Les moteurs à combustion interne

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1 MEA 1855 THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE Les moteurs à combustion interne H. Jeanmart Année académique

2 Sommaire Principe de fonctionnement Thermodynamique des moteurs ycles réels Pression moyenne indiquée La suralimentation Les pertes mécaniques Puissance effective 2

3 Principe de fonctionnement : phase motrice ompression ombustion Détente 3

4 Principe de fonctionnement : combustion bougie Injecteur a Allumage par étincelle Allumage commandé Moteur à essence Moteur de Otto b Allumage spontané Allumage par compression Moteur Diesel 4

5 Evolution du mode de combustion !223!223!202!202 + lean with 3-way atalyst - Poor low & part load efficiency Spark Ignition (SI) engine (Gasoline, Otto) Source: Bengt Johansson + High Efficiency + Low NOx & soot + High efficiency - Emissions of NO x and soot ompression Ignition (I) engine (Diesel) Homogeneous + High Efficiency harge ompression + Ultralow NOx & soot Ignition (HI) -ombustion control -Power density Diesel PP + Injection controlled - Efficiency at high load Gasoline PP! 5

6 Principe de fonctionnement : phase de respiration Le moteur à quatre temps Évacuation des gaz comburés Admission de la charge fraiche 6

7 Principe de fonctionnement : phase de respiration Le moteur à deux temps a b Balayage longitudinal Balayage transversal 7

8 Principe de fonctionnement : phase de respiration Le moteur deux temps (suite) ross Loop Uniflow Source: Heywood 8

9 Thermodynamique : diagramme indicateur p/p 0 p/p 0 bar W ind pdv V/V V/V Moteur à 4 temps Moteur à 2 temps 9

10 Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas p/p 0 3 T Q I Q II V/V S 1 2 ompression adiabatique réversible 2 3 Echauffement isochore 3 4 Détente adiabatique réversible 4 1 Refroidissement isochore 10

11 Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas Le travail théorique W th! pdv Le rendement théorique η th W Q th I II 1 I Q Q Q I Q Q II I Le rapport volumétrique de compression (taux de compression) V 1 τ V V 1 2 V 2 V c V V 4 3 πd z

12 Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas Transformations isentropiques T T γ γ 1 1 V V 2 τ T T γ 1 4 V3 1 γ 1 3 V4 τ Les effets calorifiques Q I mc ( ) Q mc ( ) v T 3 T 2 II v T 4 T 1 Expression finale du rendement η th QII T4 T γ 1 QI T3 T2 τ 12

13 Thermodynamique : les autres modèles p/p 0 3 p/p '' ' V/V V/V 13

14 Thermodynamique : propriétés réelles du fluide Variation des chaleurs massiques avec la température 1.2 kj/kgk 1.1 c vf 1.0 c va K La chaleur massique moyenne du mélange dépend du taux de compression et de la richesse 14

15 Thermodynamique : propriétés réelles du fluide Nouvelle expression du rendement η th 1 τ 1 γ 1 x ( φ + (1 0.1τ )(1 ) ) φ η th 1 1 x τ x τ 20 τ Richesse relative φ 1 λ Φ

16 Thermodynamique : propriétés réelles du fluide onséquence sur le rendement η th φ 0.6 φ 1 τ Le rendement théorique est fonction croissante du taux de compression décroissante de la richesse 16

17 Les carburants p bar % vap p bar % vap V L V L t 10 t arburants légers (essence) arburants lourds (Diesel) 17

18 Les carburants Les caractéristiques d autoimflammabilité sont déterminées par l indice de cétane pour le Diesel et l indice d octane pour l essence arburant Température d ébullition (si > 0 ) Température ritique PI kj/m 3 N ou kj/kg V a1 m 3 N /m3 N ou m 3 N /kg PI/V a1 ou PI/(1+V a1 ) kj/m 3 N L E G E R S Gaz naturel L P G Biogaz Gazogène Essences Méthanol Ethanol Gaz Gaz Gaz Gaz 50 à à L O U R D S Gazole Ester végétal Fuel moyen Fuel lourd 250 à à 400 (craquage) 350 à

19 Moteurs : Valeurs usuelles Allumage par étincelle Limitations τ φ η auto-allumage pour des rapports de compression trop élevé problèmes de propagation de flamme pour des richesses trop faibles 19

20 Moteurs : Valeurs usuelles Allumage spontané τ φ η Limitations le taux de compression doit être supérieur à 14 la taux de compression doit être inférieur à 20 la richesse est limitée supérieurement à

21 ycles réels : imperfections majeures p/p c b a Avance à l allumage p/p Avance ouverture échappement a b c V/V V/V p/p 0 Travail de pompage échappement admission V/V 21

22 ycles réels : la perte pariétale QP ε P Q ε E Q Q E η ti oefficient de perte pariétale oefficient de perte à l échappement W Q i P E 1 Q Q Q Q ε P ε E T" Q c La perte pariétale est fonction : Q P Q E W ti S" décroissante de la dimension du moteur décroissante de la vitesse de piston décroissante de son taux de remplissage coissante de son taux de compression 22

23 ycles réels : la perte pariétale Lien entre perte à l échappement et perte pariétale T + D 1 x A+ B τ 1 D 2 x B τ - 1 D 2 x + D+ A+ B τ + 1 A B x 1 τ 1 ηti 1 ε x p x τ τ + 1 ε E 1 2 ε x P x τ τ + 1 D S" 23

24 ycles réels : la perte pariétale Illustration η ti, η th τ φ 0.6 φ 1 φ 0.6, ε 0.2 φ 1, ε p p 24

25 Pression moyenne indiquée : définition W ind η Q η Q ind ti Q m PI c m φ m a a1 PI Q V c, n PI φv V a, n a1, n PI ma r ρ0v V a rv V V a1, n V +φ a1, n c V a V, n a ρ 0 ρ N φpi Wind ηind r ρ0 ma1 V φpi T N 0 Wind ηind r Va1, n + φ T0 pn p V pmi η ind φpi r m a1 ρ 0 φpi T p N 0 pmi ηindr Va1, n + φ T0 pn 25

26 Pression moyenne indiquée : valeurs usuelles Allumage par étincelle (conditions nominales) η 0.40 PI kj/kg m a kg/kg r 0.80 pmi 1200kPa Allumage spontané (conditions nominales) η 0.50 PI kj/kg m a kg/kg r 0.85 pmi 900kPa 26

27 La suralimentation : principe 0 1* T 6 R 5 1 Objectif : Augmenter le coefficient de remplissage, r 27

28 Les pertes mécaniques : origine Types de frottement h F p s p g D avec contact sans contact F P U jd/2 D L jr R ω U 28

29 Les pertes mécaniques : expression pme pmi pmf η mec pme 1 pmi pmf pmi W e η e ηind m PI η mec φpi pme ηer m a1 ρ 0 φpi T p N 0 pme ηer Va1, n + φ T0 pn 29

30 Les pertes mécaniques : illustration 1" 0.9" PERTE AUX PAROIS 0.8" 0.7" 0.6" PERTE A L'EHAPPEMENT 0.5" 0.4" PERTE MEANIQUES 0.3" 0.2" TRAVAIL INDIQUE TRAVAIL EFFETIF 0.1" 0" 0" 2" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" τ 30

31 Bilan énergétique global du moteur 1 4 circuit de refroidissement ombustible échappement autres pertes 1 pertes pariétales imbrûlés travail utile 2 pertes par frottement mécanique 3 fraction des pertes par frottement cédée au circuit de refroidissement 4 transfert entre gaz d échappement et circuit de refroidissement (soupape d échappement) 5 énergie rayonnée à l échappement 31

32 Puissance effective : définition W W e e pme V M tπ e pme πd 2 z 4 M e pme V tπ P e M ω e M e 2π rpm 60 pme V c rpm 30 t 32

33 Puissance effective : vitesse linéaire du piston ontraintes sur la vitesse linéaire moyenne du piston limitation du flux dissipatif aux segments limitation des contraintes d inertie compatibilité avec les processus de combustion u rpm 30 πd P e pme z 4 2 u t 33

34 Business-as-usual 34 simamazonia