Le cycle dans les moteurs
1- Allumage par étincelle - moteur essence
c- séparation des pertes de temps et pertes de chaleur
d- analyse quantitative des pertes
b- cycle équivalent - cycle réel / actuel
c- écart entre ces deux cycles
1- Allumage par étincelle - moteur essence
a- les cycles
0-1 : admission ; 1-2 : compression ; 2-3 : combustion ; 3-4 : détente ; 4-1 : échappement
Le cycle représenté par un trait noir est le cycle équivalent " Fuel-Air Cycle ".
Le cycle représenté par le trait rouge est le cycle actuel. Au point (a), il se produit une augmentation rapide de pression dûe à l'allumage.
Nous constatons qu'entre ces deux cycles, des différences apparaissent. Nous allons voir d'où proviennent ces écarts, quels sont les phénomènes qui interviennent.
b- analyse des écarts
Ces écarts ont différentes origines.
1/ Fuite :
Excepté à des vitesses du piston très faibles, cette valeur de fuite est insignifiante pour des moteurs bien réglés.
2/ Combustion incomplète :
Lors de cette combustion, les surfaces moins chaudes de la chambre de combustion vont refroidir les gaz et ainsi diminuer la combustion.
3/ Embrasement progressif :
Le temps nécessaire à la combustion varie en fonction de la forme et de la taille de la chambre de combustion et enfin des conditions de focntionnement du moteur (surtout la vitesse). Notamment, les meilleures puissance et efficacité sont obtenues lorsque les points a et b sont excentrés de la même valeur angulaire (par rapport au centre). Pour expliquer ce phénomène d'embrasement progressif, nous pouvons mettre en relief certaines hypothèses :
la vitesse du piston est négligeable lors de la combustion
- à tout instant, la pression dans le cylindre est partout la même.
- les réactions chimiques interviennent seulement au front de flamme.
- le processsus est adiabatique.
4/ Pertes de temps, "time losses" :
Elle apparaît durant le mouvement du piston. La valeur de cette perte est visualisable sur le diagramme (p,V) par l'aire représentée en vert. Elle provient de la perte de travail engendré par le fait que le piston bouge lors de la combustion.
5/ Pertes de chaleur :
Dans la plupart des transferts, le transfert de chaleur durant la compression vers le point où la combustion démarre est une quantité négligeable. Il y a de plus une autre perte de chaleur qui se produit lors de la détente. Cette perte est visualisable sur le diagramme (p,V) par l'aire représentée en bleu.
6/ Pertes des soupapes :
Ces pertes sont dûes à l'ouverture des soupapes d'échappement au niveau du point c, avant d'avoir atteint le point bas de la chambre. Cette ouverture "prématurée" est souhaitée afin de minimiser les pertes lors de l'échappement dans les moteurs 4 temps mais aussi d'avoir assez de temps pour la récupération dans les moteurs 2 temps. Cette perte apparaît sur le diagramme (p,V), c'est l'aire représentée en rouge.
c- Séparation des pertes de temps et pertes de chaleur
Dans un cycle réel, nous pouvons séparer les effets dûs au temps et ceux dûs aux pertes de chaleur.
1/ Perte de temps isolée- Perte de chaleur nulle
Le cycle représenté par la courbe noire est le cycle équivalent.
Le cycle représenté par la courbe rouge est le cycle actuel.
Le point b est plus haut que la ligne de détente du cycle équivalent car il y a eu moins de travail étant donné qu'il n'y a pas de perte de chaleur.
PerteW = Aire_verte - Aire_rouge
Wobtenu/détente < PerteW
2/ Combustion instantanée
Le cycle représenté par la courbe noire est le cycle équivalent.
Le cycle représenté par la courbe rouge est le cycle actuel.
La pression maximale à la combustion diminue et la détente diminue la pression plus rapidement qu'une loi isentropique.
PerteW = Aire_verte
d- Analyse quantitative des pertes
2- Moteur diesel
a- Processus de combustion
Le cycle représenté en noir est le cycle fuel-air (diesel).
Le cycle représenté en rouge est le cycle actuel.
Lors de la combustion dans un moteur diesel, plusieurs phénomènes temporels interviennent.
1/ Entre le début de l'injection ti et l'apparition de la première flamme, il y a un retard delta t :
delat t = ta - ti > 0
2/ Cette période retardataire est suivie d'une rapide augmentation de pression. Si ce retard delta t est aussi long ou plus long que la durée d'injection, la majorité du fuel brûle lors de la période d'augmentation de pression.
3/ Par la suite, il se produit une combustion relativement lente tant que le carburant non brut trouve suffisamment d'oxygène. Cette combustion dure en général jusqu'à la phase de détente.
4/ La période d'augmentation de pression et la période suivante de combustion varient avec la forme et les conditions opératoires. Ces paramètres peuvent être contrôlés par les temps d'injection, des caractéristiques du spray et la composition du fuel.
Dans l'expérience, nous constatons que les moteurs diesel peuvent fonctionner avec une combustion très rapide, c'est-à-dire une combustion à volume constant et ceci lorsque le retard est assez long pour que le carburant soit bien mélangé et évaporé avant le début de la combustion. Mais ce phénomène est à éviter car il engendre de fortes hausses de pression.
Dans la réalité, le système d'injection et les conditions opératoires sont choisies pour limiter ces augmentations et la valeur de la pression maximale.
b- Cycle équivalent - Cycle réel / actuel
Le cycle équivalent à volume constant représente le maximum de rendement et d'efficacité pour les moteurs diesel et sera utilisé comme base de comparaison entre les différents types de fonctionnement. Cependant, en raison d'une limitation de la pression maximale, le cycle équivalent air / carburant à pression limitée est toujours choisi come base d'évaluation des cycles actuels diesel, comme pour celui des cycles d'allumage par étincelle.
c- Ecarts entre ces deux cycles
Les raisons de ces différentes pertes sont identiques à celles de l'allumage par étincelle :
- fuite
- perte de chaleur
- perte de temps
- perte lors de l'échappement
Les pertes dûes à une combustion et un mélange incomplets sont comprises dans la perte dûe au temps étant donné que la phase de combustion arrive lors du processus de mélange. Ainsi, excepté les pertes dûes au temps, toutes les autres peuvent être considérées équivalentes à celles intervenant pour un cycle à allumage par étincelle.
1/ Pertes de temps
Elles dépendent des conditions opératoires, du carburant, du système d'injection et des dimensions de la chambre de combustion.
2/ Température
Elle est non uniforme du processus de combustion. Selon les expériences, la petite majorité de la phase de combustion apparaît être à température constante.
3/ Taux de masse brûlée
Pour l'allumage par étincelle, le taux de masse brûlée augmente jusqu'à un maximum à la fin du processus.
Pour le diesel, l'oxygène diminue au cours de la combustion. En fin de combustion où l'oxygène se fait plus rare, les processus de mélange et donc de combustion sont ralentis.