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.) ηeff = énergie .effective.recueillie .sur.l 'arbre .....= We énergie .chimique mc ×Pci 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: Q=mc×Pci 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 TECHNOLOGIE DES MOTEURS BTS Lycée Eiffel - Talange 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. ηcomb= Qr mc ×Pci 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. Qr=Q23 Rappel W12+W34= le travail thermodynamique théorique du cycle ( aire 1,2,3,4) Wthth car W23=W41= 0 f (W = ∫ Pdv=0 pas de variation de volume) i Dans tous les cas il faut se rappeler que Qr est toujours supérieure à W cycle. Q41 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 Q 23+Q 41 ηthth=Wthth = Qr Q 23 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: TECHNOLOGIE DES MOTEURS BTS Lycée Eiffel - Talange Calculer le rendement thermodynamique théorique : ηthth = 770 / 1400 = 0,55 5 / Le RENDEMENT THERMODYNAMIQUE REEL. ηth réel ou ηthermique Wi =travail indiqué =S1-S2 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. ηthréel= Wi Qr 6 / Le RENDEMENT De FORME. η forme Le rendement de forme : ηforme permet de comparer le rendement réel du cycle par rapport ηth.réel à son rendement théorique à ηforme= ηthth Ou encore ; de comparer le travail produit réellement par le cycle par rapport au travail théorique Wi ηthréel Qr produit par le cycle. ηforme= = = Wi ηthth Wthth Wthth Qr 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) Weff ηméca= Wi 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 TECHNOLOGIE DES MOTEURS BTS Lycée Eiffel - Talange Le rapport entre le travail du cycle indiqué et l’énergie chimique contenue dans le carburant est le ηi = Wi mc × Pci rendement indiqué. 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 Une partie du combustible ne brûle pas ( imbrûlés dans ηcomb = ηc 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 - ηcomb ≈ 1 mélange pauvre ηcomb ≈ 0,95 mélange riche 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 H2=120000Kj/Kg Pci CO=12000Kj/Kg Pci - C’est le rendement du cycle de référence , il dépend Rendement thermodynamique théorique de la conception géométrique du moteur, sans que les ηthth Rendement de forme ηforme conditions initiales de température et de pression du fluide n’interviennent. - 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 gaz d’échappement supérieure à la P atm créent une boucle basse pression donnant au niveau du diagramme PV un travail négatif.(Pompage des gaz) ηthth ≈0,6 pour ρ = 10 ηforme ≈0,83 TECHNOLOGIE DES MOTEURS Rendement mécanique ηméca BTS Lycée Eiffel - Talange L’instant de déclenchement de la combustion. (Le travail du cycle sera différent) - 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 TECHNOLOGIE DES MOTEURS BTS Lycée Eiffel - Talange Bilan : ηthth= Wthth Qr Qr ηc = m×Pci Energie chimique : mc×PCi Puissance chimique : qmc×PCi Energie calorifique : Qr Puissance calorifique : Qr / t Travail thermodynamique théorique : Wthth Puissance th th : P thth ηforme= ηthréel Wi = ηthth Wthth ηforme=η cycle η thréel = Wi Qr ηi = Wi = Pi mc× Pci qmc× Pci ηeff =ηi ×η méca ηméca=ηorg =We = Pe = Csi Wi Pi Sce Travail indiqué : Wi Puissance indiquée : Pi ηi =η c×η thth×ηcycle =ηc×ηthréel ηeff = We = Pe =ηe =ηg mc× Pci qmc×Pci Travail effectif : We Puissance effective : Pe Page 24