Comment aborder le moteur ?
Tout simplement, en le démontant puis en le remontant, dans les règles de l'art.
C'est ainsi que l'on apprendra la méthode, le repérage, le nettoyage, l'appairage, le serrage dynamométrique, etc.
Je ne crois pas à la "mécanique virtuelle" prônée par les inspecteurs et tous ceux qui n'y connaissent décidément rien.
Nos voitures actuelles ont encore des moteurs (je vous l'affirme, et vous pouvez me croire) et les "valises diag" demeurent muettes quand, à cause de lui, un manque de puissance, une surconsommation, un bruit, une fumée, est signalé par le client.
D'ailleurs, en passant, quand un capteur est signalé défaillant, combien de temps faut-il attendre pour que la dite valise le change... à moins qu'il ne faille faire appel à un... mécanicien.
Monter un piston dans une chemise, c'est un métier. Il faut tiercer les segments, respecter le sens de montage, utiliser correctement le collier à segment (pas si facile que cela), s'assurer du positionnement des coussinets, des cales de latéral, monter les bons chapeaux sur les bonnes bielles, dans le bon sens, serrer au couple, sans avoir oublier de lubrifier, de vérifier la rotation "à vide", à chaque fois.
Alors ?
Commencer les cours sur le moteur thermique par le cycle à quatre temps est une perte de temps dommageable.
Cette partie complexe est plus facile à appréhender alors que l'on sait de quoi est fait un moteur, alors qu'on l'a vu tourner à la main, alors que l'on connaît toutes les liaisons, et l'environnement.
Nous ne fabriquons pas les moteurs, nous les réparons et c'est bien en ce sens qu'il faut réfléchir toute notre pédagogie.
Moteur à injection - Moteur Diesel - Coupes longitudinales et transversales d'un moteur - Organes moteur
Maintenance
Remplacer le groupe motopropulseur.
Remplacer le moteur seul.
Déshabiller-habiller le moteur.
Remplacer le moteur (comprenant la dépose-pose du moteur, le déshabillage-habillage du moteur, le contrôle et réglage de l'allumage, le réglage de la carburation, la révision de l'embrayage).
Recherche
Expliquer la différence entre un moteur à injection et un moteur Diesel
Rechercher d'où vient le nom Diesel.
Citer les différences les plus apparentes entre un moteur à deux temps et un moteur à quatre temps.
Connaître le fonctionnement du moteur quatre temps à allumage commandé.
Lire le diagrammes théoriques du moteur à allumage commandé, cycle 4 temps.
Lire le diagrammes réel du moteur à allumage commandé, cycle 4 temps.
Situer et nommer les points caractéristiques.
Justifier les avances et retards.
Principe du cycle à quatre temps (Cycle Beau de Rochas)
Tous les moteurs thermiques font appel aux transformations thermodynamiques d’une masse gazeuse pour passer de l’énergie chimique contenue dans le combustible à l’énergie mécanique directement exploitable sur l’arbre moteur.
Dans son brevet déposé en 1862, le français BEAU DE ROCHAS propose d’appliquer le processus décrit ci dessous à une masse gazeuse emprisonnée dans un moteur à piston. Le cycle complet comprend 4 courses de piston donc 2 tours de vilebrequin.
Admission, temps résistant
- le piston décrit une course descendante du PMH au PMB ;
- la soupape d’admission est ouverte ;
- le mélange air + carburant préalablement dosé pénètre dans le cylindre ;
- l’énergie nécessaire pour effectuer ce temps est fournie au piston par le vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle.
Compression, temps résistant
- les 2 soupapes sont fermées ;
- le piston est repoussé par vers le PMH par la bielle ;
- la pression et la température du mélange croissent.
Inflammation-détente, temps moteur
- un peu avant le PMH, une étincelle électrique déclenche le processus de combustion ;
- l’accroissement de la pression qui s’exerce sur le piston engendre un effort sur la bielle et donc un moment moteur sur le vilebrequin ;
- le piston redescend au PMB.
Echappement, temps résistant.
- la soupape d’échappement s’ouvre ;
- le piston remonte vers le PMH en expulsant les gaz brûlés.
Quatre courses de piston, soit deux tours du vilebrequin (360°x2 = 720°).
Lois élémentaires de la thermodynamique :
évolution isochore (Charles) : volume constant, V = cte
isobare (Gay-Lussac) : pression constante, P = cte, PV = rT,
isotherme (Mariotte) : température constante PV = P1V1 = constante,
abiabatique (Poisson) : transformation adiabatique ou isentropique c’est à dire sans échange de chaleur
P * Vγ = cte ou pour ce cycle : Pb * Vbγ = Pc * Vcγ
Rendement du cycle théorique de Beau de Rochas avec :
ρ = rapport volumétrique
γ = Cp / Cv = 1.4 pour l’air (coefficient de poisson)
η = 1 - ( 1 / ργ-1)
Diagramme théorique (diagramme idéal)
L’évolution des pressions dans la chambre de combustion en fonction du volume du cycle " Beau de Rochas " se représente dans un diagramme (p,v).
Variations de volume en abscisses (horizontale), de pression en ordonnées (verticale), avances et retards, points morts. notion de travail (travail moteur): W = F.d (aire totale du diagramme moins aire représentée par les temps résistants).
A-B, admission isobare
Aspiration du gaz à la pression atmosphérique dans le cylindre le long de la droite isobare AB (PA = PB = Pa ).
B-C, compression abiabatique
Compression adiabatique BC jusqu’au volume minimal V1, la pression devenant : P1
P * Vγ = cte (loi de Poisson) où P2 = P1 * ργ avec rapport volumétrique ρ et coefficient polytropique du mélange air-essence γ = 1,4
PV = r * T où T2 = T1 * ργ-1
C-D, combustion isochore
Combustion instantanée du gaz à volume constant le long de la droite isochore CD avec une forte élévation de température à T2 et de la pression à P2.
PV = r * T où T3 = T2 + Δt, Δt étant l'apport calorifique de la combustion
Δt = Pc / (( x + 1) * Cv) avec, i.e., dosage théorique X = 1/15, pouvoir calorifique de l''essence Pc = 10 500 kcal, capacité thermique massique Cv = 0,25 kcal/kK
P3 = P2 * T3/T2
D-E, détente abiabatique
Détente du gaz chaud le long de l’adiabatique DE qui ramène le volume à V2, mais à une pression P3 supérieure à celle de l’atmosphère.
P * Vγ = cte (loi de Poisson) où P4 = P3 / ργ
E-B, détente isochore
Détente théorique des gaz dans le cylindre donc la pression tombe instantanément à la pression atmosphérique le long de l’isochore EB, la température redescend.
B-A, échappement isobare
Echappement des gaz brûlés en décrivant l’isobare BA. Retour au point de départ A.
Le cycle Beau de Rochas a été conçu pour un moteur tel que l’entrée et la sortie des gaz se fait par des orifices à soupapes placés à l’extrémité fermée d’un cylindre dont l’autre extrémité est constituée par la tête du piston. Toutefois, il est appliqué dans d’autres configurations de moteur, par exemple le moteur rotatif.
Ordre de fonctionnement d'un 4 cylindres (allumage 1-3-4-2)
Cylindre 1
Combustion Détente
Echappement
Admission
Compression
Cylindre 2
Echappement
Admission
Compression
Combustion Détente
Cylindre 3
Compression
Combustion Détente
Echappement
Admission
Cylindre 4
Admission
Compression
Combustion Détente
Echappement
0°
180°
360°
540°
720°
Le diagramme réel
La première réalisation pratique d’un moteur à piston a été réussie par Otto chez Deutz à Cologne en 1876
Sur ce moteur, l’évolution de la pression relevée ne correspondait pas exactement au cycle théorique et le rendement en était très inférieur. En voici les raisons :
Admission : l’inertie des gaz augmentant avec la vitesse de rotation du moteur est responsable du remplissage incomplet du cylindre.
Compression : la compression n’est pas adiabatique. Du fait de la communication de la chaleur aux parois, la pression des gaz s’élève moins vite que dans la loi adiabatique.
Combustion : la combustion du mélange air/essence n’est pas instantanée au PMH d’où une zone de combustion arrondie sur le diagramme.
Détente : la détente des gaz brûlés n’est pas adiabatique car les gaz cèdent une partie de leur chaleur aux parois.
Echappement : en fin de détente, la pression des gaz est nettement supérieure à la pression atmosphérique.
Critique du diagramme théorique:
hypothèses de départ non vérifiées,
ouverture des soupapes et combustion non instantanée,
pression ne s'équilibrant pas dès qu'une soupape est ouverte (inertie),
échanges de chaleur avec l'extérieur.
Diagramme réel avant réglage :
travail utile insuffisant,temps résistants trop importants.
Note : S1 - S2 représente le travail du cycle
Diagramme réel après réglage (AOA, RFA, AA, AOE, RFE).
Le cycle réel fut ensuite amélioré afin d’en augmenter le rendement. Cette amélioration a été obtenue grâce à la modification de l’épure de distribution.
avance ouverture admission (A.O.A.) avant le P.M.H,
retard fermeture admission (R.F.A.) après le P.M.B.
l'amélioration du remplissage permet d'obtenir une pression de fin de compression plus élevée.
avance à l'allumage (A.A.),
répartit la combustion de part et d'autre du P.M.H., augmentation de pression et de durée du temps détente.
avance ouverture échappement (A.O.E.) avant le P.M.B.,
retard fermeture échappement (R.F.E.) après le P.M.H.
dispositions technologiques : réglages réalisés par la distribution.
Représentation de l’évolution de la pression dans la chambre de combustion en fonction de la variation de position angulaire du vilebrequin
Pour des raisons pratiques, le cycle est souvent représenté par un diagramme pression, variation angulaire (p,a). Voici un exemple de ce relevé :
Phase 1 :
Elle correspond au temps de formation du noyau initial de la flamme dont la propagation peut ensuite s’auto-entretenir et s’étendre au volume de la chambre. Cette phase, appelée délai d’inflammation, correspond à une faible élévation de la pression par rapport à la courbe de compression sans allumage.
Phase 2 :
C’est la phase de propagation de la flamme à partir du noyau initial.
Documents fournis
Cycle à 4 temps - diagrammes du cycle à 4 temps
Contrôler les pressions de fin de compression d'un moteur - compressiometre Motometer - Contrôler l'étanchéïté d'un cylindre diagramme réel avant réglage - diagramme réel après réglage
Maintenance
Contrôler l'équilibre dynamique des cylindres.
Contrôler les compressions du moteur.
Contrôler l'étanchéité des cylindres.
Effectuer le diagnostic du moteur: rotation irrégulière, mauvais démarrage, bruits anormaux, manque de puissance.
Recherche
Rechercher, dans les manuels techniques, les réglages de la distribution sur deux moteurs de son choix.
Indiquer le type de moteur et la valeur des réglages pour chacun d'eux.
Calculer la cylindrée d'un moteur.
Lire les courbes de couple, puissance et consommation d'un moteur.
Calculer les rendements d'un moteur.
Caractéristiques générales des moteurs
Le diamètre du cylindre est nommé alésage (A, en cm)
La distance comprise entre le PMH et le PMB est la course (C, en cm)
Rapport alésage-course : A/C (moteur à course longue, carré ou super-carré).
Nombre de cylindres n.
Régime de rotation : vitesse moyenne du piston, en m/S: Vm = C.n/3000.
Cylindrée
La cylindrée unitaire est le volume défini entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) dans un cylindre.
Cylindrée unitaire, en cm3 : Π.(A/2)2.C ou Π.A2.C/4 (volume d'un cylindre).
Lorsqu’il y a plusieurs cylindres, la cylindrée du moteur est le produit de la cylindrée unitaire par le nombre de cylindres n.
Cylindrée totale, en cm3 : Π.(A/2) 2.C.n ou Π.A2.C.n/4 (volume de tous les cylindres du moteur).
Exemples
Renault Clio 1.4 : 4 cylindres en ligne, alésage 75.8 mm, course 77 mm, cylindrée 1390 cm3 Ferrari 456 M : 12 cylindres en V, alésage 88 mm, course 75 mm, cylindrée 5474 cm3 (cylindrée unitaire 456 cm3)
Remarques
C’est la géométrie du vilebrequin qui définit la course : C = rayon de manivelle * 2.
Course et alésage s’expriment en général en mm, la cylindrée en cm3 parfois en litres.
Rapport volumétrique
Le volume compris entre la culasse et le piston lorsque celui-ci se trouve au PMH constitue la chambre de combustion (ou volume mort) v. Dans le cas des moteurs Diesel à préchambre de combustion, une partie de ce volume mort se situe dans la culasse.
Le rapport volumétrique est le rapport entre le volume total du cylindre, piston au P.M.B. et le volume de la chambre de combustion, piston est au P.M.H.
ρ = (V+v)/v
Remarque
Il ne faut pas confondre le rapport volumétrique avec le taux de compression.
Eléments influant sur la pression de fin de compression
- Position du papillon des gaz : La position du papillon des gaz même lorsqu'il est grand ouvert produit dans le circuit d'admission une restriction de section qui s'oppose à l'écoulement des gaz frais. La veine d'air est ralentie ; la pression d'admission est inférieure à la pression atmosphérique. Le remplissage cylindre s'en trouve donc affecté ce qui produit une diminution de la pression de fin de compression.
- Etat du filtre à air : Suivant l'état du colmatage du filtre à air, la pression d'admission sera inférieure à la pression atmosphérique. Le remplissage moteur sera moins important ce qui provoquera une diminution de la pression de fin de compression.
- Réglage du jeu aux soupapes : Le réglage du jeu de fonctionnement des culbuteurs influence le remplissage moteur. En effet, la pérennité du réglage n'est pas conservée dans le temps à cause de l'usure du moteur. Le jeu tend à augmenter ce qui réduit la section de passage entre la soupape d'admission et son siège. Les gaz admis seront moindres ce qui diminue la pression de fin de compression.
- Vitesse de lancement (démarreur) : La vitesse de lancement moteur dépend de la tension batterie. Plus la tension est faible plus la vitesse de rotation est faible. Si la vitesse de lancement est faible, le piston se déplace lentement lors de la phase compression, les gaz frais ont le temps de s'échapper par la coupe des segments. La quantité de gaz comprimée sera plus faible ce qui entraîne une baisse de la pression de fin de compression.
- Température du moteur : L'augmentation de la température du moteur diminue principalement le jeu entre chemise et piston. L'étanchéité du moteur est donc améliorée ce qui limite les fuites et augmente la pression de fin de compression.
taux de remplissage des moteurs
Travail du cycle et pression moyenne
Cycle théorique
Le travail disponible (en Joule) est mesuré par l’aire BCDE. La pression moyenne théorique est la pression constante qu’il faudrait appliquer sur le piston pendant sa course de détente pour obtenir le même travail.
Le travail du cycle indiqué est mesuré par la différence des surfaces A (boucle positive ou haute pression) et B (boucle négative ou basse pression).
Wi = (S(A) - S(B)) * Ws
PMI (bar = daN/cm2) = Wi (joules) * 10 / V (cm3) = Wi * 10 / ( v * ρ-1))
avec : V = cylindrée unitaire (cm3) ; v = volume mort (cm3) ; r = rapport volumétrique
Couple moteur
En physique, l’action d’une force par rapport à un axe de rotation s’appelle un moment. Le motoriste utile le terme de " couple " pour la même grandeur. A tout moment, la valeur du couple s’appliquant au vilebrequin est :
C (N.m) = r (m) * Ft (N)
Le couple moteur s’exprime souvent en m.daN ou en m.kg. Ft est la décomposition de l’action du piston sur la bielle (F1).
Le travail produit par le couple est :
W (Joule) = C (N.m) * α (radian)
La force F1 dépend :
- de la valeur de force engendré par la pression sur le piston ;
- de l’angle (α).
Phase admission
La force résultante F est opposée au mouvement du piston, (Pcarter > Pcylindre), le couple nécessaire pour effectuer la descente du piston est résistant.
Si la pression d’admission est plus faible (papillon fermé par exemple ou fonctionnement en altitude), le couple résistant sera plus grand.
Phase compression
Le piston a changé de sens de déplacement, mais la force engendrée par la pression dans le cylindre a également chargée de sens. Le couple qui en résulte est donc encore résistant, et sa valeur instantanée dépend :
- de la position de la bielle à l’instant t ;
- de la valeur de la pression instantanée dans le cylindre.
Si la masse de gaz admise pendant la phase admission est faible, le couple résistant est moins important.
Phase détente
Cette fois, la force et le déplacement sont dans le même sens, nous avons un couple moteur. S’il n’y a pas de combustion (coupure d’injection en décélération, par exemple), le couple moteur est le symétrique du couple engendré par la compression (aux pertes calorifiques et aux frottements près).
Phase échappement
La force engendrée par la pression des gaz brûlés est opposée au sens de déplacement du piston. Nous avons donc un couple résistant. Si la pression à l’extérieur du moteur augmente (P atmo), le travail résistant de l’échappement sera plus important.
Le travail fourni aux phases d’admission et d’échappement est appelé " travail de pompage ".
Les forces d’inertie
A chaque course, l’attelage mobile (piston + bielle) est accéléré pendant une partie de la course, puis ralenti jusqu’au point mort.
Les forces engendrées dépendent :
- des masses des pièces mobiles ;
- du type de mouvement suivi (rotation, translation, mouvement combiné) ;
- de l’accélération subie (donc du régime).
Remarque:
La somme des couples instantanés dus aux forces d’inertie sur un cycle est nulle.
Le couple réel instantané qui s’applique sur le vilebrequin est donc la somme des couples instantanés dus à la pression et du couple instantané du aux forces d’inertie.
C = Cp + Ci
Moment du couple moteur: Cm = F.r (en Nm ou mdaN)
travail mesuré sur l'arbre moteur pour un tour: W = F.l = Cm.2 Π et pour n tours: W = Cm.2 Π.n
i.e. Moteur TU 1.4
avec pression d'admission = 1013 mb, pression de fin compression théorique 18 bars, pression de fin de combustion 30 bars, pression de fin de détente 6 bars
1 bar = 1 daN / m2, γ = 1,3 (coefficient polytropique du mélange air-essence)
Moteur 205 TU 1.4
alésage 75 mm, course 77 mm, longueur de bielle 126.8 mm, longueur de manneton (1/2 course) 38.5 mm
Angle BAO : tg α = 38.5 / 126.8 = 0.304, d'où BAO = 17°
Surface du piston : S = Π*d2/4 = Π*7.52/4 = 44.17 cm2 Force sur piston : FP = P * S = 18 * 44.17 = 795 daN
Force sur bielle : F1 = FP / cos α = 795 * cos 17° = 831 daN
Couple résistant instantané Cri (angle AOB 90°) : Cri = F1 * OB = 831 * 38.5/1000 = 32 daNm
Puissance en Watt P = Cω
Pour rappel, vitesse angulaire ω en rad/s, pur un angle parcouru Θ (rad) pendant 1 s.
ω = 2 ΠP n /60, avec n en tr/mn
d'où P = C . 2 ΠP n /60
Le coefficient directeur de la droite dm est supérieur à celui des droites d1 et d2, il correspond au couple maximum (tangeante de la courbe de puissance).
Lissage de couple
La première solution pour obtenir- un couple moyen toujours positif (à condition d’avoir un temps moteur) est d’adjoindre au vilebrequin un volant d’inertie.
Son rôle est de " stocker " de l’énergie pendant la phase détente (temps moteur), pour la restituer pendant les trois autres temps.
La seconde solution est de multiplier les cylindres, à condition de que leur temps moteur respectifs soient répartis sur les deux tours moteurs que nécessitent les 4 temps.
Cela aura pour effet de produire un couple instantané plus stable, et de permettre de réduire la masse du volant moteur.
Un moteur 8 cylindres pourrait se dispenser de volant moteur. En réalité, ce volant est utilisé pour supporter le couronne dentée sur laquelle vient s’engrener le démarreur électrique, ainsi que le mécanisme d’embrayage (ou convertisseur de couple).
On obtient désormais un couple moteur moyen C, le travail fourni par ce couple en un tour est :
W (Joule) = C (N.m) * 2 Π
et si le moteur tourne à N tr/mn, soit N / 60 tr/s , le travail produit en 1 seconde :
W = C * 2 Π * N / 60
La puissance est donc :
P (Watt) = C (N.m) * ω (radian/s)
En résumé:
vitesse angulaire ω (rad/s) en fonction de l’angle parcouru Θ (rad) durant le temps t (s)
ω (rad/s) = Θ (rad) / t (s)
Expression littérale de la puissance P (w) en fonction de ω (rad/s) et du couple C (Nm).
P (W) = C * Θ / t = C (Nm) * ω (rad/s)
avec ω (rad/s) = 2 * Π * n (tr/s)
P (W) = 2 * Π * n (tr/s) * C (Nm)
C1 (Nm) = P1 (W) / ω1 (rad/s)
Puissance effective
P = W / t = Cm * 2 Π * n / 60, en une seconde (en Watts).
P = C * ω (Nm.rad/s)
Puissance spécifique : puissance effective pour un litre de cylindrée (en kW/l, ch/l).
Appareils de mesure des couples et des puissances:
freins mécaniques, électromagnétiques, hydrauliques, normes CEE, CUNA, DIN, ISO ou SAE.
Puissance fiscale:
Chiffre permettant d'établir une classification des véhicules, pour les services fiscaux français.
le couple moteur C dépend:
- du couple résistant engendré par l’admission et l’échappement (travaux de pompage) ;
- du couple engendré par la combustion de la charge ;
- du couple engendré par les frottements internes ;
- du couple résistant engendré par l’entraînement des organes (pompe à huile).
La grandeur prépondérante est l’énergie produite par la combustion de la charge qui dépend essentiellement de masse de gaz admise pendant la phase admission. On peut agir sur la valeur du couple moteur en réduisant cette charge grâce à un papillon situé dans le conduit d’admission, ou en l’augmentant grâce à un dispositif de suralimentation.
La puissance développée par le moteur dépend :
- du couple moteur ;
- du régime de rotation.
Si le moteur fonctionne en admission atmosphérique, la masse de gaz admise pendant la phase diminue lorsque le régime croit (problème de remplissage), et la puissance d’un moteur est limitée par la dégradation du remplissage à haut régime.
Dodge Viper : V10, 7 990 cm3 (101,6 * 98,6), 383 ch à 5 100 tr/mn, 62,7 mkg à 3 600 tr/mn, 1 540 kg Honda S 200 : 4 cylindres, 1997 cm3 (87 * 94), 240 ch à 8300 tr/mn, 21,2 mkg à 7 500 tr/mn, 1 285 kg
Pressions moyennes
Comment comparer deux moteurs (deux convertisseurs d’énergie) de cylindrées différentes sans savoir lequel des deux transforme le plus efficacement l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique ? On peut utiliser pour cela la notion de rendement global, en remarquant que ce rendement varie selon le selon le régime, et que son calcul impose de connaître le masse de carburant consommée par cycle, ainsi que le pouvoir calorifique du carburant.
Une autre approche est utilisée par les motoristes : les pressions moyennes. Lorsqu’on teste un moteur au frein dynamométrique, on mesure son couple effectif Ce et son régime N, ce qui permet de calculer sa puissance effective :
Pe = Ce * ω = Ce * 2 Π (N/60)
Quelle pression théorique faudrait-il appliquer sur le piston pendant sa course moteur pour obtenir la même puissance effective ? Cette pression fictive est appelée Pression Moyenne Effective (Pme)
W = F * C ; F = Pme * S ; W = Pme * S * C
Or S * C = V (cylindrée unitaire)
Donc W = PME * V
Ceci représente le travail fourni pendant une course et comme il faut 2 tours moteur pour effectuer un cycle sur un moteur 4 temps, et que, par définition, nous cherchons la pression moyenne donnant le même travail effectif, nous aurons l’équivalence :
pour un tour : We = Pme * V / 2
et pour un moteur à n cylindres : We = Pme * V * n / 2
et comme V * n représente la cylindrée totale :
We = Pme * Cyl / 2
Si le moteur tourne à N tr/mn, soit à N/60 tr/sec, le travail fourni en 1 seconde sera :
We = Pme * Cyl / 2 * N / 60 = Pme * Cyl * N / 120
et comme par définition le travail fourni par seconde est l’expression de la puissance :
Pe = Pme * Cyl * N / 120
Le motoriste dispose des valeurs mesurées au banc Pe et N (une puissance délivrée à un régime donné), il en déduit une PME :
Pme = Pe * 120 / (Cyl * N)
avec une puissance en Watt, et une cylindrée en m3, on trouve une PME en pascal.
Si l’on souhaite que la PME soit exprimée en bar, avec une puissance effective exprimée en Watt et une cylindrée en cm3, la formule devient
Pme = Pe * 1200 / (Cyl * N)
On peut utiliser la valeur du couple effectif Ce pour effectuer les calculs.
Pe = Ce * ω et ω = Π * N / 30
Pme = 40 * Π * Ce / Cyl
On peut donc dire que la PME est proportionnelle au couple effectif par unité de cylindrée. Elle permet de comparer des moteurs de cylindrée différentes. La PMI est la pression théorique qu’il faudrait appliquer sur le piston, pour obtenir le même travail de cycle indiqué
La différence entre ces deux pressions est une pression nommée Pression Moyenne Effective :PME, qui appliquée sur le piston fournirait un travail équivalent à celui absorbé par les frottements, soit:
PME = PMI - PMF
Consommation spécifique
La Cse est la masse de carburant (en gramme) que le moteur consommerait pour délivrer une puissance de 1 kW pendant une heure (soit un travail de 3600 kJ).
On calcule la consommation spécifique en divisant la consommation horaire par la puissance effective.
Cse (g/kW.h) = mc (g) / (P (kW) * t (heure))
avec masse volumique du carburant ρ (740 kg/m3) et volume de carburant consommé V
Cse (g/kW.h) = V (cm3) * ρ (g/cm3) * 3600 / (P (kW) * t
(s))
Cse (g/ch.h) = V (cm3) * ρ (g/cm3) * 3600 / (P (ch) * t (s))
Exemple : un moteur délivre une puissance de 90 kW. Il consomme pendant l’essai 0,5 Kg de carburant en 1 minute. Quelle est sa Cse ?
Cse = 500 / (90 * 1/60) = 333 g/kW.h
La consommation spécifique indiquée Csi se calcule en considérant la puissance indiquée Pi.
Le point caractéristique le plus bas de la courbe de Csp correspond au rendement effectif maximal du moteur. La courbe de Csp traduit donc les variations du rendement (ηeff) à pleine admission, sur le plan pratique.
La Cse est lié au rendement global (ou effectif) puisque :
ηg ou ηe = We (kJ) / (m (kg) * PCi (kJ/kg))
We = ηe * m(g) * 10-3 * Pci
et
Cse = mc (g) / (Pe (kW) * t (heure) = mc (g) / (Pe (kW) * t/3600 (s))
alors :
Cse = mc (g) / We (kJ) / t (s) * t/3600 (s)) = m (g) * 3600 / (ηe * mc (g) * 10-3 * PCi)
d’où une relation entre la Cse et le rendement effectif pour un carburant donné :
Cse = 3,6 * 106 / (ηe * PCi)
Rendement du moteur
Rapport entre l'énergie disponible sur l'arbre moteur et l'énergie absorbée sous forme de carburant: rendement globale du moteur: η = ηth.ηcy.ηm
Csp = M / W = (V . r . 3600) / (P . t)
avec masse M (g), travail W (kW.h), volume de carburant consommé V (cm3, masse volumique du carburant r (740 kg/m3 ), temps t
Poids 1 567 kg (1 487 + conducteur 80 kg), adhérence de la route f 0,015
Coefficient de forme Cx 0,29, largeur l 1,694 m, hauteur h 1,406 m, maître-couple 2.20 m2, SCx
Vitesse maxi 218 km/h
Puissance absorbée par le roulement 12.7 kW / 17 ch (Pr = P * f * V / 270)
par l'air 110.4 kW 150 ch (Pa = SCx * V3 / 54 000)
Puissance absorbée totale 123.1 kW / 167 ch (!!)
Rapport poids/puissance 9.8 kg/ch (Rp = Pds / P1)
400 m départ arrêtés calculée 16.7 s ((Rp * 0,527) + 11,584), annoncée 16.9 s, mesurée 17.2 s
1000 m départ arrêté calculée 31.1 s ((Rp * 1,019) + 21,125), annoncée 30.7 s, mesurée 31.3 s
0 - 100 km/h calculée 10.2 s ((Rp * 0,831) + 2,088), annoncée 9.6 s
Documents fournis
Caractéristiques cylindre - rapport volumétrique
Décomposition des forces sur le piston
Frein hydraulique - courbes couple, puissance, consommation
Maintenance ...
Recherche
Rechercher les caractéristiques d'un moteur de son choix.
Identifier les éléments constitutifs du moteur et énoncer leurs fonctions.
Indiquer l'influence d'une rectification de culasse sur le rapport volumétrique.
Le bloc-cylindres
Fonction (carter-cylindres, bloc-cylindres ou bloc moteur) :
support des organes principaux (vilebrequin, piston), des organes annexes (démarreur, alternateur, etc.).
Qualités requises :
rigidité : résistance aux efforts engendrés par la combustion (poussées et torsions),
géométrie rigoureuse : paliers du bloc concentriques (ligne d'arbre), ligne d'arbre parallèle au plan de joint supérieur, axe des cylindres perpendiculaire à la ligne d'arbre.
évacuation, par conduction, d'une partie de la chaleur dégagée par la combustion.
résistance : au frottement, à l'usure, la chaleur (chocs thermiques), la pression, la corrosion (liquide de refroidissement). réalisation pratique :
Sans chemise (alésage direct),
chemises sèches (fourreaux emmanchés dans le bloc),
chemises amovibles humides (en contact avec le liquide de refroidissement).
La culasse
Fonction :
ferme le haut des cylindres (chambre de combustion),
support des orifices d'admission et d'échappement, des organes de la distribution (dont les soupapes), des bougies d'allumage, d'éléments du sytème de refroidismenent.
Qualités requises :
matériau homogène (Porosités, fissures),
résistance à la pression des gaz, à la chaleur (bonne conductibilité thermique), à la corrosion.
coefficient de dilatation compatible avec celui du bloc moteur,
parois de la chambre de combustion régulières (points chauds),
bonne ventilation (conduits d'admission et d'échappement courts et lisses),
rigidité : la planéïté et la fixation doivent être parfaites.
Réalisation pratique :
matériaux : fonte ou en alliage léger (aluminium, magnésium, etc.).
un joint de culasse métalloplastique complète l'étanchéïté.
Forme de la chambre de combustion :
elle conditionne la turbulence (en partie), les pertes de chaleur par les parois (sa surface doit être faible), la distance à parcourir par le front de flamme.
chambre en toit ou en coin, hémisphérique ou bihémisphérique, partiellement logées dans la tête des pistons.
Documents fournis
Bloc moteur-chemise : contrôler le cylindre - régler le dépassement des chemises
Culasse : chambres de combustion - déposer - contrôler - reposer la culasse
Maintenance
Bloc moteur-chemise :
Contrôler le cylindre : aspect, usure maxi, ovalisation, conicité.
Contrôler et régler le dépassement des chemises.
Culasse :
Remplacer la culasse (remplacer le joint de culasse) : serrage de la culasse (ordre de serrage, couple ou serrage angulaire). Déshabiller-habiller la culasse.
Contrôler la culasse : planéïté, volume des chambres de combustion.
Recherche
Rechercher les caractéristiques du bloc-cylindres sur trois moteurs différents.
Rechercher les raisons pour lesquelles les constructeurs utilisent parfois les dispositions de cylindres en V ou à plat opposés. Rechercher les caractéristiques de la culasse sur trois moteurs différents.
Transformation du mouvement
Objectif
Identifier les éléments constitutifs du moteur et énoncer leurs fonctions.
Connaître les différents ordre de fonctionnement des moteurs.
Le piston
Fonction : paroi mobile du cylindre,
il réalise les variations de volume nécessaires à la réalisation du cycle, transformation de la pression en force motrice : F = P.S
son déplacement sous une force permet d'accomplir un travail : W = F.d
Qualités requises :
résistance mécanique : action des gaz, action de la bielle, réaction des parois du cylindre. coefficient de frottement faible,
bonne conductibilité thermique,
résistance aux variations de température,
légèreté (faible inertie).
Réalisation pratique :
en alliage léger (aluminium ou magnésium), moulé ou forgé.
la tête porte les segments (gorges), sa forme dépend de celle de la chambre de combustion, du rapport volumétrique, des levées de soupapes, etc.
La jupe de piston :
guidage du piston,
support de l'axe de piston (bossages).
dispositif de dilatation : jupe ovalisée (cylindrique à chaud), jupe fendue (obliquement ou en hélice), jupe séparée (reliée à la tête par du métal invar).
L'axe de piston :
liaison piston-bielle.
montage libre dans la bielle et dans le piston, libre dans la bielle, serré dans le piston, serré dans la bielle, libre dans le piston.
Les segments :
ils assurent l'étanchéïté entre chambre de combustion et carter pour éviter toute perte de compression (perte de puissance) et empêcher les remontées d'huile (consommation d'huile),
ils assurent aussi l'échange calorifique entre piston et chemise. guidage du piston.
qualités requises : résistance à l'usure (frottement) et à la corrosion (chaleur), résistance aux vibrations.
le piston, comporte généralement trois segments : un coup de feu ou première étanchéïté, un intermédiaire ou deuxième étanchéïté, un racleur.
les coupes des segments sont droites, obliques, en baïonnette,
1 - Vilebrequin ; 2 - Demi-coussinets supérieurs ; 3 - Demi-coussinets inférieurs ; 4 - Cales de jeu latéral de vilebrequin 5 - Piston ; 6 - Axe de piston ; 7 - Jonc d'arrêt ; 8 - Bielle ; 9 - Demi-coussinets de tête de bielle 10 - segment supérieur d'étanchéité (coup de feu) ; 11 - segment inférieur d'étanchéité ; 12 - segment racleur
La bielle
Liaison entre le mouvement rectiligne alternatif du piston et le mouvement circulaire du vilebrequin.
Qualités requises :
rigidité, afin de limiter les risques de flambage sous l'action de la pression exercée par la combustion (section en I),
poids identiques des bielles d'un même moteur (équilibrage dynamique).
Réalisation pratique :
acier matricé ou en alliage léger (titane).
pied, liaison avec le piston, corps,
tête, liaison avec le vilebrequin (maneton), chapeau amovible, munie de coussinets antifriction ou de roulements.
Le vilebrequin
Fonction :
transformation de la force transmise par la bielle en un couple moteur,
entraînement en rotation des organes annexes et des accessoires,
liaison avec la transmission.
L'ensemble bielle-manivelle transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en un mouvement circulaire.
Qualités requises :
rigidité : résistance aux torsions, flexions et cisaillements, respect rigoureux des alignements.
équilibrage statique et dynamique.
Description :
Tourillons :
Ce sont les portées de l'axe du vilebrequin à l'intérieur des paliers du bloc-cylindres
Ils sont en quantité variable.
Augmenter leur nombre permet d'accroître la rigidité : ex. la majorité des moteurs 4 cylindres sont à 5 paliers,
Diminuer leur nombre permet de diminuer les frottements.
Manetons :
Ce sont les manivelles qui reçoivent les têtes de bielles.
Si le moteur est en ligne ou à plat, il y a autant de manetons que de bielles.
Si le moteur est en V, il y a 2 bielles par maneton.
La répartition angulaire des manetons est fonction du nombre de cylindres. Le cycle étant de 2 tours soit 720°, on trouve la répartition des manetons en divisant 720° par le nombre de cylindres.
Ex. 4 cylindres : 720° / 4 = 180° ; 6 cylindres : 720° / 6 = 120°
Flasques :
Les flasques sont les liaisons entre les manetons et les tourillons.
De plus, elles portent les masses d'équilibrage (statique et dynamique) qui sont ajustées par meulage ou perçage.
Notes : Il est possible de rectifier les manetons et les tourillons (jusqu'à 3 cotes de rectification correspondant à 3 épaisseurs de coussinets).
Le jeu axial est déterminé par des cales situées au niveau d'un des paliers.
Réalisation :
la forme du vilebrequin est fonction : du nombre et de la disposition des cylindres, de la répartition des temps moteurs, de son équilibrage.
forgeage, en acier mi-dur au manganèse silicium ou au chrome, cambrage et matriçage ou usinage d'une barre d'acier, moulage, en fonte GS. portées tournées puis rectifiées, traitements thermiques.
Ordre de fonctionnement des moteurs :
fonction de la forme du vilebrequin, de la disposition des cylindres, de la répartition des temps moteurs (Ordre d'allumage), des facilités de remplissage des cylindres.
ordres de fonctionnement courants : 4 cylindres en ligne 1-3-4-2, 4 cylindres à plat opposés 1-4-3-2, etc.
Equilibrage des vilebrequins :
La masse et la vitesse de rotation du vilebrequin nécessitent un bon équilibrage (avec le volant moteur) :
équilibrage statique : le centre de gravité doit être situé sur l'axe de rotation.
équilibrage dynamique : le centre de gravité doit se situer sur l'axe de symétrie.
Diminution des vibrations :
augmentantation du nombre de paliers, vilebrequins court, répartition correcte des explosions (720°/n), arbre d'équilibrage.
Le volant moteur
Il restitue, pendant les temps résistants, l'énergie emmagasinée pendant le temps moteur (volant d'inertie, régularité cyclique).
Il est le support de la couronne de lancement du démarreur, de l'embrayage (plateau d'appui) et de la cible d'allumage ou le repère de P.M.H.
Il est équilibré et repéré en position par rapport au vilebrequin.
Documents fournis
Equipage mobile et volant
Piston - segments - montage piston dans chemise - contrôler le piston - contrôler/reposer les segments
Bielle - coussinets - contrôler - poser la bielle - vilebrequin-coussinets - jeu latéral vilebrequin Equilibrage du vilebrequin - ordre de fonctionnement des moteurs
Contrôler le vilebrequin - contrôler les coussinets - Plastigage
Déposer/reposer le vilebrequin - repérage - serrage dynamométrique
Maintenance
Contrôler les pistons : diamètre (appariement), jeu chemise-piston, montage de l'axe.
Contrôler les segments : jeu à la coupe, montage, tierçage.
Contrôler la bielle : équerrage, jeu latéral.
Assembler les bielles et les pistons : apairage, orientation (axe décalé, giclage d'huile). Contrôler le vilebrequin : jeu longitudinal (calage latéral), usure (ovalisation, conicité). Régler le jeu latéral de vilebrequin.
Contrôler les coussinets : aspect, épaisseur.
Mesurer le jeu aux coussinets (jeu diamétral, plastigage).
Réviser le moteur : comprenant la dépose-pose du moteur, le contrôle et réglage de l'allumage, le réglage de la carburation, la révision de l'embrayage.
Recherche
Relever les caractéristiques des pistons, segments et bielles sur un moteur de son choix.
Rechercher quatre ordres de fonctionnement possibles pour les moteurs à 6 cylindres en ligne.
Rechercher un ordre de fonctionnement utilisé pour un moteur à 6 cylindres en V.
Les moteurs thermiques transforment de la chaleur en travail mécanique destiné à équilibrer le travail résistant d’un véhicule qui se déplace. Les machines thermiques sont représentées par le synoptique ci-dessous :
Besoin :
Produire l'énergie mécanique nécessaire au déplacement du véhicule.
Produit ou Matière d'oeuvre:
Le produit d'énergie (MOe) est emprunté au carburant transporté.
- Fonctions globales :
A Transformer l'énergie chimique latente du combustible en énergie mécanique.
B Adapter l'énergie produite aux besoins de la propulsion (Ensemble de la transmission).
- Fonction Globale A :
Transformer l'énergie chimique latente du combustible en énergie mécanique.
Données d'entrée
Energie latente Air/Carburant. W électrique basse tension.
Cylindre/Chambre de combustion Piston-Système Bielle-manivelle Volant moteur
Enflammé
Bougie (Courant électrique HT)
Energie mécanique
Pression (E thermique)
Tranformée Translation/Rotation
Piston Système bielle-manivelle Volant moteur
Fonctions composantes :
A1 Assurer la préparation et la quantification du mélange comburant-carburant:
Système de carburation/injection, tubulures, cylindres/chambres de combustion.
A2 Transformer l'énergie chimique du mélange combustible en énergie mécanique (Ensemble des organes moteurs):
Enceinte thermique; Piston; Système bielle-manivelle.
Système de distribution; Système de refroidissement; Système de lubrification.
A3 Transformer l'énergie électrique en énergie mécanique assurant la mise en route du moteur:
Système de démarrage.
A4 Transformer l'énergie mécanique en énergie électrique:
Système de production d'énergie.
A5 Transformer l'énergie électrique basse tension en une énergie calorifique de déclenchement (Haute tension):
Système d'allumage.
- Fonction composante A1
Assurer la préparation et la quantification du mélange comburant-carburant (Cas d'un moteur à essence).
Contraintes sur le produit, critères d'état:
Dans la plage de fonctionnement du moteur, critères variables en fonction de l'exploitation envisagée (Ou imposée):
CRITERES
JUSTIFICATION
Dosage air/carburant variable de 1/5 à 1/18 en fonction des contraintes d'utilisation
- Pollution minimale - Puissance variable de zéro à la valeur maximale - Rendement maximal - Pollution minimale
Quantification massique du mélange introduit par cycle et par cylindre
- Puissance et fréquence de rotation variable
Homogénéïsation des constituants
Rendement maximal et pollution minimale
Produit en sortie.
Mélange air-carburant dosé, quantifié et homogénéïsé.
Matière d'oeuvre.
Air ambiant.
Carburant contenu dans le réservoir embarqué.
Données d'entrée:
Air ambiant non filtré, à pression atmosphérique, à température ambiante.
Combustible liquide, statique dans le réservoir, à pression atmosphérique, non filtré (Renouvelable périodiquement).
Données de pilotage:
Relations avec le conducteur : Marche ou arrêt, démarrage, action sur l'accélérateur (position du papillon des gaz - Régime de rotation moteur - Pression dans la tubulure d'admission).
Commande éventuelle de départ à froid (sonde température moteur).
Pression atmosphérique.
Température d'air admis.
Pression de tarage de référence de régulation de pression de carburant.
Pression de tarage de référence d'injection de carburant.
- Solution injection monopoint
Inventaire des flux échangés :
Entrées
Energie
Electrique
Batterie (Tension-Intensité continue).
Chimique
Pouvoir calorifique du carburant.
Matière d'oeuvre
Carburant
Liquide, statique dans le réservoir, à pression atmosphérique, à température ambiante, non filtré.
Air ambiant
A pression atmosphérique, à température ambiante, non filtré.
Informationnel
Electrique
Tension batterie. Ordre Marche/Arrêt. Régime moteur. Position vilebrequin. Sonde à oxygène.
Pneumatique
Pression atmosphérique de référence. Pression dans la tubulure d'admission.
Masse déterminée, pulvérisée en amont de chaque soupape d'admission.
Informationnel
Electrique
Connecteur test injection/allumage.
Visuel
Indicateur de niveau de carburant. Voyant alerte test injection/allumage.
Sonore
Bruit des injecteurs. Bruit de fonctionnement pompe à carburant.
ENTREE ou INITIAL
SORTIE ou FINAL
Type de flux
Caract. flux
Critères-Etats
Caract. flux.
Critères-Etat
Energie
Electrique
U batterie I continu
Hydraulique
Débit-Pression injecteur
Chimique
Pci carburant
Chimique
Pci carburant
Matière
Fluide
Carburant liquide statique à P. Atmosphérique T. Air ambiant non filtré à P. Atmosphérique et T. Air ambiant
Fluide
Masse Air/Carburant déterminée pulvérisée en amont des soupapes d'admission
Information
Electrique
U Batterie Ordre M/A Régime moteur Position vilebrequin Top allumage Position papillon Sonde Oxygéne
Electrique
Prise diagnostic
Pneumatique
P. Air admis P. Atmosphérique
Visuelle
Niveau carburant Voyant test IA
Calorifique
T. Eau moteur T. Air admis
Sonore
Bruit d'injecteur Bruit de fonctionnement de pompe
- A1 Assurer la préparation et la quantification du mélange comburant-carburant.
Fonctions composantes :
A11 Saisir les données des différents capteurs et gérer les énergies :
tension batterie d'accumulateurs,
contact Marche/Arrêt,
capteur de vitesse moteur (Régime/Position vilebrequin),
pression atmosphérique,
capteur de pression de tubulure d'admission,
sonde de température d'air admis,
sonde de température d'eau moteur,
boîtier contacteurs de papillon (Ralenti-Pleine charge),
sonde à oxygène.
A12 Traiter les information :
calculateur.
A13 Quantifier la masse admise :
circuit de carburant (Réservoir-Pompe-Filtre-Régulateur),
circuit d'air (Filtre-Buse-Papillon des gaz-Vanne de régulation ralenti),
injecteur-Tubulure.
Fonctions composantes :
A131 Retenir les impuretés : filtre à carburant.
A132 Conditionner la masse de carburant : pompe à carburant, régulateur.
A133 Retenir les impuretés : filtre à air.
A134 Quantifier la masse d'air : corps d'injection (Buse-Papillon des gaz).
A135 Régulariser le fonctionnement au ralenti : vanne de ralenti.
A136 Mélanger l'air et le carburant : injecteur + tubulure.
En règle générale une machine thermique est constituée par un appareillage mécanique transmettant à l’extérieur le travail qu’il reçoit d’un fluide. Celui-ci évolue dans la machine et revient périodiquement à son état initial après avoir échangé de la chaleur avec les sources. Dans la machine à vapeur par exemple l’eau liquide est vaporisée à température élevée dans la chaudière, puis ramenée à l’état liquide à température plus basse dans le condenseur (à moins que, comme dans les locomotives, l’échappement se fasse dans l’atmosphère, la condensation a lieu alors hors de la machine, celle-ci utilise à chaque fois une quantité d'eau nouvelle mais qui, en fin de compte, n’en retrouve pas moins son état initial).
La partie mécanique présente évidemment un grand intérêt pour l’ingénieur qui fait un projet de machine, mais elle est accessoire du point de vue thermodynamique, si bien que nous appellerons cycle de la machine celui que parcourt son fluide.
Les cycles utilisables, comme ceux effectivement utilisés, sont nombreux, nous nous bornerons à une brève étude des trois cycles suivants.
Le cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est celui de la machine dans laquelle les échanges de chaleur se font uniquement avec deux sources aux températures fixes T1 et T2. Il comprend donc deux transformations isothermes au cours desquelles la chaleur échangée avec chacune des deux sources, et deux transformations amenant le fluide de l’une à l’autre des températures d’échanges; ces deux dernières transformations sont nécessairement adiabatiques puisque le fluide s’y trouve constamment à des températures intermédiaires entre T1 et T2.
La figure représente le cycle de Carnet d'un gaz en coordonnées de Clapeyron, c'est-à-dire avec pour paramètres d'états la pression et le volume.
Pour un gaz parfait, les deux isothermes AD et CD sont des arcs des hyperboles pv = RT1, et pv = RT2.
Les adiabatiques BC et DA ont pour équation pvγ = Cte.
Ayant parcouru le trajet ABC, la compression isotherme CD doit s'arrêter au point D qui se trouve sur l'adiabatique passant par A ; de même B et C sont sur une même adiabatique.
Ces deux conditions s'expriment en coordonnées volume-température en faisant appel à la formule
on a
Lorsqu'une molécule-gramme du gaz parcourt un cycle :
- le long de AB elle reçoit la chaleur : Q1 = RT1 Log vB / vA ;
- le long de DC elle cède la chaleur : Q2 = RT2 Log vC / vD,
ceci selon la formule
Or de l'égalité (a) on déduit par permutation des extrêmes et des moyens vB / vA = vC / vD,
si bien que Q1 / T1 = Q2 / T2 et, par suite, T = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 — T2 / T1.
L'étude du mécanisme de la production du travail dans un cycle de Carnet portant sur un gaz parfait conduit donc à la valeur du rendement établie par les considérations générales du paragraphe précédent : les propriétés spécifiques des gaz parfaits se coordonnent pour qu'il en soit ainsi, il en serait de même pour toute autre substance.
Le cycle de Rankine
C'est celui de la machine à vapeur primitive, la figure suivante le représentant en diagramme de Clapeyron.
L'eau, prise à l'état liquide dans le condenseur qui est la source froide, à la température T2 et sous la pression P2 qui y règnent, est simultanément échauffée et mise en pression de façon à être amenée aux conditions P1 et T1 de la chaudière.
Cette opération se fait suivant des modalités variables d'une machine à l'autre, mais les augmentations de la pression et de la température portant sur un liquide n'entraînent qu'une variation négligeable du volume, pratiquement on parcourt sur le diagramme la parallèle AB à l'axe des pressions.
De B en C, la vaporisation se produit sous pression et température constante, ce temps correspond à l'admission de la vapeur sur une fraction de la course du piston.
Entre C et D la vapeur se détend adiabatiquement, sa température diminue jusqu'à atteindre, on principe, celle du condenseur; où elle est envoyée ensuite pour reprendre l'état liquide suivant DA.
Il y a absorption d'une quantité de chaleur Q1 le long de ABC et restitution de Q2 au condenseur suivant DA, le rendement est :
r = ( Q1 — Q2) / Q 1
puisque la chaleur coûteuse est Q1 ; on le calcule à partir des propriétés calorimétriques de l'eau.
Les machines à vapeur modernes travaillent sur des cycles beaucoup plus compliqués, on particulier la vapeur est toujours surchauffée. Enfin, il faut éviter de croire que c'est un engin démodé, les centrales électriques thermiques classiques sont équipées de turbines à vapeur, et il on est de même des centrales nucléaires, existantes et en projets.
Le cycle Beau de Rochas
Il schématise l'évolution des gaz dans les moteurs à explosions.
Il se compose de deux transformations à volume constant AD et CD, réunis par les adiabatiques BC et DA.
Nous supposerons que l'évolution porte sur un gaz parfait.
Le long de AB, le gaz, dont la pression augmente on raison de l'élévation de la température, reçoit la quantité de chaleur Q1 = Cv (TB — TA) ;
le long de CD il y a refroidissement avec diminution de pression et perte de la quantité de chaleur Q2 = = Cv (TC — TD).
Définissant toujours le rendement à partir de la quantité de chaleur coûteuse dépensée, ici Q1, on a :
car, d'après la formule
on a
Le rendement dépend uniquement du rapport de compression ρ = v1 / v0, et un peu de la nature du gaz qui évolue en raison de l'intervention du rapport des chaleurs spécifiques.
En adoptant le γ des gaz diatomiques, soit 1,4, et pour un rapport de compression ρ = 7, ordre de grandeur de ce qui est réalisé dans les moteurs d'autos, le rendement est : r = 0,54.
Il peut paraître scabreux d'assimiler à un gaz parfait le mélange complexe on réaction chimique qui évolue dans le cylindre d'un moteur à explosions. En fait, à discuter la question de plus près on s'aperçoit que cette assimilation est très acceptable, la raison fondamentale étant que l'air, toujours admis on notable excès, est composé pour ses 4/5 du gaz chlmiquement inerte qu'est l'azote.
Les machines frigorifiques
Le refroidissement ne pose aucun problème lorsqu'on dispose d'une source de chaleur à température inférieure à celle du corps que l'on veut refroidir. Le problème des machines frigorifiques est, au contraire, de prendre de la chaleur à un corps pour l'évacuer sur un corps à température plus élevée.
Les réfrigérateurs par exemple prennent de la chaleur en leur intérieur, à une température voisine de zéro degré, et la dissipent dans l'air ambiant à des températures de l'ordre de 20 à 30°C.
Cette opération demande une dépense de travail.
En effet l'entropie S2 = Q2 / T2 prise à la source froide doit être, après un cycle pour l'agent qui évolue, rendue entièrement à la source chaude qui de ce fait reçoit une quantité de chaleur Q1 telle que Q1 = T1 . S2, d'où :
La quantité de chaleur supplémentaire q que reçoit la source chaude ne peut provenir que du travail reçu par l'agent au cours du cycle.
Pour un fonctionnement irréversible, à une même quantité de chaleur (donc d'entropie) reçue de la source froide, correspond une entropie Q'1 / T1 rendue à la source chaude plus grande que Q1 / T1, d'où Q'1 > Q1 et par conséquent q' = (Q'1 — Q22) > q.
Pour extraire le même nombre de calories il faut dépenser plus de travail. Le refroidissement (1) ne peut donc s'effectuer que moyennant la dépense d'un travail au moins égal à un minimum qui ne dépend que de la température des deux sources.
(1)Le terme de refroidissement est ici un peu Impropre car il s'agit, en définitive, de maintenir une température basse, mais on comprend ce que nous voulons dire.
Proposons-nous par exemple de prendre de la chaleur dans une armoire frigorifique à 0°C, soit 2730 K, et de la déverser dans l'air ambiant à 3000 K, on a q = Q2 . 0,099 soit à peu près q = Q2 / 10
Pour extraire une calorie, il faut dépenser au minimum un travail de 1/10 de calorie soit 0,42 joule. Aucun appareillage ne peut nous rendre ce service à moindre prix.
Le cycle à deux sources que nous venons d'étudier est évidemment un cycle de Carnot parcouru à l'envers. Il va de soi qu'à chaque cycle de machine thermique correspond un cycle de machine frigorifique. Dans la plupart de celles-ci le refroidissement est obtenu par évaporation d'une substance liquide (gaz sulfureux, ammoniaque, Fréon, etc.), dont on condense la vapeur.
Ensuite, leurs cycles s'apparentent au cycle de Rankine.
Dans les appareils frigorifiques dits "à compression" le travail équivalant à q est fourni directement par un moteur.
Dans les appareils ménagers "à absorption", on fournit non du travail mais de la chaleur à température élevée qui, pouvant subir une chute de température, représente une valeur en travail : on ne dépense pas effectivement du travail mais on sacrifie le travail qui pourrait être obtenu à la faveur de la chute de température de la chaleur dépensée.
La chaleur à température élevée des réfrigérateurs à absorption s'obtient par chauffage électrique ou par une combustion : gaz, butane, pétrole, etc. ; le résultat est assez paradoxal de chauffer l'appareil pour avoir du froid.
- A la redécouverte du métier de motoriste (Daniel Descamps, l'Argus de l'Automobile, 1.7.2004)
Le manque de travail dans les ateliers relance la remise en état des moteurs, délaissée au profit de l'échange standard.
Si l'échange standard s'est imposé grâce aux garanties qu'il présente, les mécaniques d'occasion sont prisées lorsque les démolisseurs informent leurs clients sur les kilométrages parcourus et sur les garanties proposées. (Les démolisseurs proposent des moteurs équipés avec pompe à eau, pompe d'injection, volant moteur équipé de leur embrayage, ce qui n'est pas le cas dans l'échange standard).
L'échange standard d'origine, vendu par le concessionnaire, conserve une position dominante, mais les contraintes techniques imposées rendent la réparation parfois financièrement irréalisable.
Certaines marques exigent souvent, pour appliquer leurs garanties, le remplacement des turbos, des pompes à injection, des pompes à eau, des radiateurs d'huile et de refroidissement, des Durits, de l'embrayage, des filtres à huile et à air, etc.
Regain d'intérêt.
Les spécialistes indépendants de l'échange standard effectuent un sérieux contrôle de ses accessoires lorsque les mécaniques ne sont pas trop kilométrées. Cela abaisse le coût des prestations.
Depuis quelques années, la remise en état des moteurs par les professionnels indépendants connaît un regain d'intérêt, et les rectifieurs s'en trouvent concurrencés. A titre indicatif, un garagiste indépendant monte au maximum deux échanges standards par an (selon Vege).
Les interventions sur les bas et haut moteur interviennent généralement lors de bris de courroies de distribution, de problèmes d'étanchéité des moteurs, de joints de culasse hors d'usage, de manque d'entretien. Ces remises en état garantissent de nouveaux marchés aux MRA, lorsqu'ils sont capables de se former, d'investir dans des outillages spécifiques et de choisir une rechange de première qualité.
La révision des bas moteurs est souvent difficile car de nombreuses versions modernes ne peuvent plus se rectifier, notamment au niveau des cylindres ou des vilebrequins. Les MRA et les indépendants travaillent généralement sur des véhicules âgés de quatre à douze ans.
Le marché de l'échange standard est détenu à 84 % par les concessionnaires, et à 16 % par les indépendants. Les concessionnaires travaillent sur des véhicules garantis ou âgés de quatre ans, et ils montent des moteurs en échange standard d'origine.
Attention à l'entretien
Les problèmes moteurs résultent en général du manque d'entretien, notamment sur les petites versions à essence. Les Diesel sont sensibles aux surrégimes en démarrage à froid et, d'autre part, les utilitaires légers, surchargés et utilisés à plein régime sur de longues distances résistent mal.
Au hit-parade des moteurs français les plus remplacés ou reconstruits, selon Vege, on trouve les Peugeot et les Citroën de la famille XUD (205, 306, 405, 406, 806, Visa, Berlingo, J5, Partner, Expert, Boxer, Jumpy, Jumper...), le DJ5 (Boxer), les Renault Diesel 1900 F8Q (Super 5, Clio et Clio II, Express, Kangoo, R9, R1 1, Mégane...) et aussi le Diesel J8S (Espace, R1 8, R20, Trafic, Master...).
Le marché français de l'échange standard représente 11 000 moteurs, dont 80 % de Diesel.
Les reconstructeurs de moteur souhaitent que les professionnels optent pour le remplacement de certains organes et attendent des informations plustechniques par type de moteur, avec couples de serrage et spécificités.
Ils souhaitent bénéficier de contrats de garantie indiquant les périodes de rodage ainsi que des informations sur les espacements des vidanges, la qualité des huiles...
- Numérotation des moteurs (NF-R 11.02, 6.1978):
Observateur regardant face à la sortie de l'arbre d'entraînement côté accouplement), définissant ainsi le côté gauche et le côté droit, demi-plan de référence (p) constitué par le demi-plan horizontal passant par l'axe d'entraînement et situé à gauche de l'observateur.
Cylindres en ligne : n°1 le plus proche de l'observateur.
Cylindres en étoile n°1 à partir de celui qui rencontré le premier par demi-plan de référence, n étant le nombre de cylindres de la première ligne.
Exemples :
Pour qu'une pastille tienne, il ne suffit pas d'effacer son galbe d'un coup de marteau, il faut améliorer le serrage par allongement du métal.
On utilisera pour ce travail un matoir légèrement comvexe et de diamètre à peine inférieur à celui de la pastille.
Tenir le matoir oblique et frapper à petits coups répétés sur la surface de la pastille.
L'étanchéité est assurée par un bourrelet de pâte genre "hermetic" posé avant le montage sur la pastille.
Défini par James Atkinson en 1882 et appliqué au moteur 4 temps par Ralph Miller en 1947.
La compression est physiquement limité par la limite d'auto-inflammation des gaz.
La détente, symétrique dans le cycle Beau de Rochas, est donc incomplète (pression résiduelle dans le cylindre perdue à l'ouverture de la soupape d'échappement).
On essaie d'abaisser autant que possible la pression de fin de détente afin de récupérer un maximum d'énergie mécanique.
Dans le cycle Miller, la soupape d'admission est maintenue ouverte bien au delà du point mort bas (RFA), provoquant l'éjection d'une partie du mélange précédemment admis et réduisant la pression régnant dans le cylindre.
C'est un cycle en "5 temps" : admission, refoulement, compression, détente et échappement.
Le rapport volumétrique réel est plus faible que le rapport théorique (géométrique) mais le taux de détente est inchangé, donc plus élevé que le taux de compression.
En allongeant la détente par rapport à la compression, on améliore le rendement mais on limite la puissance du moteur puisque l'on admet moins d'air et donc moins de combustible.
On peut améliorer cela en ajoutant un compresseur à l'admission.
i.e. Toyota Prius 3 : 1798 cm3 (80.5 x 88.3), taux de détente 13.0:1, volume de chambre de combustion 37,5 cm3, 99 ch à 5200 tr/min (66 ch/l), couple maxi 142 Nm à 4000 tr/min, consommation 225 g/kWh (rendement 37%).
Le rapport volumétrique varie de 4,8 à 9,3:1 (VVT-i).
Ce moteur est équivalent à un 1250 cm3 (course ramenée à 61,4 mm) avec un rapport volumétrique de 9,3:1, la puissance spécifique étant alors de 79,2 ch/l.
Cette course réduite correspond à un retard fermeture admission de l'ordre de 60° (angle réel en fonctionnement).
Le régime moteur est néanmoins limité du fait de la longuieur de la course et les "reprises" sont moins franches du fait d'un moinbdre couple produit (pression sur le piston plus faible).
Le moteur Atkinson ne peut donc, à lui seul, suffire à motoriser un véhicule de tourisme.
C'est pour cela qu'il est utilisé sur la Toyota Prius, entre autres, en hybride, le moteur électrique venant en compenser les faiblesse, avec un rendement très élevé, donc une consommation réduite.
Le moteur à deux temps
Connaître le fonctionnement du moteur à cycle "deux temps".
Lire les diagrammes théoriques et réels (Moteur à cyle "deux temps").
Situer et nommer les points caractéristiques.
Justifier les avances et retards.
Principe
Quatres phases du cycle Beau de Rochas en un tour moteur :
Piston monte :
Graissage par mélange huile-carburant ou graissage séparé.
Critique
Puissance massique élevée, pollution (balayage des gaz frais).
Documents fournis
Moteur "deux temps" à précompression
diagramme théorique - épure circulaire
Maintenance
Effectuer le diagnostic du moteur "deux temps".
Recherche
Rechercher les caractéristiques techniques d'un moteur "deux temps" comportant au moins deux cylindres.
Effectuer, pour ce même moteur, les schémas du dispositif d'admission, du vilebrequin, du dispositif de graissage.
Le moteur "à piston rotatif"
Connaître le fonctionnement du moteur type Wankel.
Principe :
Moteur type Wankel,
rotor : triangle équilatéral curviligne, mouvement circulaire directement transmis à l'arbre moteur.
stator trochoïde.
fonctionnement, pour un tour de rotor : exécution de trois cycles complets, trois tours de l'arbre moteur (démultiplication).
Réalisation
Etanchéïté : entre chambres de combusiton par segments sur les arêtes de rotor, latérale par segments.
Graissage sous pression de l'arbre, graissage par mélange d'huile de la segmentation et refroidissement du rotor.
Echangeur thermique dans le circuit dans le circuit de graissage.
Documents fournis
Moteur type Wankel - cycle Wankel - rotor
Maintenance
Effectuer le diagnostic du moteur de type Wankel.
Recherche
Rechercher un type de moteur à piston rotatif actuel et en relever toutes les caractéristiques.
Effectuer une recherche sur un autre type de moteur de conception nouvelle.
En expliquer le principe de fonctionnement.
A-B, admission isobare
La première réalisation pratique d’un moteur à piston a été réussie par Otto chez Deutz à Cologne en 1876
Exemples
En physique, l’action d’une force par rapport à un axe de rotation s’appelle un moment. Le motoriste utile le terme de " couple " pour la même grandeur. A tout moment, la valeur du couple s’appliquant au vilebrequin est :
Puissance en Watt P = Cω
Pour qu'une pastille tienne, il ne suffit pas d'effacer son galbe d'un coup de marteau, il faut améliorer le serrage par allongement du métal.