Ch.1 : MCI à piston alternatif 1.Un peu d’histoire LENOIR construisit en 1859 le premier moteur à combustion interne (à gaz) - Il s’agit d’un « cycle » où la production de travail moteur s’effectue à chaque tour de manivelle, (cf. Cycle à 2temps) - Le rendement de la machine bien que faible concurrence avantageusement les machines à vapeur. 1 - En 1861 BEAU DE ROCHAS expose qu’il serait plus avantageux de comprimer le mélange air/combustible avant son inflammation. - Il invente le « cycle » moteur à 4 temps. - La production de travail moteur nécessite deux tours de manivelle mais s’avère nettement plus efficace car la chaleur dégagée par la combustion est apportée à haute température - BEAU DE ROCHAS n’a pas construit de moteur. Il passera à la postérité comme l’inventeur du «cycle à volume constant » (apport de chaleur par une combustion théoriquement instantanée). - En 1876 OTTO et LANGEN construisent et mettent sur le marché le premier moteur 4 temps. 2 - En 1893, Rudolf DIESEL développe un système avec injection de charbon pulvérisé dans le cylindre. Ce charbon s’enflamme spontanément et sa combustion relativement lente conduit à un « cycle » où la chaleur dégagée par la combustion est apportée à pression constante. On parlera de « cycle à pression constante » . - L’usure rapide du système d’injection et du cylindre conduisit DIESEL à remplacer le charbon par du gasoil. 3 - Les deux types de moteurs : moteur à allumage commandé (essence) et moteur à allumage par compression (Diesel) subsistent encore aujourd’hui. - Tout en restant fidèles aux principes de base, les moteurs ont fortement évolué : augmentation : - du rendement - du couple - de la vitesse de rotation - de la puissance réduction : - du poids unitaire - du bruit - des émissions polluantes - Cela a été rendu possible par les facteurs suivants : - amélioration des performances des matériaux - recours accru à l’électronique - possibilité de calculer les organes avec précision (FEM) - progrès dans la qualité des combustibles et des lubrifiants - progrès dans la maîtrise des processus de fabrication (fonderie, usinage, assemblage,…) 4 Domaines d’utilisation de ces moteurs variés et étendus : - petit moteur de tondeuse à gazon, de vélomoteur - véhicules de transport (automobiles, camions, train,…) - moteur marin « cathédrale » pour bateaux 5 2. Cycles théoriques p 3’ Q’1 Cycle général Q’’1 1-2 : compression adiabatique 3 2-3’ : addition de Q à V=cte 3’-3 : rechauffement à p=cte 3-4 : détente adibatique 2 4-5 : refroidissement à V=cte 5-1 : refroidissement à p=cte 4 Q’2 1 5 Q’’2 Cycle Otto – Beau de Rochas : transf. 3-3’ et 5-1 inexixtentes Cycle Diesel : transf. 2-3’ et 5-1 inexistentes Cycle combiné : transf. 5-1 inexistente V Devoir 1- Exprimer le rendement thermique du cycle général (Cv, Cp, Températures) 2- Introduire les paramètres adimensionnels suivant : ε=V1/V2 ; Vu=cylindrée unitaire, λ=p3/p2 ; ρ=V3/V2 ; δ=V4/V3 ; ρ’=V5/V1, T1 étant la seule température connue. 3- Exprimer le rendement à l’aide de ces paramètres. Commenter le résultat 4- Exprimer la pression moyenne du cycle. Celle-ci est définie comme étant une pression fictive constante qui, s’il agissait sur le piston pendant toute la détente, donnerait le même travail que la pression réelle. 5- Appliquer au cycle Otto/Beau de Rochas et commenter 6- Appliquer au cycle Diesel et commenter 7- Appliquer au cycle combiné et commenter 1.2- Cycle réel 8 Pi Pe 1.3- Éléments indiqués Puissance indiquée La puissance totale développée dans les cylindres et résultant de la pression du fluide moteur agissant sur les pistons s’appelle la puissance indiquée Pi. - Elle est déterminée par la mesure de la pression par un indicateur de pression (capteur placé dans la chambre de combustion). - Une partie de cette puissance est dissipée au sein du moteur lui-même pour vaincre les frottements des éléments mobiles et entraîner les auxiliaires. - La puissance mécanique non récupérée sur l’arbre de sortie assimilable à une puissance « perdue par frottements » sera appelée Pf. - La puissance effective recueillie sur l’arbre vaut donc : Pe = Pi – Pf Travail indiqué -Si p est la pression des gaz dans le cylindre, la force sur la tête de piston vaut à chaque instant : π .D 2 F = p. 4 -Le travail de cette force au cours d’un déplacement élémentaire dl du piston vaut : δW = F. dl = p . π D²/4 . dl = p .dV - comme pour une compression, V diminue, dV < 0 , le travail est fourni au système par l’utilisateur ( signe – par convention), il faut écrire : δW = - p dV -Pour une transformation définie entre deuxV états V1 et V2 : 2 ∫p W=- V1 . dV V - Le travail fourni par le fluide au monde extérieur vaut : 2 ∫p V1 We = -W = . dV positif pour une détente, négatif pour une compression. 11 Pression moyenne indiquée (PMI) -On appelle pression moyenne indiquée PMI la pression constante qui, appliquée sur le piston pendant sa course motrice c, fournirait le même travail indiqué que la pression variable. - La pression moyenne indiquée est donc aussi l’ordonnée moyenne du diagramme p –V pdV ∫ PMI = Wi = PMI . Vcyl Vcyl 12 -On décompose souvent le cycle en une boucle haute pression et une boucle basse pression. -La boucle haute pression (HP) correspond aux courses de compression et détente. - La boucle basse pression (BP) absente sur le cycle de référence correspond aux courses d’échappement et d’admission, elle est appelée boucle de pompage. Le travail qui lui est associé est appelé travail de pompage, il est responsable du « frein moteur ». -Le travail indiqué vaut : Wi = ∫ p.dV + ∫ p.dV HP BP - On peut définir : PMIHP : PMI haute pression PMIHP : PMI basse pression - Telles que : Wi = (PMIHP – PMIBP) . Vcyl - On obtient la puissance indiquée en multipliant le travail indiqué Wi par le nombre de cycles moteurs par seconde soit, pour un moteur 4Ntemps : 1 Pi = PMI .Vcyl . Avec Pi en (W), PMI (Pa), Vcyl (m³) , N (tr/min) 13 . 60 2 1.4- Éléments effectifs Puissance effective - La puissance effective développée sur l’arbre du moteur est égale à : Pe = Ce . ω Pe : Puissance effective (W) Ce : Couple moteur ou couple effectif (N.m) ω : Vitesse angulaire de rotation (rad/s) - Si on introduit la vitesse de rotation N en tr/min, on a : ω = 2π . N 60 - Ce qui conduit à : Pe = C e .2π . 14 N 60 - La puissance peut s’exprimer en kW : Pe ( kW ) = C e ( m.N ).N ( tr / min) 9549 ,3 - Elle peut également s’écrire : Pe ( kW ) = Ce ( m.daN ).N ( tr / min) 955 - Et dans les unités anciennes : Pe ( Ch ) = C e ( m.kgf ).N ( tr / min) 716 15 Performances des moteurs thermiques C = F [N] x l [m] P [W] = C [N.m] x ω [rad/s] Cse [g/kW.h] = conso [g/h] / P [kW] Pe ηe = m& c .PCI 1 ηe = C se .PCI 16 1.5- Essai au banc des MCI à piston alternatif - Pour chaque type de moteur, la puissance au frein peut être mesurée suivant des normes, les conditions de mesure différant, entre autres : - par la nature des auxiliaires de série qui équipent le moteur lors des essais - par les conditions atmosphériques de référence - les performances dépendent beaucoup des conditions ambiantes (pression, température et degré hygrométrique de l’air) ainsi d’ailleurs que des conditions de leur refroidissement. - On distingue généralement : La puissance nette, déterminée sur le moteur « équipé des auxiliaires de série nécessaires à son fonctionnement normal pour l’application considérée ». Les normes internationales ISO 1585, ISO 3046, ISO 4106, ISO 4164 La puissance brute pour laquelle le moteur « n’est équipé que des auxiliaires de série strictement indispensables à son fonctionnement au banc d’essai » les normes SAE (Society of Automotive Engineers – USA) ou DIN (Deutsche Industrie Normung en Allemagne) 17 Pour certaines applications, on pourra encore être amené à distinguer : - une puissance continue au frein - une puissance « de pointe » au frein (durée limitée) Puissance fiscale ou administrative - Cette puissance qui s’exprime en chevaux fiscaux (CV) ne tient pas compte de la puissance mécanique effectivement développée par le moteur. - Les formules de calcul diffèrent de pays à pays, elles se basent essentiellement sur la cylindrée du moteur, et sur un coefficient correctif selon qu’il s’agit d’un moteur à essence ou Diesel et sur un facteur lié au type de boîte de vitesse 18 Pourquoi un banc d’essais ? • Fabrication en série • Contrôle de réception • Diagnostic • Versification après réparation • Recherche • Enseignement 19 20 21 22 23 Exemple de calcul Un moteur Diesel agricole 4 temps comporte 4 cylindres en ligne dont l'alésage est de 101 mm et la course de 126 mm. Sa vitesse de rotation (régime) est de 2500 tr/min. Sachant que la pression moyenne effective, obtenue après surfaçage du diagramme indiqué relevé sur l'un des cylindres en tenant compte du rendement mécanique, est de 8,9 bar, on demande la puissance développée par le moteur. Si pour un taux de charge de 75% le moteur consomme 14,5 litre de gasoil par heure, quelle est sa consommation spécifique effective ? En déduire le rendement à ce point de fonctionnement pour un carburant de PCI 42MJ/kg