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CHRONOLOGIE. LE MOTEUR A VAPEUR. LE MOTEUR A EXPLOSION. LE MOTEUR ELECTRIQUE. LE MOTEUR A REACTION. D’AUTRES MOTEURS CONCLUSION et BIBLIOGRAPHIE

PAGE 2 PAGE 5 PAGE 9 PAGE 17 PAGE 22 PAGE 29 PAGE 32

SommaireSommaireSommaireSommaire

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1708 Abraham DarbyAbraham DarbyAbraham DarbyAbraham Darby intensifie la production du fer en Angleterre, grâce à la houille (coke). Alors que le bois de chauffage se raréfie, le charbon charbon charbon charbon devient le carburant de choix en

Angleterre et le coke remplace le charbon de bois pour la production du fer. Pour faire fonctionner les pompes qui extraient la houille, Newcomen, Newcomen, Newcomen, Newcomen invente en 1712 un

moteur à vapeur rustiquemoteur à vapeur rustiquemoteur à vapeur rustiquemoteur à vapeur rustique.

1769 James WattJames WattJames WattJames Watt (1736-1819) conçoit le moteur le moteur le moteur le moteur

à vapeur moderneà vapeur moderneà vapeur moderneà vapeur moderne.

1783 Les frères Montgolfièrefrères Montgolfièrefrères Montgolfièrefrères Montgolfière en France, propriétaires d'une usine de papier,

construisent les premiers ballons à air ballons à air ballons à air ballons à air chaudchaudchaudchaud; les ballons à hydrogène suivront.

1806 William CongreveWilliam CongreveWilliam CongreveWilliam Congreve invente les fusées militaires ; elles sont utilisées le 13

septembre 1814 lors d'une attaque des Anglais sur Baltimore.

1807 Robert FultonRobert FultonRobert FultonRobert Fulton se sert de la vapeur pour faire fonctionner le premier bateau commercial à premier bateau commercial à premier bateau commercial à premier bateau commercial à

aubes aubes aubes aubes sur le fleuve Hudson ;

1820 Hans Christian OerstedHans Christian OerstedHans Christian OerstedHans Christian Oersted observe l'effet l'effet l'effet l'effet magnétique des courants électriquesmagnétique des courants électriquesmagnétique des courants électriquesmagnétique des courants électriques.

1820 AndreAndreAndreAndre----Marie AmpereMarie AmpereMarie AmpereMarie Ampere démontre que le

magnétisme est une force entre les courants électriques (voir le lien ci- dessus).

Révolution industrielle :

George Stephenson George Stephenson George Stephenson George Stephenson en Grande-Bretagne (1825) et Peter CooperPeter CooperPeter CooperPeter Cooper aux USA (1830)

construisent avec succès de nombreuses voie ferrées au service de la machine à vapeur.

1833 Michael Michael Michael Michael FaradayFaradayFaradayFaraday calcule les lois sur la diversité électrique des différents corps

(comme déjà en 1807 par DavyDavyDavyDavy)et énonce que les atomes possèdent des charges

électriques.

1836 John EricssonJohn EricssonJohn EricssonJohn Ericsson invente l'hélice des hélice des hélice des hélice des bateaux.bateaux.bateaux.bateaux.

1859 Edwin DrakeEdwin DrakeEdwin DrakeEdwin Drake extrait le pétrole pétrole pétrole pétrole d'une huile de

Titusville en Pennsylvanie. Débute un engouement mondial de recherche et

d'extraction du pétrole, pour le raffiner et utiliser ses constituants pour s'éclairer, se chauffer et plus tard recourir à l'essence et

aux moteurs diesel.

1843 James Prescott JouleJames Prescott JouleJames Prescott JouleJames Prescott Joule (1818-89) mesure " la proportionnalité " entre énergie mécanique

et chaleur.

ChronologieChronologieChronologieChronologie....

3

1859 Edwin Drake extrait le pétrole pétrole pétrole pétrole d'une huile de

Titusville en Pennsylvanie. Débute un engouement mondial de recherche et

d'extraction du pétrole, pour le raffiner et utiliser ses constituants pour s'éclairer, se chauffer et plus tard recourir à l'essence et l'essence et l'essence et l'essence et

aux moteurs dieselaux moteurs dieselaux moteurs dieselaux moteurs diesel.

1864 James Clerk MaxwellJames Clerk MaxwellJames Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell propose les équations de l'électromagnétisme et suggère que la lumière est une onde électromagnétique.

la révolution industrielle se poursuit : Les bicyclettes apparaissent (le grand - bi, alors " référence de sécurité "), production en série des tissus, construction du pont de Brooklyn (1883),de la statue de la liberté

(1886),de la tour Eiffel (1889).

1870 Le chemin de fer traverse les Le chemin de fer traverse les Le chemin de fer traverse les Le chemin de fer traverse les USA. USA. USA. USA. En

1891-1905, construction du TransTransTransTrans----sibériensibériensibériensibérien.

1879 EdisonEdisonEdisonEdison invente l'ampoule électl'ampoule électl'ampoule électl'ampoule électriqueriqueriquerique, avec au

début un fragile filament de carbone.

1882 Centrales électriques Centrales électriques Centrales électriques Centrales électriques à Londres et à New York. Réfrigération à grande échelle.

1885-1900 l'arrivée des moteurs électriques pour les trains permet la construction des métros métros métros métros dans les grandes villes d'Europe (D'abord

Londres, puis Budapest) et des USA (d'abord Boston, puis New York)..

1884 Charles ParsonsCharles ParsonsCharles ParsonsCharles Parsons invente la turbine à turbine à turbine à turbine à

vapeurvapeurvapeurvapeur, qui devient finalement le relais préférentiel des centrales et des bateaux fonctionnant à l'énergie électrique. Le moteur diesel est présenté en 1897 par

Rudolf DieselRudolf DieselRudolf DieselRudolf Diesel.

1886 Heinrich HertzHeinrich HertzHeinrich HertzHeinrich Hertz produit et détecte les ondes électromagnétiques, ce qui sera appelé plus

tard la "radioradioradioradio."

Débuts des automautomautomautomobilesobilesobilesobiles (MarcusMarcusMarcusMarcus 1864 en Autriche; BenzBenzBenzBenz, 1887 en Allemagne;

DuryeaDuryeaDuryeaDuryea, 1893 aux US).

1895

Henri BecquerelHenri BecquerelHenri BecquerelHenri Becquerel découvre la radioactivitéradioactivitéradioactivitéradioactivité. 1896

Svante ArrheniusSvante ArrheniusSvante ArrheniusSvante Arrhenius rattache l'anhydride carbonique à "l'effet de serrel'effet de serrel'effet de serrel'effet de serre" réchauffant la

terre.

1897 J.J. ThompsonJ.J. ThompsonJ.J. ThompsonJ.J. Thompson découvre l'électron'électron'électron'électron.

1911

Andre BingAndre BingAndre BingAndre Bing en Belgique fait breveter une fusée à plusieurs étages.

1916

GoddardGoddardGoddardGoddard teste des fusées avec des becs de De-Laval.

1926, 16 Mars

GoddardGoddardGoddardGoddard lance sa première fusée à carburant liquide.

1932

James ChadwickJames ChadwickJames ChadwickJames Chadwick découvre le neutronneutronneutronneutron.

1936 Le DCDCDCDC----3333, premier avion de ligne moderne,

peut atteindre 210 kM/H avec 21 passagers.

4

1939

Hahn, Meitner and StrassmannHahn, Meitner and StrassmannHahn, Meitner and StrassmannHahn, Meitner and Strassmann découvrent la Fission nucléaire Fission nucléaire Fission nucléaire Fission nucléaire lorsqu'un noyau d'uranium absorbe un neutron, il

peut être ébranlé au point de se dédoubler en deux fragments de taille comparable, accompagné d'une grande quantité

d'énergie.

1942, 2 Decembre Le premier réacteur nucléairepremier réacteur nucléairepremier réacteur nucléairepremier réacteur nucléaire, conçu par

Enrico FermiEnrico FermiEnrico FermiEnrico Fermi, est mis en service avec succès à Chicago.

1944, 8 Septembre les premières fusées V2 fusées V2 fusées V2 fusées V2 sont lancées sur la

Grande-Bretagne

1947, 14 Octobre l'avion l'avion l'avion l'avion ---- fusée X fusée X fusée X fusée X----1111 piloté par Chuck Yaeger

franchit le mur du son.

1949, 24 février La fusée à deux étages "Bumper" monte à

393 kilomètres.

1949 La Grande-Bretagne met en service le

premier avion de ligne à réactionavion de ligne à réactionavion de ligne à réactionavion de ligne à réaction : le Comet. Il est plus tard rappelé en raison de graves défauts, mais en 1958 le Caravelle français et les Boeing 707, plus grands, sont mis en service. Un peu à la fois, les avions à les avions à les avions à les avions à réactionréactionréactionréaction prédominent dans les transports aériens, ce qui fait brusquement diminuer les voyages passagers à travers les océans.

1956 La Première grande centrale nuccentrale nuccentrale nuccentrale nucléaire léaire léaire léaire

commerciale, Calder Hall, est inaugurée en Grande-Bretagne.

1958 Eisenhower Eisenhower Eisenhower Eisenhower, le président des USA, fonde la

NASANASANASANASA.

1958-9

"Projet Orion Projet Orion Projet Orion Projet Orion " destiné à concevoir les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléairepropulsion nucléairepropulsion nucléairepropulsion nucléaire.

1963 Traité d'interdiction des essais nucléaires.

1979, 24 Decembre

Premiers vols de la fusée européenne ArianeArianeArianeAriane.

1981, 12 Avril

Premier vol de la navette spatiale.navette spatiale.navette spatiale.navette spatiale.

1986, 14 Decembre L'avion "VoyagerVoyagerVoyagerVoyager", conçu par Burt Rutan Burt Rutan Burt Rutan Burt Rutan et

piloté par son frère Dick et par Jeanna Yaeger, fait le tour de la terre sans escale et sans réapprovisionnement en combustible

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Historique Des noms qui ont marqué leur temps.

Denis Papin.Denis Papin.Denis Papin.Denis Papin. Dès 1960, ce physicien met au point un des premiers moteurs à piston. Son principe est assez simple. Son seul cylindre sert de

chaudière, et fonctionne davantage avec la pression atmosphérique plutôt qu’avec la pression due à la vapeur. Le marquis de Worcester et Thomas Savery.Le marquis de Worcester et Thomas Savery.Le marquis de Worcester et Thomas Savery.Le marquis de Worcester et Thomas Savery.

Ces ingénieurs ont également fabriqué des ébauches de moteurs à vapeur vers la fin du 17ème siècle Notamment le moteur de Savery a été très utilisé dans les exploitations minières pour pomper l’eau dans les tunnels.

Thomas Newcomen.Thomas Newcomen.Thomas Newcomen.Thomas Newcomen. C’est cet anglais qui créa les véritables premiers moteurs à vapeur : les « moteurs à poutre » Ils sont constitués d’une chaudière à vapeur, d’un cylindre et d’un piston. Le piston, en montant et descendant transfère de l’énergie à la poutre qui se déplace à l’intérieur du cylindre. Mais, ce moteur n’est pas rentable à cause des nombreuses perditions thermiques. Moteur à vapeur de Thomas Newcomen

Le Moteur à vapeur.Le Moteur à vapeur.Le Moteur à vapeur.Le Moteur à vapeur. Au 19ème siècle, la machine à vapeur a un rôle central dans la révolution industrielle. Ce moteur puissant et efficace fonctionnant à l’énergie du charbon est rapidement

devenu une force motrice du travail dans les usines et les mines.

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James WattJames WattJames WattJames Watt.... Décidant d’améliorer le concept de Newcomen, il travailla sur un nouveau modèle de moteur qu’il fit

breveté en 1769. Son objectif était atteint : il avait réussi à augmenter l’efficacité du moteur. Effectivement, par la création d’un espace séparé pour la condensation de vapeur, et le remplacement de la pression atmosphérique par la pression de la vapeur d’eau il élimina quasiment toutes les pertes thermiques. Ainsi, cet ingénieur écossais est considéré comme l’instigateur du moteur à vapeur.

Richard Trevithick et Richard Trevithick et Richard Trevithick et Richard Trevithick et OlivOlivOlivOliver Evans.er Evans.er Evans.er Evans. Au début du 19ème siècle, cet ingénieur des mines britanniques et inventeur américain ont construit le premier moteur à vapeur à haute pression, et ont utilisé ce modèle pour faire fonctionner la première

locomotive à vapeur du monde.

Le saviez-vous ? On différencie les machines à vapeur en simple effet et en double effet. En simple effet, le piston qui se déplace dans le cylindre est entraîné par la vapeur par une de ses faces, et en double effet, par ses deux faces. Chronologiquement, les moteurs à vapeur créés avant celui de James Watt sont à simple effet ! Et la locomotive a toujours un moteur à vapeur à double effet !

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Machine à vapeur à double flux.

Rôle Rôle Rôle Rôle de la distributionde la distributionde la distributionde la distribution Elle sert à garder ou laisser s'échapper la vapeur produite par la chaudière dans le cylindre en fonction des mouvements du piston. Ainsi, on utilise l'énergie contenue dans la vapeur sans trop de gaspillage. Le piston sépare le cylindre en deux chambres de travail reliées chacune par un canal de vapeur. Ce canal, dont l'embouchure se trouve aux extrémités du cylindre, permet l'admission de vapeur et l'échappement de vapeur. Le tiroir, commandé par les bielles de distribution, (distributions extérieures) règle la répartition de la vapeur dans les deux canaux du cylindre de la locomotive. Ainsi dérivent le mouvement de la crosse et de l’essieu moteur. Ainsi, la distribution permet de modifier la puissance de la machine et le sens de rotation des roues motrices.

Description du cycleDescription du cycleDescription du cycleDescription du cycle Pendant un tour de la roue motrice, le piston avance, puis retourne en arrière. Le cycle est décrit par quatre phases de travail de la vapeur : *Admission *Détente *Echappement *Compression AdmissionAdmissionAdmissionAdmission :::: Le tiroir ouvre le canal du cylindre puis le tuyau d’admission de vapeur la vapeur de la chaudière atteint le cylindre. La phase d’admission commence en A Et se termine an B (début de la détente)

DétenteDétenteDétenteDétente Pendant la détente, le tiroir ferme le canal du cylindre en B. « L’acheminement » de vapeur provenant de la chaudière s’arrête. La vapeur enfermée dans le cylindre subit une détente et déplace de ce fait le piston en C. Plus le piston se déplace vers la droite, et plus V1 augmente et V2 diminue et la pression de la vapeur diminue.

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EchappementEchappementEchappementEchappement Pendant l’échappement, le tiroir relie le canal du cylindre avec le tuyau d’échappement de vapeur : la vapeur détendue s’échappera par le tuyau d’échappement et la tuyère d’échappement à « l’air libre » C->D

En D, le tiroir libère totalement l’accès du canal du cylindre vers l’échappement. Fin de l’échappement avec le début de la compression en D. D->E

CompressionCompressionCompressionCompression Pendant la compression, le tiroir referme de nouveau le canal du cylindre. Le piston comprime la vapeur restant dans le cylindre E->A

Et ainsi de suite, le cycle reprend.

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Historique Des noms qui ont marqué leur temps.

François Isaac de RivazFrançois Isaac de RivazFrançois Isaac de RivazFrançois Isaac de Rivaz.... En 1804 il créa le premier moteur à explosion à quatre temps.

JeanJeanJeanJean----Joseph Étienne LenoirJoseph Étienne LenoirJoseph Étienne LenoirJoseph Étienne Lenoir.... En 1860 il propose une simplification du moteur à quatre temps : le moteur à deux temps.

Fonctionnement du moteur à quatre temps.

Un moteur à explosion peut être modélisé comme un cylindre creux, fermé à ses deux extrémités à l’intérieur duquel un autre cylindre, le piston, plein celui-ci, est mobile.

Du carburant est injecté d’un coté du piston, dans la chambre à combustion, et ce dernier va comprimer le carburant.

Au démarrage, le moteur effectue la compression du carburant avant allumage à l’aide d’une source de travail extérieure : une manivelle actionnée à la main, ou aujourd’hui un moteur électrique.

A l’allumage, le carburant s’enflamme en 1 à 2 millisecondes et il se produit une déflagration. Celui-ci est produit soit à l’aide de bougies d’allumage dans le cas d’un moteur à essence, gaz ou alcool [c’est pour cela qu’on met en avant l’importance de la batterie d’un véhicule essence] soit par combustion spontanée du carburant à haute pression dans le cas du moteur Diesel. A ce moment là, le carburant est sous une pression de 12 à 18 bars et entre 400 et 500 °C s'enflamme.

S’en suit une expansion des gaz à haute température (et haute pression : près de 60 bars) et une détente accompagnant le

Le Moteur à Le Moteur à Le Moteur à Le Moteur à explosionexplosionexplosionexplosion.... Ce moteur thermique se décline en plusieurs versions, le moteur Diesel et le moteur à essence, gaz ou alcool, à 2 ou 4 temps. Leur fonctionnement est très similaire à la

différence près que le combustible n’est pas le même est de ce fait que certaines propriétés varient.

achine à vapeur a un rôle central dans la révolution industrielle.

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refoulement du piston. La variation du volume dans la chambre de combustion crée ainsi du travail.

Le couplage du piston avec un volant d’inertie (le vilebrequin) permet alors de récupérer une partie du travail créé par la phase précédente pour renvoyer le piston en sens inverse, éjecter les gaz dans un premier mouvement, admettre à nouveau du carburant par pompage dans un second mouvement, et enfin le comprimer en vue d’un nouveau cycle. On obtient ainsi un cycle de moteur à quatre temps.

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Description du cycle

Comme tout moteur, le moteur à explosion a pour but de transformer une énergie en travail. Cette transformation repose sur le phénomène de déflagration* qui se produit lors de la combustion d’un carburant. Le fonctionnement du moteur a quatre tempsmoteur a quatre tempsmoteur a quatre tempsmoteur a quatre temps est modélisé par le cycle de Beau de Rochascycle de Beau de Rochascycle de Beau de Rochascycle de Beau de Rochas

Le cycle s’effectue en plusieurs étapes : 0-1 : Admission du carburant isobare 1-2 : Compression adiabatique (idéale) 2-3 : Explosion (déflagration) à volume constant 3-4 : Détente adiabatique (idéale) 4-5 : Ouverture isochore de la soupape d’échappement 5-0 :Echappement des gaz, isobare

Dans ce cycle, 2 temps sur 4 sont consacrés à l’admission et à l’échappement du combustible. Une simplification du moteur à quatre temps fut proposée par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1860 : le moteur à deux temps.

Le principe du moteur à deux tempsmoteur à deux tempsmoteur à deux tempsmoteur à deux temps est d’effectuer l’échappement et l’admission en un même mouvement de piston. Dans les modèles

les plus simples, ces deux étapes ne se font plus à l’aide de soupapes à clapets, mais par des soupapes à manchons, ou lumières, trous ouvert dans la paroi du cylindre ouvert en une certaine position du cylindre.

Dans le premier cycle du moteur, après admission, le carburant est comprimé, vient ensuite l’allumage, refoulant le piston qui dans le même mouvement détend le système, éjecte les gaz et pompe le carburant nécessaire au prochain cycle.

Le saviez-vous ? La pression moyenne qui règne dans le moteur est de 11bar environ, avec des pics à 60bars, d’où l’importance de choisir des matériaux solides, des pièces étanches et facilement déplaçable (lubrifiées).

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Rendement du moteur à explosion.

Notre moteur étant basé sur le cycle de Beau de Rochas, nous allons d’abord calculer le rendement du cycle, puis celui du moteur lui-même.

Rendement du cycleRendement du cycleRendement du cycleRendement du cycle

Afin de calculer le rendement d’un cycle on calcule : - le travail que fourni notre moteur qui pourra être utilisé sous la forme d’énergie mécanique , -et la quantité de chaleur absorbée par le moteur pour se mettre en mouvement sur un cycle.

Par définition, il faut savoir qu’il n’est pas échangé de chaleur au cours de la transformation adiabatique ; de ce fait, tous les échanges de chaleurs se font sur les chemins 2-3 et 4-5.

En se qui concerne le travail, c'est à dire l'aire sous la courbe dans le diagramme de Clapeyron, il est nul car les chemins 0-1 et 5-0 sont inverses. Le travail fournit par le moteur est donc créé uniquement lors des étapes 1-2 , 2-3, 3-4, 4-5.

Le « travailtravailtravailtravail » est exprimé par :

pdVW −=∂ Il correspond à l'aire sous la courbe dans le diagramme de Clapeyron. Il est nul sur les chemins 0-1 et 5-0 car ils sont inverses ;le travail fournit par le moteur est donc créé uniquement lors des étapes 1-2 , 2-3, 3-4, 4-5.

Or,si on regarde bien la formule, on comprend qu’aucun travail n'est produit lors des étapes pendant lesquelles il n'y a pas de variation de volume. Nous n'avons donc à considérer que les chemins 1-2 et 3-4 (deux chemins adiabatiques) pour calculer le travail.

On appelle « taux de compressiontaux de compressiontaux de compressiontaux de compression » le rapport

min

max

V

V=τ ; on prendra 10=τ .

On étudie ici le gaz qui décrit le cycle 1234. La quantité de gaz, n, est celle qui a été admise dans l'état 1. L'échauffement de l'étape 2-3 est dû à la combustion "interne" du mélange gazeux admis. A savoir que les produits de la réaction sont gazeux. On admettra que la quantité de gaz n'est pas modifiée par la combustion interne.

Le gaz est assimilé à un gaz parfait pour lequel les capacités thermiques molaires (ou massique) Cpm et Cvm sont constantes.

)1( −=

γR

Cvm et 33,1==vm

pm

C

Cγ

CalculCalculCalculCalcul de la chaleur de la chaleur de la chaleur de la chaleur et du travail et du travail et du travail et du travail du cycledu cycledu cycledu cycle ::::

Expression de Q1 quantité de chaleur échangée dans l'étape 2-3 :

)( 231 TTnCQ vm −=

avec ( T3 – T2 )>0 échauffement du gaz

Q1 >0, chaleur reçue par le système, le gaz.

Le saviez-vous ? La capacité thermique molaire est donnée par la quantité d'énergie apportée par échange thermique pour élever d'une unité la température d'une mole d'une substance.

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Expression de Q2 quantité de chaleur échangée dans l'étape 4-5 :

)( 452 TTnCQ vm −= avec( T5 – T4 )<0 refroidissement du gaz

Q2 <0, chaleur cédée par le système, le gaz.

Expression du travail total W échangé au cours du cycle 1234 :

L’énergie interne du gaz ne varie pas au cours du cycle : ∆U=0

Or 21 QQWU ++=∆ d'où )( 21 QQW +−=

Expression de l’efficacité en fonction de Q1 et Q2. Efficacité (rendement) : rapport du travail fourni par l’énergie reçue à la source chaude ;

)1()(

1

2

1

21

1 Q

Q

Q

QQ

Q

W+−=

+−==η

Or, Q1>0 et Q2<0 d'où η =1-|Q2| /Q1

Expression de l’efficacité en fonction de T1, T2, T3 et T4 :

)( 23

41

1

2

TT

TT

Q

Q

−−

= ; )(

123

41

TT

TT

−−

−=η

1-2 adiabatique réversible donc :

min1

2max1

1

−− = γγ VTVT ;

3-4 adiabatique réversible donc :

min1

3max1

5

−− = γγ VTVT

D’où : min1

32max1

41 )()( −− −=− γγ VTTVTT

( ) γγ

γ

γ

τ −−

−

−

=

==

−− 1

1

max

min

max1

min1

32

41

)( V

V

V

V

TT

TT

33,01 1011 −− −=−= γτη

53,0=η si 10=τ

Le rendement théorique est donc de 53%

Conditions proches.Conditions proches.Conditions proches.Conditions proches.

Regardons ce qui ce passe en chaque étape du cycle en appliquant des conditions proches de la réalité.

On prend un moteur à un cylindre de volume V=500cm3.

La pression atmosphérique est de 1bar, la température de l’air de 15°C et 33,1=γ .

Admission en 1 : P1 = 1bar

3

1 4,5711

cmVV =×−

=τ

τ

T1 = 15 + 273 = 288K (degré Kelvin) Compression adiabatique en 2 :

barV

VPP 93.14

2

112 =

=

γ

V2 = V1 – V = 71,4cm3

KV

VTT 537

1

2

112 =

=

−γ

Le saviez-vous ? L’énergie interne est un concept regroupant le travail et les quantités de chaleur échangés d’un système. D’après le Premier Principe de la Thermodynamique, sa variation est nulle pour un système isolé.

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Explosion en 3 : Lors de l’explosion, une augmentation rapide de pression se produit. Celle-ci dépend de la nature du mélange combustible ; la combustion de 500cm3 de mélange carburé air/essence dégage 1776 joules environ sous forme de chaleur. La thermodynamique précise que : TCQ v∆= , mais pour rester approximatifs dans notre simulation nous utiliserons la relation :

)1(712 −=− τPP P3 = 64bar V3 = V2 = 71,4cm3

KP

PTT 2299

2

323 =

=

Détente adiabatique en 4 :

barV

VPP 28,4

1

234 =

=

γ

V1 = 571,4cm3

KV

VTT 1232

1

1

234 =

=

−γ

Ce qui nous fait un rendement de 46 % dans ces conditions.

La puissance développée par le moteur, c'est-à-dire l’énergie mise en œuvre pendant une unité de temps est :

Puissance W = Travail T/ Temps t

t

NCW ×= π2

Connaissant le travail pour un cycle complet soit 2 tours de vilebrequin

60

min)/(

2

12

toursNCW ××= π

Le moteur réel.Le moteur réel.Le moteur réel.Le moteur réel. Dans un moteur réel, des anomalies sont détectées dans le fonctionnement. Pendant la combustion, par exemple lors de l’allumage, un point chaud résiduel dans la chambre de combustion peut provoquer un pré allumage et outre passer l’action des bougies… le moteur continue à tourner après coupure du contact. Autre anomalie le « cliquetis », phénomène de combustion ultra rapide identique à celle de la détonation, se manifestant par une onde de pression, mais qui apparaît après le déclenchement de l’étincelle. Il est favorisé par la relation entre l’indice d’octane du carburant et le taux de compression du moteur, la turbulence dans la chambre de combustion, la richesse et l’homogénéité du mélange. Ce phénomène peut venir à bout d’un piston en quelques heures… L’optimisation d’un moteur est donc primordiale pour qu’il puisse fonctionner durablement, efficacement et si possible écologiquement.

Le saviezLe saviezLe saviezLe saviez----vouvouvouvoussss ???? Autrefois, la puissance était exprimée en cheval-vapeur (ch) avant que son unité devienne le Watt. Le cheval-vapeur était la puissance développée par un cheval pour traîner une masse m à la vitesse du pas (P=m.g.v).

1 ch = 736 W A ne pas confondre avec le cheval fiscal (cv) qui lui répondait à la formule P = k n d² I w où : k est une constante administrative dépendant du type de moteur, n le nombre de cylindres, d l’alésage d’un cylindre en cm, I la course du piston, et w la vitesse de rotations forfaitaire en tour/sec pour être finalement remplacée par

48,1)0458,0(K

Cmp = ou K est constante prenant

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La première question à se poser est de savoir si notre comportement théorique du moteur est vérifié dans la pratique. D’une part, et non d’une moindre, notre cycle ne tiens pas compte de l’inertie de la masse de fluide déplacée par notre moteur. D’autre part, notre enceinte n’est pas adiabatique et une quantité non négligeable de chaleur est échangée avec le milieu extérieur. Enfin, la combustion complète du carburant n’est pas instantané et n’est pas forcément achevée lors de la détente du piston ce qui entraîne une pollution inutile. Alors pour améliorer le rendement du moteur et retrouver un cycle réel ressemblant au cycle théorique, plusieurs solutions existent.

• Augmenter le temps d’ouverture des soupapes d’admission et d’échappement, afin d’éviter le freinage des gaz.

• Avance du point d’allumage par rapport à la compression maximale (le point mort), pour tenir compte du délai d’inflammation.

• Prolongation de la phase de détente pour augmenter le travail utile et diminuer les pertes par l’échappement.

• Augmenter la vitesse d’inflammation du mélange carburé de façon à se rapprocher de la combustion à volume constant ce qui induit un accroissement de la vitesse de rotation et donc de la puissance du moteur. Cette vitesse d’inflammation dépend de l’homogénéité du mélange et de la forme de la chambre de combustion. Une seconde bougie d’allumage fait gagner 3%.

• Minimiser les pertes de chaleur en augmentant l’alésage (le diamètre de la chambre à combustion) ce qui a pour contre partie de réduire la vitesse de rotation et donc la puissance.

• En turbo suralimentant le moteur, ce qui consiste à le gaver à l’aide d’un

compresseur ou d’un turbo compresseur, on déforme l’ensemble du diagramme dans le sens de l’augmentation de surface utile. La puissance augmente en fonction de la pression d’admission.

La bougie d’allumage.La bougie d’allumage.La bougie d’allumage.La bougie d’allumage. Elle est le dernier maillon du système d’allumage dont elle exploite le courant haute tension pour provoquer une étincelle au sein du mélange air/essence que le piston a comprimé dans la chambre d’explosion. Celle-ci se produit entre deux électrodes, l’une reliée à la masse, l’autre, parfaitement isolée (résistant à 20 000-30 000 Volts), raccordée au générateur de haute tension. La différence de potentiel entre les électrodes entraîne une ionisation de l’espace les séparant et permet l’instauration d’un arc électrique qui dégage suffisamment d’énergie pour amorcer la combustion du mélange carburé. Carburant.Carburant.Carburant.Carburant. Si de nos jours le moteur à explosion est tant critiqué, c’est pour son indispensable besoin en carburant fossile de plus en plus rare et la pollution qui en découle. A essence ou diesel, le moteur à explosion n’à pas nécessairement besoin d’être remplis de carburant pour fonctionner, du moins pas à l’état liquide, car le liquide incompressible pourrait causer de sérieux dommages au moteur lors de la compression. Un mélange d’air et de carburant est préparé en amont et injecté directement dans la chambre de combustion. Ces carburants sont d’origine pétrolifère dans la très grande majorité. Ils se distinguent avant tout par leur indice d’octane qui, nous l’avons vu, est intimement lié au bon fonctionnement du moteur. Un mauvais indice d’octane peut créer un disfonctionnement du moteur, voire le dégrader.

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On distingue les essences :

• sans plomb 95 ou « Eurocarburant » (indice d’octane 95),

• sans plomb 98 (indice d’octane 98), • le « super » (indice 98, en voie de

disparition). Il ne contient plus de plomb mais du potassium pour l'« anti-récession des soupapes » et pose de ce fait des problèmes de fonctionnement.

• le Gazole.

Reste à noter qu’on peut actuellement substituer aux essences l’alcool ou du gaz (naturel) et au gazole les huiles végétales et biocarburants réduisant sensiblement la pollution et ce sans modification majeure du système.

Actuellement, les efforts technologiques tendent à réduire énormément la consommation de moteurs. Preuve la plus évidente, la sortie en 2005 de plusieurs modèles de véhicules grand public dont la consommation avoisinait les 4 litres/100km. L’intégration d’un moteur d’appoint (et de substitution) annexe électrique, permet également de réduire toute utilisation inutile du moteur à explosion.

Le saviezLe saviezLe saviezLe saviez----vousvousvousvous ????

ConsommationConsommationConsommationConsommation de carburantde carburantde carburantde carburant ....

Depuis les années 1970 et les 2 chocs pétroliers, les politiques d'état et des constructeurs ont été de réduire globalement la consommation des principaux modèles automobiles.

En France, la consommation moyenne du parc automobile est ainsi passée de 8,3 litres aux 100 km à 7 litres en 2004. La consommation du "véhicule neuf moyen" commercialisé en France en 2005 est de 6 litres/100km. D'ailleurs, pour la 4ème année de suite, la consommation globale annuelle de super et de gazole a reculé en France pour revenir au niveau de 1996 soit 29 millions de mètres cubes avec pour forte origine la hausse de leurs prix et pour conséquence directe une diminution du kilométrage parcouru (398 milliards de km en 2005 contre un pic à 404 milliards en 2003) favorisé par le vieillissement de la population française, tendance aussi constatée en Allemagne et Grande-Bretagne - et à une diminution de la vitesse (aidée par des contrôles radar de vitesse en nette augmentation).

En moyenne dans le monde, la consommation est de 10 litres/100 km par véhicule particulier.

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Historique Des noms qui ont marqué leur temps.

Pierre Simon Pierre Simon Pierre Simon Pierre Simon Laplace Laplace Laplace Laplace C’est en 1814 que ce mathématicien physicien français a déterminé les outils mathématiques permettant de représenter les forces magnétiques (Force de Laplace)

Ludwig LorenLudwig LorenLudwig LorenLudwig Lorenzzzz Ce physicien mathématicien danois a travaillé sur la transmission des forces par des champs en utilisant des équations. Il a démontré que des forces électriques se

propagent à la vitesse de la lumière.

MichaelMichaelMichaelMichael Faraday Faraday Faraday Faraday Ce physicien anglais est le premier maître de la rotation magnétique (1821).Il fur acteur de la conception du premier moteur

électrique.

Le Moteur Le Moteur Le Moteur Le Moteur électriqueélectriqueélectriqueélectrique

18

Fonctionnement Le moteur électrique repose sur le phénomène de la force de Laplace. Selon Lorentz, en électromagnétique, une particule chargée, dans un champ électromagnétique est ainsi soumise à une force :

BvqEqFrrrr

∧+= Avec :

• Fr

la force subie par la particule chargée

• Erle champ électrique au niveau de la

charge

• Brle champ magnétique au niveau de la

charge

• vrla vitesse de la charge

En l’absence de champ électrique, la force devient :

BvqFrrr

∧=

Soit ><= vqnjrr

le vecteur densité de courant avec q la charge d’un porteur, n la densité volumique des porteurs de charge tel que l’intensité du courant vaut :

SdjiS

rr

∫∫ ⋅=

De ce fait : BlidFdrrr

∧= On en déduit la Formule de LaplaceFormule de LaplaceFormule de LaplaceFormule de Laplace :

BIFrrr

∧=

La Force de Laplace est donc normale au courant qui traverse un conducteur et au champ magnétique dans lequel il est plongé. Pour mettre en mouvement un conducteur, on le soumet donc à un courant ; pour le champ magnétique, on entoure le conducteur d’un aimant. Le moteur électrique, repose entièrement sur ce principe.

On distinguera les machines tournantes en courant continu et alternatif, et les moteurs linéaires.

Les machines tournantes. La machine tournante est utilisée dans le but de convertir une énergie électrique en énergie mécanique : l’énergie cinétique de rotation. La première machine tournante fut trouvée par Faraday en 1821, qui mit en évidence qu’un fil de fer plongé dans du mercure avec un aimant en son milieu tournait autour de celui-ci. Les moteurs à courant continu moteurs à courant continu moteurs à courant continu moteurs à courant continu reprennent de nos jours le même principe.

Un champ magnétique est créé par l’aimant permanent (le stator, car il reste fixe). Le courant passant à travers le fil placé dans ce champ magnétique est un mouvement d’électron c'est-à-dire de charges. Les charges en mouvement sont alors influencées par le champ magnétique en présence et mettent en mouvement le fil de fer. C’est la force de Laplace. L’ensemble du fil tournant est alors nommé le « rotor » parce qu’il tourne, et « induit » car composé d’un bobinage de fil conducteur, et met en mouvement l’axe moteur grâce auquel on pourra récupérer du travail utile.

19

De manière générale, les stators et rotors sont composés de matériaux ferromagnétiques afin que le flux produit par les bobinages ou les aimants soit aussi grand que possible, et que le flux interne à la machine ne sorte pas de celle-ci (dans un soucis de limiter les pertes et les nuisance du voisinage proche au moteur : interférences, champ magnétique non souhaité etc.) Comme le montre le schéma, un couple de forces de Laplace est créé, conséquence de l’action d’un flux (le champ magnétique) sur un courant (passant à travers le bobinage du rotor). Lorsque la bobine de fil tourne, ces deux forces tendent à se compenser. C’est ce qui se passe lorsque la bobine est normale au champ magnétique. A ce moment là, le mouvement ne peut plus durer car les forces s’exerçant de part et d’autre de la boucle sont contraires. A ce moment là, on inverse donc le sens du courant traversant le fil et un couple de forces de Laplace contraire au précédent est créé. En laissant un temps entre la compensation des forces du premier couple, et le changement du sens du courant (de la polarisation), la bobine peut continuer un temps son mouvement grâce à son inertie et permettre ainsi que le mouvement de rotation soit pérennisé dans un même sens. Si aucun temps n’est laissé, le couple de forces contraire pourrait imposer une rotation inverse à la bobine et le mouvement de rotation ne serait plus continu.

Pour favoriser cet effet d’inertie, il suffit d’augmenter la masse de la bobine. Plus la masse est lourde, plus son inertie est grande, mais plus on a besoin d’énergie pour la mettre en mouvement. Il faut trouver le bon compromis. La pièce maîtresse permettant ce changement automatique du sens du courant est le collecteur. Le moteur à courant continu est le moteur le plus simple à concevoir, et une version stator-bobine rotor-aimant fonctionne tout à fait ! Il suffit de multiplier le nombre de spires de l’induit sur un même axe, et de reprendre le même principe pour avoir un effet plus évident et une plus grande inertie. Chaque boucle et montée de façon à ce que lorsque une partie de celle-ci se situe sous le pôle sud du stator, une autre du même ordre de grandeur se situe sous le pôle sud. A partir de là, on peut également multiplier le nombre d’aimants du stator. En mettant deux couple Nord-Sud, et en doublant le nombre de spires, lesquelles auront la situation similaire à un angle de +/-90°

Le saviez-vous ? L’entreferentreferentreferentrefer est l’intervalle entre le stator et le rotor.

20

Rendement

Pour une dynamo motrice (moteur) ou génératrice (générateur) le rendement est défini par le rapport

mécanique

électrique

P

P=η (générateur)

Et

électrique

mécanique

P

P=η (moteur).

Le rendement théorique est de 100%, mais comme ces deux rendements sont inférieurs à 1 la dynamo n'est pas exactementpas exactementpas exactementpas exactement une machine réversible.

La Puissance électriquePuissance électriquePuissance électriquePuissance électrique se calcule en mesurant le produit de la tension et de l’intensité entrant ou sortant de la dynamo.

La Puissance mécaniquePuissance mécaniquePuissance mécaniquePuissance mécanique quant à elle se mesure par le produit du Couple et de la Vitesse de rotation du rotor.

Les pertes sont dues aux : ----pertes cuivre dans l'induitpertes cuivre dans l'induitpertes cuivre dans l'induitpertes cuivre dans l'induit : RI2 (effet Joule) Solution : On adopte une densité de courant d'environ 4A/mm2 de telle sorte que les pertes par effet Joule ne dépassent pas 2% dans un système à pleine charge. ----dans l'inducteurdans l'inducteurdans l'inducteurdans l'inducteur : Solution : On augmentera volontiers le poids des bobines fixes ce qui permet d'augmenter la densité de courant et donc de réduire l'effet Joule. ----fer de l'induitfer de l'induitfer de l'induitfer de l'induit : si le flux est constant lespertes par hystérésis et courants de Foucault sont constantes. Solution : Comme elles augmentent avec l'induction on se limitera généralement à 1.2Wb/m2. On réduit les courants de Foucault en réalisant le tambour sous forme de disques séparés par un isolant (papier ou film plastique). L'ordre de grandeur de ces pertes est 1.5%.

-contacts des balaiscontacts des balaiscontacts des balaiscontacts des balais : L'effet Joule dans la résistance de contact diminue lorsque la charge augmente, on estime les pertes à 0.5%. -frottements et ventilationfrottements et ventilationfrottements et ventilationfrottements et ventilation : les frottements sur les paliers et le frottement de l'air sur les ailettes assurant le refroidissement consomment environ 1% de la puissance.

En conséquence le rendement d'un moteur à courant continu sera en moyenne de l'ordre de 93%. Il sera d'autant meilleur que la puissance sera élevée et bien sûr inférieur pour des "petites" dynamos (< 100kW !).

Le saviez-vous ? On appelle courants de Foucaultcourants de Foucaultcourants de Foucaultcourants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l'induction magnétique. Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystérésishystérésishystérésishystérésis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se superpose pas avec la courbe E = f(C) obtenue à la décroissance de C. Généralement, la raison en est que les variations de E se font avec un certain retard par rapport à celles de C, ce retard produisant des discontinuités lors des inversions de la variation de C.

21

Les moteurs à courant alternatifs.

On distingue les moteurs universels, synchrones et asynchrones, dont le stator ne diffère pas. L’avantage d’un moteur à courant alternatif est qu’il permet une puissance bien supérieure à la version à courant continu. Cela va de soi puisque les tensions les plus hautes sont généralement distribuées via un courant alternatif afin de faciliter le transport. Le principe du moteur à courant alternatif ne varie pas outre mesure de celui du courant continu si ce n’est quelques variantes au niveau du rotor concernant les moteurs synchrones et asynchrones. Concernant les moteurs universelsmoteurs universelsmoteurs universelsmoteurs universels, c’est un moteur à courant continu avec un stator feuilleté afin d'éviter que le courant statorique alternatif n'y induise trop de courants de Foucault. Leur avantage est de pouvoir délivré un fort couple. Les moteurs synchronesmoteurs synchronesmoteurs synchronesmoteurs synchrones sont utilisés dans les systèmes de traction. Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor). Le rotor, alimenté en courant continu, par un système de contacts glissants (bagues), crée un champ magnétique rotorique qui suit le champ tournant statorique avec un retard angulaire lié à la charge (plus la charge est importante, plus est grand). Ce moteur peut également être utilisé pour relever le facteur de puissance d'une installation. Il fournit alors de la puissance réactive au réseau (charge capacitive).

Les moteurs asynchronesmoteurs asynchronesmoteurs asynchronesmoteurs asynchrones, sont les plus répandus, grâce à son rapport qualité prix. Sa vitesse n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui le traversent. Ces machines étaient uniquement utilisées en moteur mais, grâce aux progrès de l'électronique de puissance, il est de plus en plus fréquent qu'elles puissent être utilisées en génératrice. Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour des applications de forte puissance, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés Un point majeur des moteurs électriques est qu’ils peuvent dans leur très grande majorité être utilisés également en générateur, tout en gardant le meilleur rendement connu à l’heure actuelle. Leur plus gros inconvénient réside dans la faible portabilité de son énergie. Ce point pourrait subir une grande évolution avec la mise au point de la pile à combustible ou des cellules photovoltaïques.

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Historique Des noms qui ont marqué leur temps.

Frank WhittleFrank WhittleFrank WhittleFrank Whittle Cet élève officier, rédigea sa thèse sur « les développements probables de l‘aviation future. » Il est persuadé que l’on peut propulser des avions par réaction et dépose un brevet en 1930.C’est le 12 avril

1937 qu’il crée son premier turboréacteur.

Composition d’un turboréacteur....

Hans Joachim Pabst Hans Joachim Pabst Hans Joachim Pabst Hans Joachim Pabst Von OhainVon OhainVon OhainVon Ohain Cet ingénieur allemand créa le premier turboréacteur allemand : le HES 1, proche du turboréacteur de Frank Whittle (1937). Améliorant son concept, il créa le HES B3. Et c’est le 27 Août 1939 que le premier avion à

turboréacteur du monde décolle : c’est le Heinkel He-178 expérimental.

Le Moteur à réactionLe Moteur à réactionLe Moteur à réactionLe Moteur à réaction

23

Entrée d’airEntrée d’airEntrée d’airEntrée d’air : Quand l'avion avance, l'air qui entre par ce conduit fournit l'air nécessaire au compresseur : il y a conservation de l'énergie cinétique de l'air en énergie de pression. Si l’entrée d’air est mal conçue, des turbulences ou phénomènes de traînée peuvent survenir. CompresseurCompresseurCompresseurCompresseur :::: il fournit la quantité maximale d'air sous pression qui peut être chauffée dans la chambre à combustion. Chaque étage du compresseur est constitué d'un disque mobile avec ses aubes, appelé rotor, et d'un disque d'aubes fixes, appelé stator. En tournant, les ailettes composant le rotor aspirent l'air. Le flux ainsi créé est stabilisé par le stator. Le compresseur permettra entre autre le refroidissement des parties les plus chaudes du moteur, la pressurisation des joints d'étanchéité, l'alimentation de la chambre de combustion en carburant. Le moteur est constitué de plusieurs compresseurs, notamment : - un compresseur basse pression où le rotor est de grande taille mais tourne lentement. - un compresseur haute pression où le rotor est de petite taille mais tourne à grande vitesse. - un compresseur moyenne pression ayant un rotor de taille et de vitesse intermédiaire. Celui ci peut, sur certain réacteur, s'intercaler entre les deux étages. Ces divers compresseurs sont composés d'ailettes de tailles différentes, tournant à des vitesses différentes afin que la compression progressive du flux d'air soit progressive.

Chambre deChambre deChambre deChambre de combustion combustion combustion combustion :::: elle transforme l'énergie chimique du carburant en énergie calorifique. L'air compressé est dirigé dans la chambre de combustion. Plus il y a d'air et plus il y a injection de carburant. Le mélange « air – carburant » s'enflamme, et par la chaleur produite, le mélange se dilate et une très grande force de poussée apparaît. Un réacteur comporte plusieurs chambres de combustion ou une seule dite annulaire (elle entoure l'axe central comme un anneau).

TurbineTurbineTurbineTurbine :::: elle transforme l'énergie cinétique et thermique des gaz en énergie mécanique. Elle est reliée au compresseur par un axe central. Quand les gaz d’échappement frappent les ailettes, la turbine tourne .et fait ainsi tourner le compresseur. C’est son rôle principal.

Remarque : il y a dans un moteur autant de turbine que de compresseur.

TuyèreTuyèreTuyèreTuyère :::: elle convertit la pression des gaz en énergie cinétique. Sa forme est étudiée de telle sorte que la pression des gaz à la sortie du moteur soit la plus faible possible mais qu'ils soient rejetés le plus rapidement possible. Le canal d'admission et le canal d'échappement sont donc fabriqués conformément à la loi de Bernoulli. Du coup, dans la tuyère, l'espace étant plus petit, la vitesse des gaz va augmente en faisant diminuer sa pression.

Le saviez vous ? C'est Daniel BERNOULLI, scientifique suisse, qui a découvert, au XVIIIème siècle, la loi suivante : plus un fluide se déplace rapidement, plus sa pression diminue.

24

Principe de propulsion par réaction.

Quelles forces s’exercent sur un avionQuelles forces s’exercent sur un avionQuelles forces s’exercent sur un avionQuelles forces s’exercent sur un avion ????

Il en existe quatre : -le poids -la poussée des moteurs -la portance -la traînée.

En plus de la portance générée, le passage de l'air du dessous de l'aile vers le dessus de l'aile crée deux tourbillons de bout d'aile qui vont accroître la portance.

Ces tourbillons génèrent aussi une traînée induite par la portance cause d'une petite vitesse verticale descendante induite par les tourbillons.

Le fuselage, les moteurs, et la dérive augmentent la traînée de l'avion. La portance est essentiellement donnée par l'aile et les stabilisateurs horizontaux.

La poussée d'un moteur à réaction (noté F) résulte du produit du débit de la masse d'air (noté m) par la différence entre la vitesse de sortie (notée Vs) et la vitesse d'entrée du flux gazeux (notée Ve) :

F=m (Vs-Ve)

Le saviez-vous ? Ces premiers turboréacteurs dits à simple flux, ont bien vite été mis à l’écart au profit de turboréacteurs à double flux (1946, le RATEAU SRA-1français). Et en 1960, c’est le turboréacteur à double flux qui est reconnu comme étant le meilleur moteur pour aviation de transport (au dessus de 550km/h)

25

Turboréacteurs à simple flux,

FonctionnementFonctionnementFonctionnementFonctionnement

De grandes quantités d’air vont entrer dans le compresseur. A l’intérieur du compresseur, l’air est comprimé, et la pression va augmenter

Ensuite, l’air comprimé est envoyé dans des chambres de combustion. A l’intérieur de celles-ci, l’air se mélange à du kérosène, ce qui crée un mélange explosif. Après combustion, une grande quantité de gaz chaud est expulsée violemment vers la tuyère. Simultanément, ces gaz vont faire tourner une turbine qui actionne le compresseur (grâce à un axe central liant turbine et compresseur)

Afin que le turboréacteur démarre, il faut que la vitesse de rotation de la turbine soit assez élevée. Pour ce faire, on rajoute des moteurs électriques très puissants à la turbine. De plus, pour que l’avion dépasse le mur du son, il nous faut plus de puissance : la poussée de postcombustion.

L'air rejeté par la chambre de combustion, même plein gaz, contient encore une grande quantité d'oxygène, il est donc possible d'injecter du carburant dans la tuyère. La puissance du turboréacteur est ainsi multipliée par deux.

Le saviez vous ? Un turboréacteur fait tellement de bruit que l’on limite son utilisation dans le domaine civil ! De plus, les "oiseaux" sont un vrai danger ! Eh oui, car le turboréacteur absorbe tout ce qui est à sa proximité, et si c’est un oiseau, on peut observer l’arrêt du moteur de l’avion en plein vol !

Heureusement pour nous, ceci ne s’est vu qu’a basse altitude (décollage et atterrissage)

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Turboréacteurs à double flux,

DécouvertesDécouvertesDécouvertesDécouvertes

Des ingénieurs ont découvert qu’on peut utiliser l’air situé à la périphérie des ailettes du compresseur en augmentant le diamètre du compresseur à basse pression.

Ainsi, à puissance égale, le diamètre du réacteur à double flux doit être plus grand que celui du réacteur classique.

Le taux de dilution, qui était inférieur à 1 pour les premiers réacteurs à double flux augmente progressivement de nos jours.

Fonctionnement du turboréacteur à double flux. L'accélération donnée d'une masse d'air donnée produit une force qui augmente quand on accroît l'accélération de l'air ou la quantité d'air déplacée. Or dans un turboréacteur à double flux, les gaz à la sortie des tuyères sont animés d'une vitesse plus faible qu'à la sortie du turboréacteur. La quantité d'air déplacée est nettement plus grande et la poussée l'est donc aussi. Une partie seulement de l'énorme quantité d'air aspirée est utilisée comme comburant alors qu'un conduit dévie le reste à l'arrière du réacteur.

Le moteur à réaction est un moteur à gaz fonctionnant selon le cycle decycle decycle decycle de Joule Joule Joule Joule----BraytonBraytonBraytonBrayton.

RendementRendementRendementRendement

La consommation en kérosène de ce type de réacteur est moindre que celle d'un turboréacteur traditionnel. Cela s'explique de la façon suivante : le surplus d'air qu'apporte la soufflante n'est pas brûlé mais augmente, tout de même, sa poussée. Il y a donc un meilleur rendement. Les gaz d'échappement sont noyés dans le flux d'air supplémentaire. Il en résulte une nette diminution du bruit issu de la combustion et des organes en mouvement. Ce résultat a induit une quasi obligation de commercialisation d'avion avec ce type de réacteur pour une amélioration de la qualité de vie à bord de l'avion mais aussi aux abords des aéroports.

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Description du Description du Description du Description du Cycle de Joule ou GCycle de Joule ou GCycle de Joule ou GCycle de Joule ou G .Brayton.Brayton.Brayton.Brayton.... Le moteur à réaction fonctionne par éjection a grande vitesse de gaz de combustion. Le cycle est composé de deux transformations adiabatiques (1-2 de compression et 3-4 de détente motrice) et de deux isobares (2-3 et 4-1). Remarque : les quantités de chaleur sont reçues à pression constantes, et une masse déterminée de fluide décrit un cycle fermé. Ce cycle est utilisé dans les moteurs de fusées et les turbines de gaz où le travail fourni au milieu extérieur ne sert pas à la propulsion, mais à la mise en rotation d’une machine tournante (un alternateur pour la production d’électricité par exemple).C’est aussi le cas des statoréacteurs,des turboréacteurs,et des turbopropulseurs.

Rendement du moteur à réaction.Rendement du moteur à réaction.Rendement du moteur à réaction.Rendement du moteur à réaction.

23

1411HH

HH

Q

Q

Q

W

c

f

c −−

−=+=−=η

Les chemins 2-3 et 4-1 sont isobares. De ce fait :

23

141TT

TT

−−

−=η

Soit le taux de compression : 2

12,1

V

V=α

γ1

1

1

2

1

2

−

=

p

p

T

T,

γ1

1

1

2

4

3

−

=

p

p

T

T

et γγ

α 2,1

2

1

1

2 =

=

V

V

p

p

d’où :

1

2,1

14

23

4

3

1

2 −=−−

== γαTT

TT

T

T

T

T

1

3

4

23

14 1111 −−=−=

−−

−= γαη

T

T

TT

TTm

On remarque donc que le rendement de ce cycle est identique à celui de Beau de Rochas, utilisé dans un moteur à explosion, à un même taux de compression. Le taux de compression d’un réacteur est couramment de 16. Le rendement est donc de 67% dans le cas idéal. Néanmoins, en prenant en compte quelques pertes, on tombe vite à un rendement de 56%. Il est donc raisonnable de dire que le rendement d’un moteur à réaction s’échelonne de 56 à 67%.

)(

)(

4141

2323

TTCHHQ

TTCHHQ

pf

pc

−=−=

−=−=

28

Quelques définitionsQuelques définitionsQuelques définitionsQuelques définitions : : : : TurbocompresseurTurbocompresseurTurbocompresseurTurbocompresseur : : : : c'est un turboréacteur simple auquel un compresseur supplémentaire (de grande taille) à été ajouté (appelé la soufflante).Il fonctionne comme un turboréacteur simple.

Compresseur basse pressionCompresseur basse pressionCompresseur basse pressionCompresseur basse pression (BP) : il est constitué d'un ou plusieurs rotors dont le diamètre est souvent trois fois supérieur à celui d'un compresseur moyenne pressioncompresseur moyenne pressioncompresseur moyenne pressioncompresseur moyenne pression (MP). C'est aussi le compresseur qui tourne le plus lentement, mais il brasse d'importante quantité d'air dont une grande partie est déviée directement à l'arrière du réacteur.

StatoréacteurStatoréacteurStatoréacteurStatoréacteur :::: Cylindre de section variable (la tuyère) dans lequel on fait réagir le carburant avec l’air entrant et dans lequel on fait aussi détendre les produits de la combustion .

Le saviez vousLe saviez vousLe saviez vousLe saviez vous ???? Un turboréacteur est un statoréacteur muni d’un compresseur auxiliaire entraîné par une turbine. Si la turbine entraîne une hélice, on a réalisé un turbopropulseur

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Fonctionnement d’une machine à vapeur dans une centrale nucléaire.

Le fluide reçoit une quantité de chaleur Q 1

d'une source chaude (chaudière). Il fournit un travail W au milieu extérieur (turbine) et une quantité de chaleur Q 2 à une source froide (condenseur). La chaleur n’est plus produite par la combustion du charbon, mais par la fission de l’uranium..

Cycle de HirnCycle de HirnCycle de HirnCycle de Hirn

C'est un cycle avec surchauffe, qui est composé des opérations suivantes : - Echauffement de l'eau saturante depuis la température du condenseur jusqu'à la température d'ébullition , sous une pression de 50 bars (ou 50 kg/cm2 ). - Vaporisation de l'eau dans la chaudière à pression et température constantes (P=50 bars). - Echauffement de la vapeur sèche toujours sous la même pression jusqu'à une température de 350°C. - Détente isentropique (S=constante) avec production de travail (au niveau de la turbine) jusqu'à un titre de 0,8. - Liquéfaction totale de la vapeur dans le condenseur à pression et température constantes.

Rendement thermodynamique

Par définition, c'est le rapport entre le travail produit et la quantité de chaleur reçue :

D’autres Moteurs. D’autres Moteurs. D’autres Moteurs. D’autres Moteurs.

La surchauffe permet d’augmenter le rendement de la machine, et de réduire l’humidité de la vapeur ce qui entraîne une prolongation de la durée de vie d’une turbine.

30

Moteur à hydrogène.

Le moteur à hydrogène (ou a eau) est un moteur à combustion interne utilisant l'hydrogène comme carburant. Souvent improprement nommé « moteur à eau », ce moteur a comme principal avantage de réduire les émissions polluantes par rapport aux moteurs à hydrocarbures, ainsi que d'avoir un combustible présent entre autre dans l'eau et donc en réserves (quasi) illimitées L'hydrogène possède une énergie massique de combustion très importante, mais comme c'est également l'élément le plus léger, l'énergie volumique de combustion est faible. Dans le cas d'un véhicule, où l'énergie volumique doit être la plus forte possible, le problème du stockage de l'hydrogène ou de sa production à bord se pose. Un moteur à explosion ne peut fonctionner à l'hydrogène, mais il existe toutefois des alternatives comme la quasi turbine (fonctionnant avec la très grande majorité des combustibles explosifs) ou le moteur Wankel (même principe). La nature fortement inflammable de l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air fait souvent craindre les risques d'explosion quand il est stocké en quantité. Les catastrophes qui ont touché des dirigeables gonflés à l'hydrogène n'ont pas été oubliées. On notera toutefois que l'hydrogène est très volatil et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que s’il entre facilement en combustion, les véritables explosions sont très rares.

C'est un moteur qui utilise un combustible énergétiquement très rentable, renouvelable et non polluante, mais qui en contre partie a besoin d'être stocké grâce à des compressions ou procédés "éponges" qui demandent une dépense d'énergie rien que pour son conditionnement dans des fins de transport.

Le saviez-vous ? Il existe différents pouvoirs calorifiques Inférieurs (PCI) : - Essence : 43.8 MJ/kg - GPL : 46.1 MJ/kg - Gazole : 42.5 MJ/kg - Kérosène : 43.3 MJ/kg - Bois : 17 MJ/kg - Charbon

• Lignite : 15 MJ/kg • Houille : 33 MJ/kg • Anthracite : 35 à 36 MJ/kg

- Pétrole brut : 42 MJ/kg - Méthane : 45 MJ/kg - «Uranium» 2.85 TJ/kg (dans une centrale nucléaire française) (On ne tient compte ici que de la chaleur dégagée utilisable, on fait abstraction de la condensation de l’eau c’est à dire de la chaleur latente)

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Moteur à air Développé en 1820 pour les chemins de fer et peu connu, le moteur fonctionnant à l'air existe bien. Il utilise la détente de l'air comprimé pour entraîner un moteur à piston. Sûr et complètement écologique son rendement reste toutefois discutable car il faut au préalable compresser l'air ce qui entraîne malgré tout des dépenses d'énergies. De plus, l'air n'est actuellement pas comprimable en système embarqué ce qui pose à nouveau le problème de la portabilité de cette énergie.

Moteur hybride Le moteur hybride est simplement le couplage d’un moteur électrique à un moteur à explosion utilisé uniquement lorsqu’une forte puissance est nécessaire. C’est un très bon compromis car il contre la pollution inutile des automobile en ville lorsque le moteur tourne à faible régime. Le moteur électrique prend alors le relais et aucune pollution n’est générée. Le moteur hybride aura un avenir certain avec la mise au point de la pile à combustible. Bio moteur C’est un moteur à explosion utilisant les biocarburants tels que huiles (de tournesol entre autres), gaz naturel, éthanol (betterave) et autres alcools. C’est une solution parmi d’autres de réduire de manière significative la pollution due aux hydrocarbures. Néanmoins il faudrait recouvrir la France entière de champs de betterave pour alimenter le parc automobile français en éthanol, ce qui pose un autre problème.

Le saviez-vous ? Parmi les premiers moteurs on peut assurément citer la roue à aube utilisant l'énergie potentielle de l'eau, ou la voile ou hélice des moulins utilisant l'énergie cinétique du vent. Le tout premier restant certainement le moteur moléculaire à l'origine du mouvement des êtres vivants (et dont le rendement de l'ordre des 60-70% est l'un des meilleurs connu).

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De nos jours, les moteurs sont une source de travail indispensable à notre niveau de confort. Automobiles, machines à laver, aéronautique, centrales nucléaires, génératrice, moyens de transports en tout genre, grues. On ne peut plus s'en passer. Néanmoins, il existe des manières de les utiliser qui pourraient accroître leur rendement ain de délivrer plus de travail tout en consommant moins d'énergie. A une époque où les combustibles fossiles se raréfient à une très grande vitesse, et où la production d'électricité (lorsqu'elle n'est pas produite à l'aide de la combustion des combustibles fossiles à nouveau) produit une quantité non négligeable de déchets radioactif, il est urgent de savoir mettre en valeur l'efficacité des moteurs. Nous avons observé que le moteur électrique avait le meilleur rendement en comparaison aux moteurs à explosion, à réaction et à vapeur, néanmoins il faut d'abord produire l'électricité utile, ce qui remet en doute le rendement réel.

Le moteur à explosion quant à lui, le plus utilisé, ne sera pas délaissé une fois le pétrole retiré du marché. Il fonctionnera en libérant moins de pollution grâce aux biocombustibles pour un rendement tout aussi bon et qui devrait tendre à s'améliorer avec les progrès de la thermique. Les machines à vapeur et moteur à réaction n'ont pas, eux non plus fini de nous servir et bénéficie d'un très bon rendement, encore améliorable. Le moteur parfait sera certainement non polluant, puissant, facilement embarquable et utilisant des énergies renouvelables tels que l'énergie solaire, éolienne ou le combustible hydrogène ou l'air. La recherche n'a pas dit son dernier mot.

Conclusion.Conclusion.Conclusion.Conclusion.

Bibliographie.Bibliographie.Bibliographie.Bibliographie. • Wikipedia.org :

o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_explosions o http://fr.wikipedia.org/wiki/Canon_magnétique o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_électrique o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_réaction o http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_à_vapeur

• Encyclopédie Universalis • Technologie Fonctionnelle de l’Automobile ; H. Mèmeteau ; Ed.Dunod • Introduction au traitement de l’énergie électrique ; Georges Pierron ; Ed. Ecole des Mines de Paris • http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/thermo/rochas.html • Moteurs à Essence Tomes 1 et 2 ; B. Derreumaux ; Ed. ETAI • Thermodynamique Fondements et applications ;José-Philippe Pérez ; Ed Dunod