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Chapitre III : Moteurs thermiques

Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) Page 54

Chapitre III : Moteurs thermiques.

III.1 : Introduction.

Un moteur thermique à combustion interne est un organe transformateur

d’énergie. Il transforme l’énergie thermique produite par la combustion

(carburant + comburant) en énergie motrice mécanique.

Un moteur est dit à combustion interne si la combustion se fait à l’intérieur

du moteur. On parle de moteur à combustion externe si l'énergie est transportée

par un fluide caloporteur à l'extérieur de celle-ci. Cas d’une turbine à vapeur par

exemple.

III.2 : Différents types de moteurs thermiques à combustion interne.

Il existe deux grands types de moteurs à combustion interne :

Les moteurs fournissant un couple sur un arbre.

- Moteurs thermiques à combustion interne à pistons alternatifs

* Moteurs à allumage commandé ( moteurs à essence)

* Moteurs Diesel

- Moteurs thermiques à combustion interne à Pistons Rotatifs

- Turbines à gaz.

Les moteurs à réaction.

- Turboréacteurs

- Statoréacteurs

- Pulsoréacteurs

- Moteur-fusée

III.2.1 : Moteurs thermiques à pistons alternatifs.

Moteurs thermiques utilisant l’énergie thermique produite par une combustion

d’un gaz carburé (carburant – comburant) pour obtenir de l’énergie mécanique

par transformation du mouvement de translation du piston en mouvement de

rotation d’arbre (vilebrequin).



Définition du cycle à 4 temps

On appelle cycle l’ensemble des phases qui se succèdent dans le moteur. Dans

notre cas, le cycle comprend quatre phases ou temps :

Temps admission : aspiration d’air ou de mélange air-essence.

Temps compression : de l’air ou du mélange.

Temps combustion-détente : inflammation rapide du mélange provoquant

une brusque montée en pression des gaz puis leur détente.

Temps échappement : évacuation des gaz brûlés.

On constate que seul le troisième temps fournit de l’énergie, c’est le temps

moteur, les trois autres temps sont résistants.

Principaux cycles du moteur à combustion interne

Les trois (03) principaux cycles du moteur à combustion interne peuvent être

résumés de la manière suivante :

Cycle de BEAU DE ROCHAS (cycle à apport de chaleur à volume constant)

utilisé dans les moteurs à allumage commandés (Fig-A).

Cycle diesel pur (cycle à apport de chaleur à pression constante) concerne

les moteurs à allumage par compression (Fig-B).

Cycle de SABATHE ou cycle mixte appelé aussi cycle de SEILIGER. C’est

une combinaison des cycles de BEAU DE ROCHAS et DIESEL pur (Fig-C).

L’étude de ces cycles peut être effectuée à l’aide du diagramme (P,V) et c’est

ce type de diagramme que nous utiliserons.

v0 = v : Volume mort ou volume des gaz emprisonnés dans la chambre de

combustion.

P P P Q’1>0

3 3 3’

2

Q1>0 Q1>0

4 Q1>0 2 4

2 Q2<0 Q’2<0

Q2<0

Q2<0

0 1 0 1 0 Admission Admission Admission

V V V

a) Cycle de BEAU DE ROCHAS b) Cycle Diesel pur c) Cycle de SABATHE ou SEILIGER

Ech

appem

ent

Compression adiabatique

Détente Adiabatique

Compression adiabatique

Combustion Isobare Détente

Adiabatique E

chap

peem

ent

C

om

b i

soch

ore



V1 = V0 + v (V0 : cylindrée unitaire = 𝜋.𝐷2

4. 𝑐 ).

Avec : (c) est la course du piston.

III.2.1.1 - Moteurs thermiques à explosion ou à allumage commandé

(Moteurs à essence ).

Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne, principalement

utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile,

moto, camion, bateau), pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse,

tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène,

pompe).

Il s'agit de tous les moteurs utilisant comme carburant de l'essence, de l'alcool,

voire un gaz (GPL) ou autre, et dont la combustion doit être déclenchée par une

source d'énergie externe (bougie).

Ces moteurs transforment l'énergie potentielle chimique stockée dans un

carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides,

d'où le terme « d’explosion ». Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindres

confinant les combustions. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un

mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transformé en rotation par

l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin, un assemblage de

manivelles sur un axe.

Le cycle de fonctionnement se décompose analytiquement en quatre temps ou

phases.

A B : Admission des gaz carburés (air + carburant) (ma + mc).

B C : Compression adiabatique du mélange. Fermeture de la soupape

d' admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à

30 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;

v

vV

V

V

P

PVPVPCteVP

2

1

1

22211.

On pose v

vV : rapport volumétrique de compression



1

1

2

1

1

21

22

1

11

1

V

V

T

TVTVTCteTV

1

1

2

1

2

T

T

P

P

Soit

C D : Combustion à volume constant (explosion).

Apport de chaleur par combustion de mC en présence de l’oxygène de ma.

Q1 = (ma + mc).Cv (T3 – T2) = mc.Pci

Avec : ma : Masse d’air.

mc : Masse du carburant.

Pci : Pouvoir calorifique du carburant.

D E : Détente adiabatique des gaz. (temps moteur)

Les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bars repoussent le piston, vers

le point mort bas (PMB) initiant le mouvement :

1

4

3

1

21

1

2

1

1

3

4

4

3

T

T

T

T

V

V

V

V

T

T

E B : Echappement des gaz brûlés,

Remontée du piston vers le point mort haut (PMH) en chassant les gaz brûlés

détendus dans le collecteur d'échappement avec dégageant de chaleur Q2,

Avec : Q2 = (ma + mc) Cv (T1– T4).



Fig : 2 Fonctionnement d’un moteur 4 temps

Fig :1 Description du moteur à 4 temps

Admission Compression Détente Echappement



Rendement théorique du cycle de Beau de Rochas.

2

1

232

231

232

2131

23

1

2

31

2

314

4

3

1

2

23

14

23

41

1

2

1

21

11

11..

1

.

1

.1

11

T

T

TTT

TTT

TTT

TTTT

TT

TT

TT

T

TTT

T

T

T

TOr

TT

TT

TTCvmcma

TTCvmcma

Q

Q

Q

QQ

Q

W

Q

We

th

th

th

12

1 111

T

Tth

Q1

Q2

Fig n° 3

Cycle de BEAU DE ROCHAS.

Course C

Volume mort

Q1 =(ma + mc).Cv (TD – TC)

= mc.Pci

Q2 = (ma + mc) Cv (TB– TE).

1

111

C

Bth

T

T



III.2.1.2 - Moteurs thermiques DIESEL ou à combustion par compression.

Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole.

On l’injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air,

préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément.

Ces moteurs sont a appelés moteur Diesel

a_ Cycle diesel pur (combustion à pression constante)

0 1 : Admission de l’air.

1 2 : Compression adiabatique de l’air

1

1

2

1

1

2

2

1

1

2

V

V

T

T

V

V

P

P

2 3 : Combustion isobare, apport de chaleur

Q1 = (ma + mc) Cp (T3-T2) = mc. Pci

3 4 Détente adiabatique des gaz.

1

1

3

4

4

3

3

4

4

3

V

V

T

T

V

V

P

P

4 1 : Echappement des gaz brûlés. La chaleur dégagée est :

Q2 = (ma + mc) Cv (T1-T4)

P

2 3

Q1>0

4

Q2<0

0 1

V

V0 (PMH) V1 (PMB)



Rendement théorique du cycle diesel :

23

41

1

2

1

21 11TTCpmcma

TTCvmcma

Q

Q

Q

QQth

L’équation d’état des gaz parfait P.V = m.r.T mr

VPT

. d’où :

1

2

1

3

2

1

2

4

23

14

2

1

4132

2233

1144

11

11

,.1

1

V

V

V

V

P

P

P

P

VV

PP

P

V

IsochoreVVisobarePPavecVPVP

VPVP

th

th

Or, on sait que :

11

1

1

11

1

1

11

11

11

11

1

1

1

1

1

2

4

3

1

3

2

1

3

4

2

4

th

V

V

V

V

V

V

P

P

P

P

P

P

1

11

1

th

2

3

1

3

2

1

1

3

4

2

1

.

3

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

Finalement on obtient : 1

1.

1.

11

1

th

Le rendement de ce moteur dépend du rapport volumétrique de compression

et du rapport qui caractérise la durée de l’injection ou de la combustion.

23

1411

TT

TTth



b : Cycle de Sabathé ou mixte.

11

2121

QQ

QQQQth

; Q2, Q’2 <0

11

1

21

1

21 11

QQ

Q

QQ

Q

QQ

th

Rendement du cycle de Sabathé.

ηth1 : rendement théorique du cycle de Beau de Rochas

ηth2 : rendement théorique du cycle diesel pur.

III.2.1.4 : Définitions de quelques caractéristiques thermodynamiques.

a) Pression moyenne indiquée et pression moyenne effective.

i. Pression moyenne indiquée :

La pression moyenne indiquée Pmi d’un cycle est une pression supposée

constante pendant la course de détente qui donnerait la même aire, donc le même

travail que le cycle envisagé.

Pour un moteur de cylindré unitaire V0, le travail indiqué Wi correspond à

l’aire du cycle réel est donnée par la relation : Wi = Pmi.V0

Pour 4 cylindres et n cycles par seconde, on peut déterminer la puissance

indiquée comme suit :

1 cycle → 2tours

n cycles → N tr/mn

⟹ n = 𝑁

2 cycles par minute =

𝑁

2 ×60=

𝑁

120 cycles par seconde

P

3 3’

Q’1

Q1

2 ηth2

4

ηth1 Q’2

Q2 4’

0 1

V0 V1 V

11

2111

QQ

QQ ththth



D’où, la puissance indiquée pour un moteur à 4 temps est obtenue en

multipliant le travail indiqué Wi par le nombre de cylindres et le nombre de cycles

par seconde.

Pi = 4 Wi 𝑁

120 = 4.Pmi. V0

𝑁

120 = Pmi . V

𝑁

120

Pi en Watts avec : V en m3 et Pmi en N/m2 et N en tr/mn

ii. Pression moyenne effective :

Même définition que pour la pression moyenne indiquée sauf que le travail

indiqué est remplacé par le travail disponible sur l’arbre We avec : We = Pme.V0

La puissance effective (réelle) est donc :

120..4

120

..

NW

NVPmePe e

en Watt avec : V en m3 et Pmi en N/m2

We = C.π ⇒ Pe = 4 π C 𝑁

120 = C

2𝜋𝑁

60 = C

𝜋𝑁

30 = C. ω

La puissance de frottement Pf est donc la différence entre la puissance indiquée et

la puissance effective.

b) Rendements

Soient : Q1 : Quantité de chaleur que fait apparaître la combustion.

Wth : Le travail correspond à l’air du cycle théorique.

Wi : Le travail correspond à l’air du cycle réel.

We : Le travail effectif sur l’arbre du moteur.

On peut définir : * Le rendement théorique : 1Q

Wthth

* Le rendement Indiqué :1Q

Wii

* Le rendement interne : th

i

W

Wint

* Le rendement Mécanique :Pi

Pe

P

P

W

W

mi

me

i

em

* Le rendement global : mie

gQ

W

1



c) Consommation spécifique du combustible.

La consommation spécifique du combustible est le rapport entre la consommation

horaire (g/h) et la puissance réelle en (Cv ou kw).

𝑐𝑠𝑝 =𝐶ℎ

𝑃𝑒 en g/Cv.h ou g/kwh.

Ch = 3600 �̇�𝑐 et ηg = 𝑃𝑒

�̇�1=

𝑃𝑒

�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖 ⇒ Pe =𝜂𝑔�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖

D’ou : 𝑐𝑠𝑝 =3600.�̇�𝑐

𝜂𝑔�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖 =

3600

𝜂𝑔.𝑃𝑐𝑖 en g/kw.h

III.2.2 :Turbines à gaz

III.2.2.1 :Introduction

Les moteurs alternatifs présentent des inconvénients (vibrations, pertes

d’énergie dans l’embiellage, pertes de chaleur à chaque aller et retour du piston,

etc). Pour éviter cela, on utilisera l’écoulement d’un gaz dans une turbine pour

produire le travail mécanique.

Une turbine à gaz (ou à combustion) est une machine thermique qui fonctionne

schématiquement comme l’indique le dessin ci-dessous.

carburant

nt

air

pcal Pth

Pertes source froide

m.Cp(Ts-T0)

Pertes internes

machine

Ptr Pm

Pertes par frottement

th i m

tr

g



L’air pris à l’atmosphère ambiante subit d’abord une compression

sensiblement adiabatique dans un turbo compresseur. On injecte par pulvérisation

le combustible (fuel, kérosène) et le mélange air combustible ainsi obtenue est

brûlé dans une chambre de combustion sous pression sensiblement constante. Les

gaz brûlés sont ensuite détendus dans les aubes fixes d’une turbine et leur énergie

cinétique est communiquée aux aubes mobiles solidaires de l’arbre moteur où est

monté le compresseur. Une partie du travail obtenu pendant la détente est ainsi

utilisée pour entraîner le compresseur. L’arbre commun est relié à une boite de

réduction relié à l’arbre de sortie. Si l’on a une turbine équipant un avion, l’arbre

de sortie fait tourner l’hélice et on a un turbo propulseur.

Si la détente est fractionnée, on détend le gaz dans une turbine simplement

pour faire tourner le compresseur et ensuite, la fin de la détente se fait dans une

tuyère où le gaz prend de l’énergie cinétique et il sort du moteur à grande vitesse,

on a alors un moteur à réaction ou turboréacteur.

III.2.2.2 : Cycle simple théorique (ou cycle de joule)

Le cycle le plus utilisé est le cycle à combustion à pression constante (cycle

de joule).

Figure n° 4 : schéma

d’une turbine à gaz.



P T

Q1>0

2 3 Q1>0 3

W<0

2

4

1

1 4

V S

Diagramme de ClAPYRON (P, V) Diagramme Entropique (T, S)

Q2<0

Q2<0

1 2 : Compression isentropique.

2 3 : Combustion isobare.

3 4 : Détente isentropique.

4 1 : refroidissement isobare.

Rendement thermique théorique de la turbine.

dépenséechaleur de Quantité:

compriméair d' 1kgfournir pour r compresseu lepar absorbé Travail:

aird' kgpar turbinelapar produit moteur Travail:

util ravail:

avec

231

1

QQ

W

W

TWWW

Q

W

C

T

CT

th

1er principe système ouvert W + Q = H (m = 1kg)

Transformation isentropique Q = 0 d’où :

23

1423

23

12432323

1243

12

43

HH

HHHH

HH

HHHHHHQ

HHHHWHHW

HHW

th

C

T

23

141HH

HHth

Dans le cas d’un gaz parfait, on a H = Cp.T d’où 23

141TT

TTth

or,



11

1

2

14

23

4

3

1

23241

1

4

3

4

34

1

43

1

3

1

1

2

1

22

1

21

1

1

43

21

P

P

TT

TT

T

T

T

TPPetPPOr

P

P

T

TPTPTueisentropiq

P

P

T

TPTPTueisentropiq

1

11

th

Avec :1

2

P

P

III.2.2.3 : Cycle réel de la turbine à combustion

Le cycle réel diffère du cycle théorique par suite de l’irréversibilité des

transformations réelles. La compression et la détente ne sont pas isentropiques et

l’existence des forces de frottement internes se manifeste par un accroissement

d’entropie.

La combustion elle même est accompagnée

d’une légère perte de charge et la pression du point

(3) est légèrement inférieure à celle du point (2).

2’ et 4’ (cycle réel).

Accroissement d’entropie

Rendement réel. Crtru

r WWWuavecQ

W

3'2

Dans le cas du cycle réel, les pertes qui peuvent affectées l’installation sont

les suivantes.

Pertes pendant la compression caractérisées par 12

12

HH

HHC

rendement adiabatique de compression.

Pertes pendant la détente caractérisées par 43

43

HH

HHT

rendement

adiabatique de la turbine.

Autres pertes (pertes de charge, pertes mécaniques, pertes par

imbrûlés (pertes par rayonnement) peu influentes.

T

3

Q1

2 2’ 4’

4

1

S

ds>0 ds>0



Le travail utile du cycle réel ayant pour expression :

théoriquecycledu .12

43

HHW

HHWavec

WWW

C

T

C

CTTu

1243

1HHHH

WWWWW

C

T

C

CTTCrTru

Pour un gaz parfait H = Cp.T on peut écrire :

1

2

1

1

1313

4

1

1

2

1

21

3

431243

avec 11

11

11

P

PCpTCpTW

T

Tet

T

T

OrT

TCpT

T

TCpTTT

CpTTCpW

C

Tu

C

T

C

Tu

La quantité de chaleur dépensée dans ce cycle est :

CCCC

C

C

TTT

T

TT

TTT

TTTT

TTTT

TT

TTOr

T

TCpTTTCpQ

11

1

11

1

1

1'21

2

1

1

211

121'2

121'2

1'2

12

3

'23'233'2

Remplaçons dans Q2’3 :

CT

TCpTQ

111

1

3

133'2

D’où le rendement :

C

CT

r

T

TT

TT

111

11

1

1

3

13

1

1

1

13

Le rendement du cycle réel de

la turbine à combustion.



III.3 : Turbines à vapeur.

Ce sont des machines destinées à produire de l’énergie mécanique en partant

de l’énergie thermique. L’énergie mécanique obtenue est, soit utilisée directement

(propulsion – pompage), soit transformée en énergie électrique (centrale

thermique).

III.3.1 : Cycle de RANKINE.

C’est le cycle théorique le plus simple permettant à une machine de produire

du travail mécanique en utilisant la vapeur d’eau comme fluide.

Schéma :

Diagrammes :

Vapeur saturée sèche

D Alternateur

Turbine

W<0

E

Condenseur

Vapeur

Eau

Pompe

Eau B A

Co

mb

iso

cho

reis

och

ore

Ec

hau

ffe

me

nt Dét

ent

e Ad

iab

ati

que

~

Chaudière

Vapeur

C

Eau

Q1 >0

Gaz brûlés

P

Q1>0

B C D

W<0

Q2<0

A E

Diagramme de ClapyRon V

T

Q1>0 P=Cte

C D

B W<0

A Q2<0 E

Diagramme entropique S

H

P1=T1 P2=T2

Q1>0 D

C W <0

B

E

A Q2<0

S

Diagramme de MOLLIER



AB : Augmentation de pression de PA à PB. DE : Détente adiabatique.

BC : Chauffage isobare. EA : Condensation

CD : Vaporisation (isotherme – isobare).

.

III.3.2 : Cycle de HIRN ( avec surchauffe).

Dans le cas du cycle de RANKINE, on peut apercevoir qu’en fin de détente, le

point de fonctionnement (E) se trouve à l’intérieur de la courbe de saturation. Ceci

montre qu’en fin de détente, il y a début de liquéfaction et formation de gouttes

d’eau liquide. Ceci peut endommager gravement la roue de la turbine. Il y aura

donc intérêt à éliminer cette formation d’eau liquide en cours de détente. Pour

cela, on peut augmenter la température de la vapeur en la surchauffant.

Un tel cycle où la vapeur est surchauffée s’appelle : cycle de HIRN ou cycle

avec surchauffe. L’augmentation du rendement est faible, mais on diminue la

formation de gouttes d’eau liquide en fin de détente.

Diagrammes :

Cycle avec resurchauffe.

P

V

T

S

H

S

A

B C C’ D

E F A

B C

C’ D

E F A

B

C

D

’

E F

Q1>0 Q1>0

Q2<0 Q2<0

Q1>0

Q2<0

W<0

W

Diagramme de CLAPEYRON (P,V) Diagramme Entropique (T,S) Diagramme Enthalpique (H,S)

C’



III.3.3 : Rendements.

a : Rendement théorique.

absorbéechaleur de Quantité

pompe lapar absorbé travail turbinelapar fourni Travail

absorbéechaleur de Quantité

fourni util Travail th

1er Principe (W + Q1 + Q2) cycle =0 We = -W = Q1 + Q2

BD

absorbéeW

AB

turbineW

ED

BD

AEBD

BD

AEth

AEEA

BD

th

HH

HHHH

HH

HHHH

HH

HH

HHHHHQ

CtePHHHQ

Q

Q

Q

QQ

Q

We

1

CteP

1

2

1

1

2

1

21

1

Si on néglige les pertes dans la pompe (AB), on obtient :(HB≈HA)

AD

EDth

HH

HH

b : Rendement par rapport à l’isentropique



ED

FDis

HH

HH

c : Rendement thermique du cycle réel.

this

BD

ABFDr

HH

HHHH

)(

d : Rendement mécanique

mécaniques sfrottement des cause à

indiqué au travailinférieur est il turbine,la de

arbrel'sur disponible effectif Travail:

avec

FDi

i

FDi

m

HHW

W

We

HH

We

W

We

e : Rendement général d’une installation

rmthism

BD HH

We

f : Consommation de vapeur.

, :

: avec

860

kcalenH

en kg/kw.hCv

HHCv

BD

kj.en :H

kg/kw.hen :Cv avec

3600

BD HHCv

NB : - Le cycle de HIRN ou cycle avec surchauffe de la vapeur à la sortie de la

chaudière, permet d’avoir un titre de vapeur après détente dans la turbine qui

avoisine les 80%.

- On peut augmenter le titre de vapeur en resurchauffant la vapeur entre

turbines ( x#90%) ainsi que par soutirage de la vapeur à la sortie de la turbine

(x#100%).

- Les figures (n°5,6 et 7 ) représentent, les cycles avec surchauffe ( HIRN),

avec resurchauffe et avec soutirage de la vapeur.



Cycle de la vapeur d’eau.

Figure n°5 : Cycle de HIRN , Cycle avec surchauffe ( x#0.8 ou 80%)

Figure n°6 : Cycle avec resurchauffe ( x#0.9 ou 90%)



Figure n° 7 : Cycle avec soutirage ( x#100%)

Diagrammes Entropique et Enthalpique de la vapeur d’eau



Figure 8 : Diagramme T,s de l'eau

Figure 9 : Diagramme h,s de l'eau.

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