LEPLOMB Romain Année universitaire 2004-2005 LE ROI Gautier VERNIER Marine Groupe Sup B, C, D Professeur accompagnateur : M. Guerrier T.I.P.E Optimisation d un moteur 1
1. Présentation du fonctionnement d un moteur (essence, 4 temps) : Un moteur se compose principalement de pistons, de cylindres, de soupapes, de bougies et d'un vilebrequin. Le principe? Dans un cylindre, le piston monte et descend. Il est fixé en bas au vilbrequin, par l'intermédiaire de la bielle. Le but du jeu sera de produire une explosion dans le cylindre qui repoussera le cylindre vers le bas, et fera tourner le vilebrequin. L'opération s'effectuera en 4 temps. 1er temps : La soupape d'admission s'ouvre et on introduit un mélange d'air et d'essence dans le cylindre. 2ème temps : La soupape d'admission se ferme et on comprime ce mélange. 3ème temps : Une étincelle produit une explosion dans le cylindre. La force dégagée par cette explosion trouve détente en poussant le piston. 4ème temps : La soupape d'échappement s'ouvre, on évacue les gaz brûlés et on referme la soupape d'échappement. 2. Optimisation mécanique d un moteur A. Paramètres fondamentaux : Valeur de la puissance d un moteur : P=M*n (P : puissance du moteur. ; M :couple du moteur. ; n : vitesse de rotation du vilebrequin) Qu est ce que le couple? Si l on prend l exemple d un vélo, le couple développé par le cycliste (considéré comme un moteur) correspondrait à la force qu il exerce sur les pédales multipliée par la longueur du bras de manivelle (il s exprime donc en N.m. en unités SI). Dans le cas d un moteur, le couple est plus complexe à calculer et est donné par la relation : M=p.m.e*V*cste (p.m.e : pression moyenne effective.; V : cylindrée (somme des volumes de chaque cylindre). B. Optimisation d un moteur à partir des paramètres fondamentaux : Elle est complexe car plus on augmente le couple et plus on tend à diminuer le régime et inversement. Il faut donc trouver le meilleur compromis. Un moteur peut être puissant mais inefficace pour certains types d applications. 2
L augmentation du couple tout en gardant la même capacité de monter en régime peut être permise par l ajout de soupapes. Cylindre à quatre soupapes C. Optimisation au niveau des cylindres : Les dimensions du cylindre (course et diamètre) influe sur les performances du moteur : il s use plus ou moins vite et est plus ou moins exposé aux frottements. Le nombre de cylindre est très important. Plus il y a de cylindres plus le moteur pourra monter en régime mais plus il sera encombré. Il faut que les cylindres soient disposés de manière à ce que il y ait explosion à intervalles de temps réguliers. C'est pourquoi certains seront disposés en V, d autres à plat. Vilebrequin du moteur V8 de la Porche Cayenne 3. La lubrification des moteurs La lubrification a pour but essentiel de faciliter le mouvement relatif de deux pièces en s'opposant à leur frottement par contact direct. A. Introduction : Les lubrifiants assurent actuellement la lubrification des organes mécaniques de nos véhicules, sous des pressions et des températures parfois si élevées que le grand physicien qu'était Archimède n'aurait certainement jamais pu les croire possibles. B. Les conditions : Le graissage transforme le frottement sec en frottement fluide, qui, selon le lubrifiant interposé entre les surfaces, oppose considérablement moins de résistance au mouvement et réduit ou supprime le contact direct ainsi que l'usure des pièces solides. C. Température d'huile et viscosité : Une huile de viscosité élevée assure une plus grande épaisseur de la pellicule superficielle et par là une meilleure sécurité de fonctionnement à chaud, mais une huile plus fluide présente moins de résistance au glissement et donc un rendement mécanique supérieur ainsi qu'un lancement à froid facilité. 3
D. Spécifications SAE : La Society of Automotive Engineers (SAE) a développé un système de classification de des huiles selon leur viscosité. Il est universellement adopté et comporte 11 degrés de viscosités. Les huiles multigrades sont intrinsèquement supérieures car elles assurent une lubrification plus appropriée tant à basse qu'à haute température. E. Les lubrifiants synthétiques : L huile minérale extraite du pétrole ne saurait remplir les fonctions des lubrifiants actuels sans l ajout d une multitude d additifs. 4. Optimisation aux bornes d un moteur A. Introduction Cette partie s attache a l étude de la sortie du moteur, c'est-à-dire l ensemble des composants par lesquels sont envoyé les fluides produits de la combustion du carburant. En effet comme nous l avons vu l étape n 4 du fonctionnement du moteur est d évacuer les gaz de combustion. L une après l autre, chaque soupape relâche donc une certaine quantité de gaz, à une cadence telle que l on peut considérer l émission global du moteur comme continue. On comprend rapidement que les optimisations de cette partie du moteur ont pour but d évacuer le plus rapidement possible les fluides «d échappement», car leur accumulation à la sortie pourrait freiner le moteur voir l étouffer. Le plus simple est de ne rien mettre a la sortie du moteur, cependant la tendance actuelle est de privilégier les améliorations en matière de pollution et d énergie. La principale optimisation que nous allons étudier est le turbocompresseur. Le turbo a pour but d augmenter la vitesse découlement des fluides, pour obtenir une pression supérieure dans les cylindres qui fourniront donc une puissance supérieure. Nous verrons que le turbocompresseur est une grande avancée mais qu il présente des inconvénients. B. Turbocompression La turbo suralimentation permet de compresser l air avant que ce dernier arrive dans le cylindre. La grande innovation a été d utiliser l énergie de l écoulement des gaz d échappement, pour entraîner, a l aide d une turbine, le compresseur ; c est ce qu on appelle le turbocompresseur. Le premier problème qui découle du turbo est le retard,ou temps de réponse, lorsque l on accélère par exemple, entre l augmentation du flux d échappement et l augmentation de la compression. C est pourquoi on cherche à mettre le turbo le plus près possible de l échappement du moteur. Le second problème concerne le graissage du turbo, pour les mêmes raison que celui du reste du moteur (vitesses de rotation et températures d échauffement élevées). La aussi on utilise le système de lubrification du moteur pour le turbo, que l on peut compléter avec un système de refroidissement a eau, qui continu temporairement à fonctionner après arret du moteur. Turbocompresseur avec aubes d'entrée de turbine à incidence variable 4
Enfin, le plus gros inconvénient du turbo est sa spécificité, qui le rend peu polyvalent. Ainsi, suivant sa taille (par rapport au moteur), il augmentera soit la puissance en faible régime, privilégiant l accélération, soit la puissance en haut régime qui fournira une plus grande vitesse. La solution consiste alors a adapter le mieux possible le turbo au moteur, et la dernière innovation majeure dans ce sens d utiliser des aubes de turbine à géométrie variable. C. le pot Le pot a pour principale fonction de réduire la température des gaz d échappement et de limiter la pollution sonore du moteur. L idée consiste a faire circuler les gaz dans une longue tuyauterie dont la géométrie permet de réduire leur vitesse et leur température. Ils passent a travers un ou des silencieux, dont la matière et la forme amortissent les ondes sonores. La principale innovation réside dans le pot catalytique, qui consiste a faire passer les gaz dans un catalyseur, dans lequel ils entre en contact avec une grande surface de matériaux a base de platine et de rhodium, qui emprisonnent les molécules de monoxyde de carbone ou autre hydrocarbures. silencieu Catalyseur D. Moteurs à rapport volumétrique (VCR) : le MCE-5 Réduire d un tiers la consommation en polluant moins ; c est l intérêt d un nouveau moteur «à taux de compression variable» imaginé par une équipe de lyonnais : le MCE-5. A. Introduction : Il faut savoir que le rendement thermodynamique d un moteur à essence dépend à la fois de la quantité de mélange air-carburant admis dans le cylindre et de la compression dudit mélange dans la chambre à combustion. «Meilleure est la compression, meilleur est le rendement». Voilà bien tout l intérêt des VCR, ou Variable Compression Ratio, en français : «taux de compression variable» ; et plus particulièrement du projet de MCE-5. En jouant sur la course du piston dans le cylindre, il devient possible de réduire le volume de la chambre à faible charge. On dispose ainsi du taux de compression maximum. B. Description et explications : Un moteur variable s adapte à toutes les situations grâce à un système de réglage du piston. Le système physique consiste donc à introduire entre piston et vilbrequin une roue dentée qui joue le rôle de lever et d abaisser le piston dans le cylindre. C. Avantages : Les avantages du MCE-5 sont nombreux à commencer par le fait qu il se marie parfaitement aux nouvelles voies technologiques prometteuses et tout aussi bien avec les systèmes d optimisation déjà utilisés sur les moteurs actuels. N.B : Nous avons un rendez-vous le jeudi 2 Juin avec l un des ingénieurs de l équipe MCE-5. 5