η - Académie de Nancy-Metz

TECHNOLOGIE DES MOTEURS BTS Lycée Eiffel - Talange
LES RENDEMENTS
Du point de vue pratique, dans l’étude des performances d’un moteur deux grandeurs
essentielles sont à considérer :
- Le rendement, qui caractérise l’efficacité du procédé de conversion en travail
mécanique de l’énergie introduite par le combustible.
- La puissance qui est fonction de la pression moyenne et du régime de rotation, la
puissance maximale rapportée à la cylindrée pouvant caractériser la compacité du
moteur.
Dans cette leçon nous allons étudier uniquement les rendements.
1 / Le RENDEMENT EFFECTIF. ηeff ou η global
Le rendement effectif ou global d’un moteur est égal au rapport de l’énergie effective recueillie sur
l’arbre sur l’énergie chimique introduite par le combustible. ( Les deux énergies étant bien entendues
exprimées avec la même unité.)
2 / L’ENERGIE CHIMIQUE INTRODUITE PAR LE COMBUSTIBLE.
L'énergie introduite sous forme de carburant est de l'énergie chimique.
Chaque kilo (et non litre!) de carburant contient une certaine quantité d'énergie chimique
«potentielle» qui peut être convertie en chaleur par le processus de la combustion.
La quantité d'énergie disponible dépend du pouvoir calorifique, qui exprime l'énergie (en KJ/Mole ou
en KJ/Kg ) libérée par la combustion complète d'une mole ou d'un kilogramme de carburant.
La combustion complète n'est effective que si chaque constituant du carburant a pu se combiner
avec de l'oxygène.
Nous étudierons plus loin les méthodes de détermination du pouvoir calorifique, mais il faut savoir
que si l'on tient compte de l'énergie libérée par la condensation de l'eau ( H2O est un produit de la
combustion ) on parle alors de pouvoir calorifique supérieur : Pcs, tandis que si l'on considère la fin
de la réaction alors que l'eau est encore sous forme de vapeur (ce qui est le cas dans un moteur à
combustion interne) , on parle de pouvoir calorifique inférieur : Pci
L'expression de l 'énergie Q libérée par la combustion d'une masse m de carburant dont le Pci est
connu est: PcimQ c
×
=
Exemple: Le Pci d'un carburant d'essai est de : Pci = 43000 KJ/Kg
Quelle est l'énergie libérée théoriquement par la combustion complète de 35 milligrammes de
carburant ?
Energie = 0,035 gr × 43000 j/gr = 1505 j
PcimWe chimiqueénergie arbrelsurrecueillieeffectiveénergie
eff c× == .....
.'....
η

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3 / Le RENDEMENT De COMBUSTION. ηc
En réalité, la combustion réelle dans un moteur ne libère pas autant d'énergie, car une partie des
réactions physico-chimiques de la combustion n'a pas le temps d'avoir lieu dans le cylindre ou ne
peut avoir lieu par insuffisance locale d'oxygène. ( (
Le rapport entre l'énergie libérée réellement par la combustion dans le cylindre Qr et l'énergie
théoriquement contenue dans le carburant est l'expression du rendement de combustion η comb.
Pci
m
Qr
comb c
×
=η
Exemple: l'énergie réellement dégagée par la combustion des 35 milligrammes de carburant est de
1400 Joules
Calculer le rendement de combustion. ηc = 1400/1505= 0,93
4 / Le RENDEMENT THERMODYNAMIQUE THEORIQUE.ηthth
Lors de sa combustion, le carburant va libérer une quantité de chaleur (Qr) pendant la
transformation isochore 2-3 dans le cycle Beau de Rochas. Celle ci va provoquer une élévation de
pression et cette pression va produire une détente adiabatique 3-4 qui va permettre de produire un
travail mécanique qui correspond à l’aire ci dessous. Il ne faut pas oublier que la transformation
adiabatique 1-2 à consommée de l’énergie.
Rappel W12+W34= le travail thermodynamique théorique
du cycle ( aire 1,2,3,4) Wthth car
W23=W41= 0
(∫==f
i
PdvW0 pas de variation de volume)
Dans tous les cas il faut se rappeler que Qr est toujours
supérieure à W cycle.
Rappel : l'énergie et le travail, c'est la même chose, exprimée en Joule!!!
Le rapport entre le travail thermodynamique du cycle théorique Wthth et l’énergie dégagée par la
combustion (Qr) est appelé le rendement thermodynamique théorique. ηthth
234123 QQQ Qr
Wthth
thth
+
==η Rq : Q41 est inférieure à 0 (perte).
Exemple : si on trace le cycle théorique ( P=f(v)) du moteur dans lequel 35mg de carburant ont été
brûlés en un cycle, le calcul du travail du cycle donne W cycle th = 770 J:
Qr=Q23
Q41

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Calculer le rendement thermodynamique théorique :
ηthth = 770 / 1400 = 0,55
5 / Le RENDEMENT THERMODYNAMIQUE REEL. ηth réel ou ηthermique
Le cycle réel (ou indiqué) est notablement différent du cycle théorique
pour les raisons indiquées page suivante. Le travail indiqué mesuré sur le
cycle réel est donc inférieur à celui du cycle théorique.
Le rapport entre le cycle indiqué et l’énergie dégagée par la combustion
(Qr) est appelé le rendement thermodynamique réel.
Qr
Wi
thréel=η
6 / Le RENDEMENT De FORME. η forme
Le rendement de forme : ηforme permet de comparer le rendement réel du cycle par rapport
à son rendement théorique à thth
réelth
forme η
η
η. =
Ou encore ; de comparer le travail produit réellement par le cycle par rapport au travail théorique
produit par le cycle. Wthth
Wi
Qr
Wthth
Qr
Wi
thth
thréel
forme === η
η
η
Exemple: le travail mesuré sur le cycle indiqué est de 680 J: calculer le rendement de forme.
ηforme = 680 / 770 = 0.88
7 / Le RENDEMENT MECANIQUE. ηméca
Un certain nombre de pertes ont lieu entre le travail indiqué et le travail effectivement utilisable sur
l’arbre moteur:
-d’une part les frottements internes ( piston/cylindre, attelage mobile...)
-d’autre part l’énergie nécessaire à l’entraînement de la pompe à huile, à eau, de l’arbre à cames...
Le rapport entre le travail effectif et le travail indiqué est le rendement mécanique (ou rendement
organique)
Wi
Weff
méca=η
Exercice: calculer le rendement mécanique si l’énergie recueillie sur l’arbre moteur est de 550 j
ηméca=550 / 680= 0,8
8 / Le RENDEMENT INDIQUE. ηi
Wi =travail indiqué =S1-S2

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Le rapport entre le travail du cycle indiqué et l’énergie chimique contenue dans le carburant est le
rendement indiqué.
Pci
m
Wi
ic× =η
Calculer le rendement indiqué ainsi que le rendement effectif ηi= 680 / 1505 = 0,45
ηeff= 0.45×0,8 = 0.36
9 / ANALYSE Des PERTES.
Rendement Origine des pertes Ordres de grandeur
Rendement de combustion
ηcomb = ηc
Une partie du combustible ne brûle pas ( imbrû
lés dans
les gaz d’échappement.)
-
Problème de formation du mélange (vaporisation,
l’homogénéité)
- Problème de couche limite.
- L’instant de déclenchement de la combustion.(cela
peu créer des imbrûlés)
- Qualité de l’étincelle pour un moteur essence
- Forme de la chambre de combustion, du piston car il
faut favoriser les turbulences.
La combustion ne libéré pas la totalité de l'énergie potentielle
du carburant :
production de CO et HC Pci CO=12000Kj/Kg Pci
H2=120000Kj/Kg
ηcomb ≈ 1
mélange pauvre
ηcomb ≈ 0,95
mélange riche
Rendement
thermodynamique théorique
ηthth
-
C’est le rendement du cycle de référence , il dépend
de la conception géométrique du moteur, sans que les
conditions initiales de température et de pression du
fluide n’interviennent.
ηthth ≈0,6
pour ρ = 10
Rendement de forme
ηforme
- La compression et la détente ne sont pas
adiabatique --> échange de chaleur
- Perte de compression.
- La combustion n’est pas instantanée
-
Il y a échange de chaleur entre le gaz est la
chambre de combustion pendant celle ci.
-
Les courbes de compression et de détente sont
également déformées au voisinage du PMB en
raison du calage de la distribution adopté pour
assurer un remplissage optimal des cylindres.
-
Les pertes de charges à l’admission, la pression des
g
az d’échappement supérieure à la P atm créent
une boucle basse pression donnant au niveau du
diagramme PV un travail négatif.(Pompage des
gaz)
ηforme ≈0,83

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-
L’instant de déclenchement de la combustion. (Le
travail du cycle sera différent)
Rendement mécanique
ηméca
- d’une part les frottements internes ( piston / cylindre,
attelage mobile...)
-d’autre part l’énergie nécessaire à l’entraînement de la
pompe à huile, à eau, de l’arbre à cames...
ηméca ≈0,8