T.I.P.E. Étude du cycle d un moteur à combustion interne 4T et plus particulièrement de la partie mécanique de cet ensemble: les soupapes, les cames

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1 T.I.P.E Étude du cycle d un moteur à combustion interne 4T et plus particulièrement de la partie mécanique de cet ensemble: les soupapes, les cames

2 Plan PROBLEMATIQUE: Comment peut-on augmenter la fréquence de rotation du moteur? I/ Historique et base du moteur 1) Historique ) Cycle 4 temps 3) Pertes de charges II/ Solutions théoriques et pratiques 1) Théorie A) Etude de la came + soupape B) Etude du système camless ) Expérimentations A) Essais sur logiciel ( LOTUS E.S.) B) Modèle solidworks C) Solution personnelle III/ Conclusion

3 I/ Historique et base du moteur 1) Historique Au XIXe siècle le moteur à explosion, qui utilise la chaleur dégagée par combustion d'un carburant, fut développé (automobiles, premiers avions). Depuis, il poursuit ses progrès en terme de rendement et d'adaptation aux normes antipollution. Le moteur à combustion interne est équipé de bielles et pistons, mais la production de chaleur se fait au même endroit que la production de travail. Donc la combustion produit directement un travail. Les avions militaires, pendant la Seconde Guerre mondiale : - moteurs fusée - moteur à réaction Ils ont des rapports poids/puissance ou une puissance massique sans équivalent (rendement faible).

4 I/ Historique et base du moteur ) Cycle 4 temps Un moteurs thermique est une machine motrice thermique, dont le principe de base est le suivant: - W<0 - Q1>0 en convention récepteur - Q<0 Ce qui donne un rendement valant: Dans un cycle moteur, il existe phases principales: _ la phase d admission _ la phase d échappement : - L effet de bouffée due à la pression dans le cylindre - L effet de refoulement crée par la remontée du piston

5 I/ Historique et base du moteur 3) Pertes de charges Lorsque les pertes de charges augmentent, le débit entrant dans le cylindre est plus faible à chaque instant du cycle d admission et donc le remplissage diminue. les pertes de charges se répartissent approximativement de la manière suivante entre les différents éléments du circuit d admission: - soupapes 3% - pression cinétique en sortie de soupape 19% - boîtier papillon 16% - collecteur d admission 14.5% - conduit de culasse 10% - filtre à air 9.5% - conduit d air 0.8%

6 1) Théorie A) Etude de la came + soupape Le but de cette étude est de déterminer a fréquence de rotation limite de l arbre à came: Pour simplifier l étude afin de paramétrer la courbe de la came,on prend: Soit une équation : x( ) x0 ( cos( )) Côtes : - Mini pour x x t x x 0 x 3 x 0 0 cos( ) - Maxi pour * Bilan de forces (came) : * F k ( x d) i * R * F0 P F frottement s * Equation fondamentale de la dynamique sur la soupape projetée sur x : 0 ( sin( )) R 0 m x0 ( cos( ) sin( )) F0 R k ( x0 ( cos( )) d) Pour :, k, d fixées et Décollement pour : F0 cste La condition est: Donc F0 k (x0 d) ) F0 k ( x0 d k max cos( ) 1 Nmax= tr/mn x ( m k) x0 m m 0

7 B) Etude du système camless Le principe du système camless est : Pour réduire les émissions polluantes et la consommation des futurs moteurs, les constructeurs développent un nouveau procédé permettant de ne plus utiliser de came et de la remplacer par un système électromagnétique qui gère directement les soupapes. Les avantages sont : réduction de la consommation et des émissions, augmentation du couple. Pour l étude on s occupe uniquement de la descente de soupape, avec : La force électromagnétique : F Le champ B est créé par un solénoïde, soit : Avec : B * S * 0 B * N * I * 10 7

8 B) Etude du système camless (suite) On applique le PFD: P F elec F ressort m* a * S * N m * g 0 * I k( x d) m* a * S * N Pour cela on impose a=cte : a 0 * *(c / d) cte * x g I k m On intègre en suposant V0=x0=0, pour obtenir : a x x C *( t) Nmax= tr/mn ( / )* Car c est un 4T max t t Donc L etude nous montre que le camless permet d attteindre des fréquences de rotations plus élevé.

9 ) Expérimentations A) Essais sur logiciel ( LOTUS E.S.) Nous avons effectué plusieurs essais sur un moteur 4T monocylindre de 400cm3 possédant une puissance maximale à 8000tr/min grâce au logiciel Lotus engine simulation. Ce premier essai a été réalisé dans les Pour ce ème essai, nous avons realisé le cas conditions normal du moteur: d une soupape parfaite: Puissance max : 0kW (8000 tr/mn) Régime max : tr/min Puissance max : 1kW (10000 tr/mn) Régime max : tr/mn

10 A) Essais sur logiciel ( LOTUS E.S.) (suite) Dans ce 3 ème essai, nous avons réaliser Dans ce dernier essai, nous avons des valves parfaites : valves et soupapes parfaites : Puissance max : 1,8kW (9500 tr/mn) Régime max : tr/mn Puissance max :,5kW (9500 tr/mn) Régime max : tr/mn Donc les cames limitent de façon importante la fréquence de rotation du moteur.

11 B) Modèle solidworks Ce modèle a été conçus sous Solidworks: La conception montre l impossibilité de construire une came telle que celle-ci:

12 C) Solution personnelle La solution que nous préconisons pour le système camless est de rajouter un ème électroaimant afin d accélérer la remonter de la soupape qui normalement est assuré par un ressort. Nous conservons néanmoins le ressort comme système de sécurité car en cas de défaillance des électroaimants, la soupape resterai en position ouverte et entraînerai un choc brutal entre la soupape et la tête de piston. En ce qui concerne le système came-soupape, la solution idéale serai une came carrée qui occasionnerai des commutations plus rapide mais devrait être compensée par une liaison sans frottement assurée par un barbotage.

13 III/ Conclusion A travers ce TIPE, nous vous avons montré que le système camless atteignait des fréquences de rotation plus élevé car il réduisait le temps du cycle moteur. Le temps perdu dans l ouverture et dans la fermeture des soupapes n est donc pas négligeable. BIBLIOGRAPHIE: * Wikipedia * Centrale Nantes (ECN) * Cours de physique et de SII * Internet Fin