Moteur Thermique Bts Mava

Le moteur thermique BTS MAVA

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Le moteur thermiqueDfinitionLes moteurs thermiques transforment de la chaleur en travail mcanique destin quilibrer le travail rsistant dun vhicule qui se dplace. Les machines thermiques sont reprsentes par le synoptique cidessous :

Machines thermiques

combustion interne

combustion externe

combustion cyclique

combustion continue

moteurs alternatifs

moteurs rotatifs

allumage command

allumage par compression

4 temps

2 temps

4 temps

2 temps


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Analyse fonctionnelle Fonction globale : niveau A-0Donnes constructeurs Informations conducteurs Milieu extrieur Energie mcanique Energie calorifique

Energie chimique Energie lectrique

Transformer lnergie chimique en nergie mcanique.

A-0Moteur thermique

Rsidus de combustion

Sous fonctions : A0Donnes constructeur Informations conducteur Milieu extrieur

Position vilebrequin

Dterminer les phases de transvasement.Systme de distribution

Angle de distribution

Energie chimique : carburant + comburant

Transformer lnergie chimique en nergie calorifique.Circuit de carburant Circuit de comburant Circuit dallumage Enceinte thermique

Rsidus de combustion

Energie lectrique

Transformer lnergie calorifique en nergie mcanique.Attelage mobile (piston, bielle, vilebrequin)

Energie calorifique

Energie mcanique

Moteur allumage command

A0

Arbre cames

Arbre dquilibrage Culasse

Pignon darbre cames Piston


Chane de distribution Axe de piston

Carter de distribution

Bielle

Maneton

Pignon de vilebrequin Tourillon

Poulie de pompe eau Volant moteur

Coussinet de vilebrequin Carter dhuile3/16

Ressort de soupape

Coupelle de ressort

Bougie dallumage Joint de queue de soupape


Arbre cames Guide de soupape

Couvre culasse Soupape

culbuteur

Sige de soupape

chemise

Segment de feu

Segment dtanchit

Bloc moteur Segment racleur4/16

Chapeau de bielle


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Analyse structurelleConstitution dun moteur thermique 4 temps Voir documents 1 et 2 Travail demand : identifiez et coloriez les diffrents composants du moteur. Caractristiques internes du moteur Caractristiques gomtriques et dimensionnelles du moteur 4 temps Un moteur 4 temps de caractrise par sa cylindre. Cylindre unitaire (V) Cest le volume dfini entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) dans un cylindre. Le diamtre du cylindre est nomm alsage. La distance comprise entre le PMH et le PMB est la course. Remarques Cest la gomtrie du vilebrequin qui dfinit la course : C = rayon de manivelle 2.

Course et alsage sexpriment en gnral en mm, la cylindre en cm3 parfois en litres.V=Cylindre du moteur Vt Lorsquil y a plusieurs cylindres, la cylindre du moteur est le produit de la cylindre unitaire par le nombre de cylindres n. Rapport volumtrique

A2 C 4

Vt = V n

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 prchambre de combustion, une partie de ce volume mort se situe dans la culasse. La valeur du rapport volumtrique est donne par la formule :

=

V+v v

Remarque Il ne faut pas confondre le rapport volumtrique avec le taux de compression.


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Le cycle 4 temps dun moteur allumage commandDescription du cycle thermodynamique Tous les moteurs thermiques font appel aux transformations thermodynamiques dune masse gazeuse pour passer de lnergie chimique contenue dans le combustible lnergie mcanique directement exploitable sur larbre moteur. Dans son brevet dpos en 1862, le franais BEAU DE ROCHAS propose dappliquer le processus dcrit ci dessous une masse gazeuse emprisonne dans un moteur piston. Le cycle complet comprend 4 courses de piston donc 2 tours de vilebrequin. 1er temps : ladmission - le piston dcrit une course descendante du PMH au PMB ; - la soupape dadmission est ouverte ; - le mlange air + carburant pralablement dos pntre dans le cylindre ; - lnergie ncessaire pour effectuer ce temps est fournie au piston par le vilebrequin par lintermdiaire de la bielle. 2me temps : la compression - les 2 soupapes sont fermes ; - le piston est repouss par vers le PMH par la bielle ; - la pression et la temprature du mlange croissent.

3me temps : la combustion dtente - un peu avant le PMH, une tincelle lectrique dclenche le processus de combustion ; - laccroissement de la pression qui sexerce sur le piston engendre un effort sur la bielle et donc un moment moteur sur le vilebrequin ; - le piston redescend au PMB. 4me temps : lchappement - la soupape dchappement souvre ; - le piston remonte vers le PMH en expulsant les gaz brls.


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Le cycle thorique Lvolution des pressions dans la chambre de combustion en fonction du volume du cycle Beau de Rochas se reprsente dans un diagramme (p,v). A B : Aspiration du gaz la pression atmosphrique dans le cylindre le long de la droite isobare AB (PA = PB = Pa ). B C : Compression adiabatique BC jusquau volume minimal V1, la pression devenant : P1 C D : Combustion instantane du gaz volume constant le long de la droite isochore CD avec une forte lvation de temprature T2 et de la pression P2. D E : Dtente du gaz chaud le long de ladiabatique DE qui ramne le volume V2, mais une pression P3 suprieure celle de latmosphre. E B : Dtente thorique des gaz dans le cylindre donc la pression tombe instantanment la pression atmosphrique le long de lisochore EB, la temprature redescend. B A : Echappement des gaz brls en dcrivant lisobare BA. Retour au point de dpart A.P3 Echappement PaA B E

pression P2D

Combustion

Compression P1C

Dtente

Admission V1 V2 Volumes

Le cycle Beau de Rochas a t conu pour un moteur tel que lentre et la sortie des gaz se fait par des orifices soupapes placs lextrmit ferme dun cylindre dont lautre extrmit est constitue par la tte du piston. Toutefois, il est appliqu dans dautres configurations de moteur, par exemple le moteur rotatif. Notions de thermodynamique : Isochore : V = cte isobare : P = cte

Transformation adiabatique ou isentropique cest dire sans change de chaleur P x V = cte ou pour ce cycle : Pb x Vb = Pc x Vc Rendement du cycle thorique de Beau de Rochas avec : = rapport volumtrique = Cp/ Cv = 1.4 pour lair (coefficient de poisson)

= 1

1 1


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Cycle rel La premire ralisation pratique dun moteur piston a t russie par Otto chez Deutz Cologne en 1876 Sur ce moteur, lvolution de la pression releve ne correspondait pas exactement au cycle thorique et le rendement en tait trs infrieur. En voici les raisons : Admission : linertie des gaz augmentant avec la vitesse de rotation du moteur est responsable du remplissage incomplet du cylindre. Compression : la compression nest pas adiabatique. Du fait de la communication de la chaleur aux parois, la pression des gaz slve moins vite que dans la loi adiabatique. Combustion : la combustion du mlange air/essence nest pas instantane au PMH do une zone de combustion arrondie sur le diagramme. Dtente : la dtente des gaz brls nest pas adiabatique car les gaz cdent une partie de leur chaleur aux parois. Echappement : en fin de dtente, la pression des gaz est nettement suprieure la pression atmosphrique.

S1

S2

PMH

PMB

S1 - S2 reprsente le travail du cycle

Cycle rel aprs rglage Le cycle rel fut ensuite amlior afin den augmenter le rendement. Cette amlioration a t obtenue grce la modification de lpure de distribution.


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Reprsentation de lvolution 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 reprsent par un diagramme pression, variation angulaire (p,). Voici un exemple de ce relev : Phase 1 : Elle correspond au temps de formation du noyau initial de la flamme dont la propagation peut ensuite sauto-entretenir et stendre au volume de la chambre. Cette phase, appele dlai dinflammation, correspond une faible lvation de la pression par rapport la courbe de compression sans allumage. Phase 2 : Cest la phase de propagation de la flamme partir du noyau initial.Pression (bar)

Phase 2 Phase 1

Courbe de compression

( vil) PMH


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Travail du cycle et pression moyenne Cycle thorique Le travail disponible (en Joule) est mesur par laire BCDE. La pression moyenne thorique est la pression constante quil faudrait appliquer sur le piston pendant sa course de dtente pour obtenir le mme travail.D

Surface quivalenteC

Pm th 10 bars PaA B E

Pa v V+v

v

1 cm3

V+v

W = pdvTravail quivalent la surface s : Ws (joules) = 10 bars x 1 cm3 = 106 pascals x 10-6 m3 = 106 N.m-2 x 10-6 m3 = 1 N.m = 1 Joule

Cycle rel ou indiqu Le travail du cycle indiqu est mesur par la diffrence des surfaces A (boucle positive ou haute pression) et B (boucle ngative ou basse pression).

A

Pmi

Pa v

B

Pa V+v v V+v

Wi = [S(A) S(B)] x Ws

Wi(joule)10 Wi10 PMI(bar =daN /cm)= = V(cm3) v( 1)avec : V = cylindre unitaire (cm3) ; v = volume mort (cm3) ; = rapport volumtrique


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TRAVAIL - COUPLE - PUISSANCEEn physique, laction dune force par rapport un axe de rotation sappelle un moment. Le motoriste utile le terme de couple pour la mme grandeur. A tout moment, la valeur du couple sappliquant au vilebrequin est : C (N.m) = r (m) x Ft (N) Le couple moteur sexprime souvent en m.daN ou en m.kg. Ft est la dcomposition de laction du piston sur la bielle (F1). Le travail produit par le couple est : W (Joule) = C (N.m) x (radian) La force F1 dpend : - de la valeur de force engendr par la pression sur le piston ; - de langle (). Phase admission La force rsultante F est oppose au mouvement du piston, (Pcarter > Pcylindre), le couple ncessaire pour effectuer la descente du piston est rsistant. Si la pression dadmission est plus faible (papillon ferm par exemple ou fonctionnement en altitude), le couple rsistant sera plus grand.

Phase compression Le piston a chang de sens de dplacement, mais la force engendre par la pression dans le cylindre a galement charge de sens. Le couple qui en rsulte est donc encore rsistant, et sa valeur instantane dpend : - de la position de la bielle linstant t ; - de la valeur de la pression instantane dans le cylindre. Si la masse de gaz admise pendant la phase admission est faible, le couple rsistant est moins important. Phase dtente Cette fois, la force et le dplacement sont dans le mme sens, nous avons un couple moteur. Sil ny a pas de combustion (coupure dinjection en dclration, par exemple), le couple moteur est le symtrique du couple engendr par la compression (aux pertes calorifiques et aux frottements prs). Phase chappement La force engendre par la pression des gaz brls est oppose au sens de dplacement du piston. Nous avons donc un couple rsistant. Si la pression lextrieur du moteur augmente (P atmo), le travail rsistant de lchappement sera plus important.


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Le travail fourni aux phases dadmission et dchappement est appel travail de pompage . Les forces dinertie A chaque course, lattelage mobile (piston + bielle) est acclr pendant une partie de la course, puis ralenti jusquau point mort. Les forces engendres dpendent : - des masses des pices mobiles ; - du type de mouvement suivi (rotation, translation, mouvement combin) ; - de lacclration subie (donc du rgime).

Remarque: La somme des couples instantans dus aux forces dinertie sur un cycle est nulle. Le calcul des forces dinertie sera vu en cours de mcanique applique. Le couple rel instantan qui sapplique sur le vilebrequin est donc la somme des couples instantans dus la pression et du couple instantan du aux forces dinertie. C = Cp + Ci Lissage de couple La premire solution pour obtenir- un couple moyen toujours positif ( condition davoir un temps moteur) est dadjoindre au vilebrequin un volant dinertie. Son rle est de stocker de lnergie pendant la phase dtente (temps moteur), pour la restituer pendant les trois autres temps. La seconde solution est de multiplier les cylindres, condition de que leur temps moteur respectifs soient rpartis sur les deux tours moteurs que ncessitent les 4 temps. Cela aura pour effet de produire un couple instantan plus stable, et de permettre de rduire la masse du volant moteur. Un moteur 8 cylindres pourrait se dispenser de volant moteur. En ralit, ce volant est utilis pour supporter le couronne dente sur laquelle vient sengrener le dmarreur lectrique, ainsi que le mcanisme dembrayage (ou convertisseur de couple). On obtient dsormais un couple moteur moyen C, le travail fourni par ce couple en un tour est : W (Joule) = C (N.m) x 2 et si le moteur tourne N tr/mn, soit N / 60 tr/s , le travail produit en 1 seconde :

W = C

2 N 60

2 x N /60 est lexpression de la frquence de rotation du moteur . La puissance est donc : P (Watt) = C (N.m) x (radian/s)


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Rcapitulation: le couple moteur C dpend: - du couple rsistant engendr par ladmission et lchappement (travaux de pompage) ; - du couple engendr par la combustion de la charge ; - du couple engendr par les frottements internes ; - du couple rsistant engendr par lentranement des organes (pompe huile). La grandeur prpondrante est lnergie produite par la combustion de la charge qui dpend essentiellement de masse de gaz admise pendant la phase admission. On peut agir sur la valeur du couple moteur en rduisant cette charge grce un papillon situ dans le conduit dadmission, ou en laugmentant grce un dispositif de suralimentation. La puissance dveloppe par le moteur dpend : - du couple moteur ; - du rgime de rotation. Si le moteur fonctionne en admission atmosphrique, la masse de gaz admise pendant la phase diminue lorsque le rgime croit (problme de remplissage), et la puissance dun moteur est limite par la dgradation du remplissage haut rgime.

LES PRESSION MOYENNESProblme Comment comparer deux moteurs (deux convertisseurs dnergie) de cylindres diffrentes sans savoir lequel des deux transforme le plus efficacement lnergie chimique du carburant en nergie mcanique ? On peut utiliser pour cela la notion de rendement global, en remarquant que ce rendement varie selon le selon le rgime, et que son calcul impose de connatre le masse de carburant consomme par cycle, ainsi que le pouvoir calorifique du carburant. Une autre approche est utilise par les motoristes : les pressions moyennes. Lorsquon teste un moteur au frein dynamomtrique, on mesure son couple effectif Ce et son rgime N, ce qui permet de calculer sa puissance effective : Pe = Ce x = Ce x 2 (N/60) La proposition est la suivante : Quelle pression thorique faudrait-il appliquer sur le piston pendant sa course moteur pour obtenir la mme puissance effective ? Cette pression fictive est appele Pression Moyenne Effective (P.M.E.) Calcul : W=FxC F = PME x S W = Pme x S x C Or S x C = V (cylindre unitaire) Donc W = PME x V Ceci reprsente 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 dfinition, nous cherchons la pression moyenne donnant le mme travail effectif, nous aurons lquivalence :


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pour un tour :

We =et pour un moteur n cylindres :

PME V 2

We =et comme V x n reprsente la cylindre totale :

PME V n 2

We =

PME Cyl 2

Si le moteur tourne N tr/mn, soit N/60 tr/sec, le travail fourni en 1 seconde sera :

We =

PME Cyl N PME Cyl N = 2 60 120

et comme par dfinition le travail fourni par seconde est lexpression de la puissance :

Pe =

PME Cyl N 120

Le motoriste dispose des valeurs mesures au banc Pe et N (une puissance dlivre un rgime donn), il en dduit une PME : PME = Pe 120 Cyl N

avec une puissance en Watt, et une cylindre en m3, on trouve une PME en pascal. Si lon souhaite que la PME soit exprime en Bar, avec une puissance effective exprime en Watt et une cylindre 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 x et = x N / 30

PME =

40 Ce Cyl


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On peut donc dire que la PME est proportionnelle au couple effectif par unit de cylindre. Elle permet de comparer des moteurs de cylindre diffrentes. La PMI est la pression thorique quil faudrait appliquer sur le piston, pour obtenir le mme travail de cycle indiqu. La diffrence entre ces deux pressions est une pression nomme Pression Moyenne Effective :PME, qui applique sur le piston fournirait un travail quivalent celui absorb par les frottements, soit: PME = PMI - PMF

CONSOMMATION SPECIFIQUELa consommation spcifique effective La Cse est la masse de carburant (en gramme) que le moteur consommerait pour dlivrer une puissance de 1 kW pendant une heure (soit un travail de 3600 kJ). On calcule la consommation spcifique en divisant la consommation horaire par la puissance effective.

Cse(g / kW. h ) =

m c (g ) Pe (kW ) t (heure)

Exemple : Un moteur dlivre une puissance de 90 kW. Il consomme pendant lessai 0,5 Kg de carburant en 1 minute. Quelle est sa Cse ?Cse = 500 = 333 g/kW.h 1 90 60

La consommation spcifique indique Csi se calcul en considrant la puissance indique Pi. La Cse est li au rendement global (ou effectif) puisque : g ou e =

We (kJ ) m(kg ) PCi (kJ / kg)

=> We = e x m(g) x 10-3 x Pci

et

Cse =

m c ( g) Pe ( kW) t ( heure)

=> Cse =

m c ( g) Pe ( kW) t (s) 3600

et comme Pe = We / t alors : Cse = m c ( g) m c (g) 3600 = We ( kJ ) t (s) e m c (g) 10 3 PCi t (s) 3600


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do une relation entre la Cse et le rendement effectif pour un carburant donn :

3,6 10 6 Cse = e PCi

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