Cours moteurs alternatifs

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Christian Guilié septembre 2006
Cours moteurs alternatifs
I Principe de fonctionnement
Nous nous limiterons à l'étude du moteur 4 temps, le plus utilisé aujourd’hui. On appelle
"temps" un demi-tour de vilebrequin. Chaque temps correspond à une phase particulière d'une
période du moteur appelée "cycle", au sens mécanique du terme, qui est l’ensemble des opérations
séparant deux passages à un état identique du moteur.
I-1 Schéma de principe du « cycle 4 temps »
Le cycle complet dure ici 2 tours = 4 demi-tours=> cycle à 4 temps
I-2 Diagramme de distribution et d'allumage type 4 temps
Ce diagramme permet la représentation simple des angles
caractéristiques du moteur, et la durée des différentes phases du
« cycle ».
Exemple : Pour le moteur Robin DY23D :
L’avance à l’ouverture de l’admission AOA=16°
L’avance à l’ouverture de l’échappement AOE= 54°
Le retard à la fermeture de l’échappement RFE= 14°
Le retard à la fermeture de l’admission RFA= 54°
L’avance à l’injection AI=23°
I-3 Diagramme de Watt
C'est le diagramme le plus
courant et le plus aisé à obtenir sur
l'évolution des gaz à l'intérieur d’un
moteur alternatif en fonctionnement. Il
est obtenu grâce à un indicateur de
Watt constitué d'un capteur de pression
de la chambre et d'un capteur de
position du piston (calculé en général
d’après la lecture de l'angle du
vilebrequin).
Il donne des renseignements
précieux sur le comportement du
moteur (réglage de distribution,
allumage, combustion …).
L'aire intérieure du diagramme
représente l'opposé du travail indiqué

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comme nous l’avons vu en rappel de thermodynamique.
Le diagramme représenté ci-dessus est un diagramme de moteur 4temps à allumage
commandé.
II Mesures au banc
Le banc d'essai moteur est l'outil indispensable du motoriste. Il sert
à déterminer les
caractéristiques, les qualités et les défauts des moteurs prototypes, mais aussi à effectuer des essais
de longévité, à tester ou à roder les moteurs en sortie de production. Pour ce qui concerne les
prototypes, il permet de définir les améliorations à apporter et de quantifier les effets des
modifications apportées.
II-1 description d’un banc d’essai de moteur
Le frein est la pièce maîtresse du banc moteur. Il simule la charge appliquée par le récepteur.
II-2 courbes caractéristiques
On peut, grâce à un banc, obtenir
les courbes caractéristiques qui
intéressent en premier lieu l'utilisateur
du moteur et sont données sur la revue
technique. La représentation standard
est celle donnée ci-contre:

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II-3 Différents types de freins
Il existe essentiellement deux types de frein actuellement:
- Les freins hydrauliques
- Les freins électriques
Les freins électriques sont principalement des
freins à courant de Foucault, genre "ralentisseurs
TELMA" comme celui de la figure ci-contre,
mais il existe aussi des moteurs à courant continu
qui présentent l’avantage de pouvoir démarrer le
moteur ou de l’entraîner pour obtenir les pertes
mécaniques du moteur.
Ils présentent l'avantage de pouvoir
être asservis, mais sont beaucoup plus chers
(surtout lorsqu'ils sont asservis à cause du coût
de l'électronique de puissance).
Les freins hydrauliques quant à eux
sont rustiques, sûrs, très stables (surtout les
freins à vanne ou diaphragme genre Froude).
Par contre ils sont difficiles à asservir surtout
si l'on cherche à obtenir des variations brutales
de régime (simulation d'accélération, cycles
routiers …).
III Dispositifs auxiliaires des moteurs alternatifs
Aujourd’hui la diversité des moteurs réside surtout dans les dispositifs auxiliaires et non
plus dans l’architecture mécanique du moteur. Les deux principaux types sont les moteurs Diesels
et les moteurs à allumage commandé. Le cycle mécanique est toujours un « cycle 4 temps » mais
l’alimentation en air et en carburant diffère totalement.
Le remplissage en air est maximum et la
variation de puissance est obtenue par variation
de la quantité de carburant introduite par tour.
1≈
v
η et 65,01,0
<
<
R
La richesse est quasi-constante égale à 1 et la
variation de puissance est obtenue par variation
de la quantité de mélange introduite.
1
≈
R
et 11,0 <<
v
η

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Les moteurs à allumage commandé sont plus performants mais en général un peu plus
gourmands que les moteurs diesels. Ceux-ci présentent l’avantage d’être moins difficiles sur la
qualité du carburant mais surtout, ils bénéficient en Europe d’une fiscalité avantageuse (ce qui n’est
pas le cas aux Etats-Unis où ils sont très rares). Les contraintes de pollution et la recherche de
performances ont conduit à contrôler électroniquement l’injection et l’allumage. Nous reparlerons
de ces techniques au paragraphe « combustion dans les moteurs ».
La suralimentation est un dispositif très en vogue aujourd’hui. Elle est justifiée par la
recherche de performance (augmentation du remplissage des moteurs diesels poussifs) mais aussi et
surtout par la fiscalité automobile (plus faible cylindrée =>puissance fiscale plus faible). Plusieurs
dispositifs existent:
Atmosphérique
1
max
≈
iv
η
Compressé
Le compresseur
consomme de la
puissance =>puissance
accrue mais
consommation accrue
Turbocompressé
La turbine récupère la
puissance nécessaire au
compresseur
L’air d’admission peut
être refroidi par un
« intercooler »
Turbo-compound
La turbine récupère
toute la puissance
disponible à
l’échappement. Le
système est réservé aux
très grosses unités
IV Modélisation des moteurs alternatifs
IV-1 Hypothèses
Notre objectif, ici, est de calculer un rendement et un travail approchés dans le but d’estimer
les pertes thermodynamiques, en fonction des paramètres moteur:
- le taux de compression ρ
- la chaleur de réaction qc
Pour cela, nous allons remplacer le moteur réel par un moteur théorique qui aurait les mêmes
caractéristiques géométriques, mais dans lequel les évolutions seraient sans pertes :
- L'admission et l'échappement du moteur théorique s'effectuent sans pertes de charge.
- La compression et la détente sont adiabatiques et réversibles.
- On remplacera la combustion par un échange de chaleur isochore (combustion rapide) puis
isobare (combustion lente).
- D'autre part, le carburant est très dilué dans l'air donc les propriétés thermodynamiques des
gaz frais et brûlés sont assez proches de celles de l'air (r=287J/kgK, γ = 1,3 à 1,4).
En reprenant le schéma de principe du paragraphe I-1, nous pouvons dessiner phase par
phase les évolutions dans un moteurs à 4 temps. Cela nous conduit au diagramme de Watt suivant :

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En traits plein, nous avons tracé le
cycle théorique décrit plus haut et pointillés
le cycle réel.
Avec les hypothèses ci-dessus, les
évolutions 5,6,7,1 ne fournissent pas de
travail sur l'arbre. Elles sont ouvertes et
adiabatiques. Nous négligerons la quantité
des gaz brûlés résiduels au point 7. Durant
la phase d’échappement, les gaz évoluent
pour partie de manière isentropique
(détente prolongée dans le moteur) et pour
partie de manière irréversible au passage
brutal de la soupape d’échappement
(isenthalpe=>isotherme pour un GI). C’est
ce que l’on a représenté sur les diagrammes
de Clapeyron et entropique ci-dessous.
L’étude de ces évolutions présente peu
d’intérêt dans le cadre de ce cours. On a
coutume de remplacer la phase réelle
d’échappement par une évolution fictive 5-1 représentée en pointillés. A l’instar de l’échappement
5-6-7 quelle remplace, cette évolution isochore d’induit pas de travail.
Le pseudo cycle 1-2-3-4-5-1 est appelé « cycle mixte »
Seules les évolutions 1,2,3,4,5
reçoivent ou fournissent chaleur et
travail sur l'arbre. Pendant celles-ci, les
gaz moteurs occupent un espace clos.
On isole ces gaz et on obtient un
système fermé.
Le premier principe en système
fermé s’écrit :
iiiiii
uuqewe −=+
+++ 11,1,
IV-2 Calcul du travail et du rendement d’un cycle mixte
On reprendra le cours de rappels de thermodynamique de 2ième année au chapitre « gaz
parfaits » où le calcul de chaque évolution est explicité.
- L’évolution 1,2 est une évolution adiabatique réversible donc qe =0, d’après le cours de
thermodynamique et si l’on appelle ρ le taux de compression volumique:
we,qe
Instant i
Instant i+1