fonctionnant selon le cycle de Joule-Brayton.
L'accélération donnée d'une masse d'air donnée
produit une force qui augmente quand on
accroît l'accélération de l'air ou la quantité
d'air déplacée.
Or dans un turboréacteur à double flux, les gaz
à la sortie des tuyères sont animés d'une
vitesse plus faible qu'à la sortie du
turboréacteur.
La quantité d'air déplacée est nettement plus
27
Description du Cycle de Joule ou G .Brayton.
T T
1
T
T
3
2
1 4
Le moteur à réaction fonctionne par éjection a
grande vitesse de gaz de combustion.
V1
Soit le taux de compression : 1,2  V
2
1
1
Le cycle est composé de deux transformations
adiabatiques (1-2 de compression et 3-4 de
détente motrice) et de deux isobares (2-3 et 41).
T2  p2 
 

T1 
 p1 
et
Remarque : les quantités de chaleur sont
reçues à pression constantes, et une masse
déterminée de fluide décrit un cycle fermé.

1
1
T  p2 

, 3 

T4 
p
 1


p
V

2 
1





1
,2


p
V
1 
2
d’où :
T

T
T

1
2 T
33 2

1
,
2
T

T
1 T
4 T
4
1
T

T
T
1
4
1
4

1


1


1

m


1
T

T
T
3
2
3

Ce cycle est utilisé dans les moteurs de fusées
et les turbines de gaz où le travail fourni au
milieu extérieur ne sert pas à la propulsion,
mais à la mise en rotation d’une machine
tournante (un alternateur pour la production
d’électricité par exemple).C’est aussi le cas des
statoréacteurs,des turboréacteurs,et des
turbopropulseurs.

On remarque donc que le rendement de ce cycle
est identique à celui de Beau de Rochas, utilisé
dans un moteur à explosion, à un même taux
de compression.
Le taux de compression d’un réacteur est
couramment de 16.
Le rendement est donc de 67% dans le cas
idéal.
Néanmoins, en prenant en compte quelques
pertes, on tombe vite à un rendement de 56%.
Il est donc raisonnable de dire que le
rendement d’un moteur à réaction s’échelonne
de 56 à 67%.
Quelques définitions :
Turbocompresseur : c'est un turboréacteur
simple auquel un compresseur supplémentaire
(de grande taille) à été ajouté (appelé la
soufflante).Il fonctionne comme un
turboréacteur simple.
Rendement du moteur à réaction.

H

WQ H

 
1

1

Q Q H

H
c
f
4
1
c
3
2
Les chemins 2-3 et 4-1 sont isobares. De ce
fait :
Q
H

H

C
(
T

T
)
c
3
2
p
3
2
Q
H

H

C
(
T

T
)
f
1
4
p
1
4
28
Compresseur basse pression (BP) : il est
constitué d'un ou plusieurs rotors
dont le diamètre est souvent trois fois
supérieur à celui d'un compresseur
moyenne pression (MP). C'est aussi le
compresseur qui tourne le plus
lentement, mais il brasse
d'importante quantité d'air dont une
grande partie est déviée directement à
l'arrière du réacteur.
Le saviez vous ?
Un turboréacteur est un statoréacteur muni d’un compresseur
auxiliaire entraîné par une turbine.
Si la turbine entraîne une hélice, on a réalisé un
turbopropulseur
Statoréacteur :
Cylindre de section variable (la tuyère) dans
lequel on fait réagir le carburant avec l’air
entrant et dans lequel on fait aussi détendre
les produits de la combustion .
29
D’autres Moteurs.
Rendement thermodynamique
Fonctionnement d’une machine à
vapeur dans une centrale nucléaire.
Par définition, c'est le rapport entre le travail
produit et la quantité de chaleur reçue :
Le fluide reçoit une quantité de chaleur Q 1
d'une source chaude (chaudière). Il fournit un
travail W au milieu extérieur (turbine) et une
quantité de chaleur Q 2 à une source froide
(condenseur). La chaleur n’est plus produite
par la combustion du charbon, mais par la
fission de l’uranium..
Cycle de Hirn
C'est un cycle avec surchauffe, qui est composé
des opérations suivantes :
- Echauffement de l'eau saturante depuis la
température du condenseur jusqu'à la
température d'ébullition , sous une pression de
50 bars (ou 50 kg/cm2 ).
- Vaporisation de l'eau dans la chaudière à
pression et température constantes (P=50
bars).
- Echauffement de la vapeur sèche toujours sous
la même pression jusqu'à une température de
350°C.
- Détente isentropique (S=constante) avec
production de travail (au niveau de la turbine)
jusqu'à un titre de 0,8.
- Liquéfaction totale de la vapeur dans le
condenseur à pression et température
constantes.
La surchauffe permet d’augmenter le rendement de la machine, et de réduire l’humidité de la
vapeur ce qui entraîne une prolongation de la durée de vie d’une turbine.
30
Moteur à hydrogène.
C'est un moteur qui utilise un combustible
énergétiquement très rentable, renouvelable et
non polluante, mais qui en contre partie a
besoin d'être stocké grâce à des compressions ou
procédés "éponges" qui demandent une dépense
d'énergie rien que pour son conditionnement
dans des fins de transport.
Le moteur à hydrogène (ou a eau) est un
moteur à combustion interne utilisant
l'hydrogène comme carburant.
Souvent improprement nommé « moteur à eau
», ce moteur a comme principal avantage de
réduire les émissions polluantes par rapport aux
moteurs à hydrocarbures, ainsi que d'avoir un
combustible présent entre autre dans l'eau et
donc en réserves (quasi) illimitées
L'hydrogène possède une énergie massique de
combustion très importante, mais comme c'est
également l'élément le plus léger, l'énergie
volumique de combustion est faible. Dans le
cas d'un véhicule, où l'énergie volumique doit
être la plus forte possible, le problème du
stockage de l'hydrogène ou de sa production à
bord se pose.
Le saviez-vous ?
Il existe différents pouvoirs calorifiques
Inférieurs (PCI) :
- Essence : 43.8 MJ/kg
- GPL : 46.1 MJ/kg
- Gazole : 42.5 MJ/kg
- Kérosène : 43.3 MJ/kg
- Bois : 17 MJ/kg
- Charbon
 Lignite : 15 MJ/kg
 Houille : 33 MJ/kg
 Anthracite : 35 à 36 MJ/kg
- Pétrole brut : 42 MJ/kg
- Méthane : 45 MJ/kg
- «Uranium» 2.85 TJ/kg (dans une
centrale nucléaire française)
(On ne tient compte ici que de la chaleur
dégagée utilisable, on fait abstraction de
la condensation de l’eau c’est à dire de la
chaleur latente)
Un moteur à explosion ne peut fonctionner à
l'hydrogène, mais il existe toutefois des
alternatives comme la quasi turbine
(fonctionnant avec la très grande majorité des
combustibles explosifs) ou le moteur Wankel
(même principe).
La nature fortement inflammable de
l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air
fait souvent craindre les risques d'explosion
quand il est stocké en quantité. Les
catastrophes qui ont touché des dirigeables
gonflés à l'hydrogène n'ont pas été oubliées. On
notera toutefois que l'hydrogène est très volatil
et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que
s’il entre facilement en combustion, les
véritables explosions sont très rares.
31
Moteur à air
Le moteur hybride est simplement le couplage
d’un moteur électrique à un moteur à explosion
utilisé uniquement lorsqu’une forte puissance
est nécessaire. C’est un très bon compromis car
il contre la pollution inutile des automobile en
ville lorsque le moteur tourne à faible régime.
Le moteur électrique prend alors le relais et
aucune pollution n’est générée. Le moteur
hybride aura un avenir certain avec la mise au
point de la pile à combustible.
Développé en 1820 pour les chemins de fer et peu
connu, le moteur fonctionnant à l'air existe
bien.
Il utilise la détente de l'air comprimé pour
entraîner un moteur à piston. Sûr et
complètement écologique son rendement reste
toutefois discutable car il faut au préalable
compresser l'air ce qui entraîne malgré tout des
dépenses d'énergies. De plus, l'air n'est
actuellement pas comprimable en système
embarqué ce qui pose à nouveau le problème de
la portabilité de cette énergie.
Bio moteur
C’est un moteur à explosion utilisant les
biocarburants tels que huiles (de tournesol
Le saviez-vous ?
Parmi les premiers moteurs on peut assurément citer la roue à aube utilisant l'énergie potentielle de
l'eau, ou la voile ou hélice des moulins utilisant l'énergie cinétique du vent. Le tout premier restant
certainement le moteur moléculaire à l'origine du mouvement des êtres vivants (et dont le
rendement de l'ordre des 60-70% est l'un des meilleurs connu).
entre autres), gaz naturel, éthanol (betterave)
et autres alcools. C’est une solution parmi
d’autres de réduire de manière significative la
pollution due aux hydrocarbures. Néanmoins il
faudrait recouvrir la France entière de champs
de betterave pour alimenter le parc automobile
Moteur hybride
32
français en éthanol, ce qui pose un autre
problème.
33
Conclusion.
De nos jours, les moteurs sont une source de
travail indispensable à notre niveau de confort.
Automobiles, machines à laver, aéronautique,
centrales nucléaires, génératrice, moyens de
transports en tout genre, grues.
bénéficie d'un très bon rendement, encore
améliorable.
Le moteur parfait sera certainement non
polluant, puissant, facilement embarquable et
utilisant des énergies renouvelables tels que
l'énergie solaire, éolienne ou le combustible
hydrogène ou l'air.
On ne peut plus s'en passer.
Néanmoins, il existe des manières de les
utiliser qui pourraient accroître leur rendement
ain de délivrer plus de travail tout en
consommant moins d'énergie.
La recherche n'a pas dit son dernier mot.
A une époque où les combustibles fossiles se
raréfient à une très grande vitesse, et où la
production d'électricité (lorsqu'elle n'est pas
produite à l'aide de la combustion des
combustibles fossiles à nouveau) produit une
quantité non négligeable de déchets radioactif,
il est urgent de savoir mettre en valeur
l'efficacité des moteurs.
Nous avons observé que le moteur électrique
avait le meilleur rendement en comparaison
aux moteurs à explosion, à réaction et à vapeur,
néanmoins il faut d'abord produire l'électricité
utile, ce qui remet en doute le rendement réel.
Bibliographie.

Wikipedia.org :
o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_explosions
o http://fr.wikipedia.org/wiki/Canon_magnétique
o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_électrique
Le moteur
explosion quant à lui, le plus
o àhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_réaction
utilisé, one sera
pas délaissé une fois le pétrole
http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_vapeur
retiré du marché. Il fonctionnera en libérant
moins
de pollution
grâce aux biocombustibles
 Encyclopédie
Universalis
pour un rendement tout aussi bon et qui
 Technologie Fonctionnelle de l’Automobile ; H. Mèmeteau ; Ed.Dunod
devrait tendre à s'améliorer avec les progrès de
 Introduction au traitement de l’énergie électrique ; Georges Pierron ; Ed. Ecole des Mines de Paris
la thermique.
 http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/thermo/rochas.html
 Moteurs
à Essence
1 et à2réaction
; B. Derreumaux ; Ed. ETAI
Les
machines
à vapeurTomes
et moteur
n'ont
Thermodynamique
applications
; José-Philippe Pérez ; Ed Dunod.
pas, eux non plus Fondements
fini de nous et
servir
et
34