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1
THERMODYNAMIQ
UE D
ES MOTEURS
THERMODYNAMIQ
UE D
ES MOTEURS
De la
De la
The
rmos
tatiqu
e à la The
rmod
ynam
ique
The
rmos
tatiqu
e à la The
rmod
ynam
ique
Mod
èles de tend
ance
Mod
èles de tend
ance
D.DESCIEUX
M. F
EID
T
Journée SFT: O
ptim
isation des moteurs th
ermiques
30 M
ars 2006
Lab
oratoire
d’Ene
rgétique
et de Méc
anique
Thé
orique
et A
ppliqu
ée -UMR C
NRS 75
63
2, Ave
nue de
la For
êt de Hay
e -BP 160
5451
6 VANDOEUVRE-L
ES-NANCY -FRANCE
2
PLAN D
E LA C
ONFERENCE
PLAN D
E LA C
ONFERENCE
IIntroduction
IILes outils thermodynam
iques
III
Les outils en dévelop
pement
IVQuelques Applications
V
Conclusions -Perspectives
3
I. Introd
uction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
INTRODUCTIO
NIN
TRODUCTIO
N
4
BREF H
ISTORIQ
UE D
E LA RELATIO
N ENTRE
BREF H
ISTORIQ
UE D
E LA RELATIO
N ENTRE
MOTEURS THERMIQ
UES ET THERMODYNAMIQ
UE
MOTEURS THERMIQ
UES ET THERMODYNAMIQ
UE
18esiècle M
achine
s à va
peur
1860 M
oteu
r de
LENOIR
1876 M
oteu
r de
OTTO (4 Tem
ps, A
llum
age co
mman
dé)
1892 M
oteu
r de
DIE
SEL (4 Tem
ps, A
utoa
llum
age)
1880-90 Moteu
r à 2 Tem
ps
1957 M
oteu
r WANKEL
1824 É
nonc
é de
CARNOT
1834 É
nonc
é de
KELVIN
1850 É
nonc
é de
CLAUSIUS
1957 N
ice radica
l:
CHAMBADAL
NOVIK
OV
1975 C
URZON
AHLBORN
I. Introd
uction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
5
IMPORTANCE D
E LA TECHNOLOGIE
DES MOTEURS
IMPORTANCE D
E LA TECHNOLOGIE
DES MOTEURS
Exemple
Micro
moteur(U
. Berckley)
Giga moteur (W
artsila)
1820 l et 7780 hp
par cylind
re
Dans la version
14 cylind
res:
Cylindrée to
tale:
25 480 L
Total engine weigh
t: 2300 t (Vilebrequin
300 t)
Puissance M
ax.:
108920 hp à102 rpm
Cou
ple Max.:
7 603 850Nm à102rpm
Rendement:
+ de 50%
Cylindrée:
0.064 mm
3
Rotor:
1 mm
Max. R
PM (est.):
40 000
Puissance (est.):
26 m
W
I. Introd
uction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
6
IMPORTANCE D
E LA TECHNOLOGIE
DES MOTEURS
IMPORTANCE D
E LA TECHNOLOGIE
DES MOTEURS
Exemple
Essence
Diesel
La convergence de m
oteurs ; les appo
rts de l’automatique et d
e l’inform
atique
I. Introd
uction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
7
EXPERIM
ENTATIO
N M
ODELISATIO
EXPERIM
ENTATIO
N M
ODELISATIO
NN
Le cycle réel
Diagram
me de W
ATT
Le prem
ier mod
èle de cycle
Therm
ostatiqu
eDiagram
me de CLAPEYRON
I. Introd
uction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
8
LES OUTIL
SLES OUTIL
STHERMODYNAMIQ
UES
THERMODYNAMIQ
UES
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
9
NOTIO
N
NOTIO
N D
’EFFIC
ACIT
E
D’E
FFIC
ACIT
E : 2: 2n
dndPRIN
CIP
E (Évo
lution
)PRIN
CIP
E (Évo
lution
)
��Efficac
ité d’un
e mac
hine
The
rmom
écan
ique
Efficac
ité d’un
e mac
hine
The
rmom
écan
ique
--au
sen
s du
premier pr
incipe
au sen
s du
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incipe
--au
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s du
secon
d pr
incipe
(facteu
r de
au
sen
s du
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d pr
incipe
(facteu
r de
qualité
qualité))
..
.. E
D
UE
eEne
rgétiqu
Dép
ense
Utile
Effet
I=
=η
qmW
réel
I⋅
=&&
réél
.η
Exemple :
; q , chaleur massique de la réaction
du com
bustible
1limite
.
réel
.≤
=II
IIηη
η
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
10
NOTIO
N
NOTIO
N D
’EFFIC
ACIT
E
D’E
FFIC
ACIT
E : 2: 2n
dndPRIN
CIP
E (Évo
lution
)PRIN
CIP
E (Évo
lution
)
��Irréve
rsibilité de
s tran
sfor
mations
réelles
Irréve
rsibilité de
s tran
sfor
mations
réelles
La dynamique station
naire ou in
stationn
aire des systèmes sup
pose
des relation
flux-force
(Therm
odynam
ique des Phénomènes Irréversibles )
Elles résultent pou
r les machines thermom
écanique de :
-la M
écanique des fluides : Écoulem
ents
P, P
ression
-la Therm
ocinétique : transferts de chaleur
T, tem
pérature
-la Therm
ochimie : combu
stion
µ, potentiel chimique
()
P∆ ()
T∆ () µ∆
Ces trois phénom
ènes in
trod
uisent les irréversibilités fondamentales
Rem
arqu
e : autres irréversibilités ; les frottements m
écaniques solides.
d’où D
EGRADATIO
N D
’ÉNERGIE
S(analyse entropiqu
e)
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
11
LES OUTIL
S LES OUTIL
S EN
EN
DEVELOPPMENT
DEVELOPPMENT
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. L
es o
utils en dév
elop
pem
ent
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
12
1. LES COUPLAGES THERMOMECANIQ
UES :
1. LES COUPLAGES THERMOMECANIQ
UES :
MODELES THERMODYNAMIQ
UES
MODELES THERMODYNAMIQ
UES
�Cycles ferm
és ou équivalent de systèm
es ouvert
Rem
arqu
e :
-hy
pothèse courante (régime dynamique stationnaire)
-complém
ent d
u bilan de m
atière
�Rendement d
e cycle
+⋅
+⋅
−
+
⋅+
⋅+
+=∑
22
22
ss
ss
se
ee
ee
ii
Vv
Pu
mV
vP
um
Wq
dtdE&
&&
&
∑∑
++
⋅−
⋅=
kkk
kk
ee
ss
TqS
sm
sm
dtdS&
&&
& i
kTla température entropique associée à l’élém
ent k
−⋅
⋅−
⋅
−
=∑
TTq
ST
TTk
k
I
0 i0
0
1
11
&
&
η
T, la température entropique du fluide actif dans la chambre de com
bustion
(sou
rce thermique)
0T, la température m
oyenne d’échange avec les pu
its thermiques
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. L
es o
utils en dév
elop
pem
ent
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
13
�les courbes caractéristique d’un m
oteur (normes; S
AE, D
IN, A
FNOR)
2. LES CRIT
ERES D’O
PTIM
ISATIO
N2. LES CRIT
ERES D’O
PTIM
ISATIO
N
W& spC C
CN
spC
NW
N&
()
min
/tr
N
Réglage
loi d
e levée de sou
papes
Rem
arqu
e :
WC
NN
Nsp
& ,
, C
-assez proches
-PCI
Cste
CI
sp=
⋅η
CONCLUSIO
N : critères à facettes multiples …
et contraintes (environnem
ent)
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. L
es o
utils en dév
elop
pem
ent
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
14
�une courbe universelle?
Ph. Arquès, chap. III m
esures et essai caractéristiques, Fig. III.17 p114
2. LES CRIT
ERES D’O
PTIM
ISATIO
N2. LES CRIT
ERES D’O
PTIM
ISATIO
N
A m
axim
um de rend
ement
B m
axim
um de puissance
Mais le com
prom
is consommation-po
llution n’apparaît pas
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. L
es o
utils en dév
elop
pem
ent
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusions -Perspectives
15
QUELQUES
QUELQUES
APPLIC
ATIO
NS
APPLIC
ATIO
NS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
16
-Modèles de tendances (différents mod
èles de connaissances)
-Dém
arche ascendante:
du SIM
PLE au COMPLEXE
-Globalisation
des dissipation
s d’énergie : s i
analyse entrop
ique
-Prise en compte :
-des pertes th
ermique (refroidissem
ent)
-des contraintes de m
atériaux (TMAX)
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
17
�Rendements th
éoriqu
e (therm
ostatiqu
e)
11
−−
=γ
ηv
thrC
vr, rappo
rt volum
étriqu
e
C, C
onstante de cycle
1=
CCycle de Beau de Rochas
() 11 −
∆⋅
−⋅
∆=
γγ
CCycle de Diesel
combu
stion
de
début
combu
stion
de
fin
VV=
∆, rappo
rt volum
étriqu
e de com
bustion
(extension
au cycle mixte, o
u généralisé : M. F
eidt, T
EC et D
OC)
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
18
()
()
()
cyclée
masse
,
ref.
2
1
0
23
23
41
23
14
23
m
TT
Tk
TT
Cq
Ke
TT
TT
TT
CT
TC
W
pp
v
Cs
vv
v
i
&
−+
⋅+
−⋅
=
≤=
=⋅
=−
⋅−
−⋅
+−
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
�Cycle de OTTO revisité
pour un moteur non adiabatiqu
e , non réversible
aK
Tk
Tk
qK
TT
TT
p
pp
opt
=⋅
⋅⋅+
=⋅
∆ ⋅−
=1
11
2
1αα
()
1
11
11
1
+
−
⋅−
⋅
+⋅
−⋅
⋅⋅
=−
aa
Ka
Ka
TC
WMAX
vα
α
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
()
;
22
avec
,
23
pv
pv
kC
kC
T∆T
T+−
=+
⋅=
αα
()
−⋅
−
⋅−
⋅+
∆⋅
⋅=
−21
22
12
11
TTT
KT
TT
TC
Wv
α
19
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
1. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, D
ES MOTEURS MCI, REVISIT
E
�Cycle de OTTO revisité
pour un moteur non adiabatiqu
eirréversible à T
MAXim
posé
�Cycle de Diesel (dévelop
pement identiques)
résultats dispon
ibles auprès de l’auteur
()
()
()
−⋅
+⋅
−=
−
=
−
+
−
⋅⋅
=−
KT
T
KTT
WMAX
T
TT
KK
TT
CW
MAX
MR
MR
MR
MR
MAX
MR
MR
v
112
avec
, 1
11
1
2
1
η
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
20
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
�Le mod
èle du cycle M
ixte (ou
dual)
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
V. C
onclusions -Perspectives
IV. Q
uelques applica
tion
s
21
�Effets des transferts àla paroi (phase de com
bustion)
ref: A. M
ERABET et al.
2
pp
p
kT
kq
=⋅
+=
βα
−+
−=
pv
pv
réac
tion
TT
TK
2'
22
,,
'22
)(
'2
2'
22T
TQ
vv
+−
=β
α
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
V. C
onclusions -Perspectives
IV. Q
uelques applica
tion
s
22
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
V. C
onclusions -Perspectives
�Effets des transferts àla paroi (phase de com
bustion)
ref: A. M
ERABET et al.
+ Frottem
ents
IV. Q
uelques applica
tion
s
23
Tw
Inlet
Exhaust
X
h g
Sgw(θ)
Pg,Tg,m
g,V
g
B
St
L
θ
Coe
fficient d’éch
ange
(Hoh
enberg19
79)
Pos
ition du piston
Per
tes pa
r frottemen
t et pom
pag
e(H
eywoo
d)
�Effets des transferts àla paroi h(θ) ; frottem
ents ; combustion ; contre boucle
ref: D. D
ESCIEUX et al.
Mas
se d’air
()
atm
PP
⋅−
=ξ
1int
()
atm
exh
PP
⋅+
=ξ
1
()
atm
gg
Tr
VP
m⋅⋅
=π
int
Com
bustion(W
iebe)
()
θθχ
θd
dHLV
md
dQf
comb
⋅⋅
=
()
∆−⋅
−−
=
+
elsewhere
0
908
.6exp
1
1
0
b
dθθθ
θχ
24.0
44.1pis
pis
MF
vBv
CP
⋅+
⋅+⋅
=
()
()
()
()
()
ωθ
θθ
θθ
gw
gwg
gwT
TS
h
d
dQ−
⋅⋅
=
()
()
()
()
()
06.04.0
8.08.0
5
)(
4.110
θθθ
θg
g
pis
gho
hg
VT
vP
kh
⋅+
⋅⋅
⋅=
−
()
()
()
⋅
−⋅
−−
+⋅
⋅⋅
+=
θθ
πθ
cos
sin
11
42
22
bmbm
bmclea
rg
rr
rL
BV
V
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
V. C
onclusions -Perspectives
IV. Q
uelques applica
tion
s
24
�Quelques résultats
ref: D. D
ESCIEUX et al.
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
V. C
onclusions -Perspectives
IV. Q
uelques applica
tion
s
25
�Quelques résultats
ref: D. D
ESCIEUX et al.
LV
cyl
5.0=
1=
SBR
16=
εK
T w480
=7.0
=φ
°−
=5
0θ
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
26
�Quelques résultats
ref: D. D
ESCIEUX et al.
LV
cyl
5.0=
1=
SBR
16=
εK
T w480
=7.0
=φ
°−
=5
0θ
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
2. THERMODYNAMIQ
UE D
ES CYCLES, M
ODELES ASC
ENDANTS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applica
tion
sV. C
onclusions -Perspectives
27
�De Nouvelles exp
ressions ou résultats po
ur les rend
ements limites au sens du 1e
r
principe des principaux cycles de M
CI (O
TTO, D
IESEL, M
IXTE)
�Analogie et différence de celles-ci avec le Nice-Radical de C.N.C.A.
�Modèles ascendant du simple au com
plexe
CONCLUSIONS
CONCLUSIONS
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusion
s -Persp
ective
s
28
Prolong
ements systèmes dans le dom
aine des transports:
Cou
plage de m
oteurs (systèm
es hybrides) dans les transports:
TAC et m
oteur
TAV et m
oteur ( B
MW)
PACo et m
oteur (travaux en cours)
Cou
plage dans les applications statiqu
es
cogénération
-trigénération
dans ce dernier cas apparaissent des m
achines à cycles in
verses
(mêm
e démarche dispon
ible et en développem
ent)
Moteurs de fusées : applications particulière
PERSP
ECTIV
ES
PERSP
ECTIV
ES
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusion
s -Persp
ective
s
29
TAV et m
oteur
"Turbo
steamer"BMW
4cylind
res1,8 litre
la consommation
-15 %
la puissance
+14
chle cou
ple
+20 Nm
Sou
rce BMW
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusion
s -Persp
ective
s
30
MERCI
MERCI
POUR VOTRE ATTENTIO
NPOUR VOTRE ATTENTIO
N
I. Introdu
ction
II. L
es outils thermod
ynam
iques
III. Les outils en dévelop
pement
IV. Q
uelques applications
V. C
onclusion
s -Persp
ective
s