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Technologie des moteurs à combustion
Introduction
De la grande famille des moteurs alternatifs à combustion interne on a le moteur à allumage commandé (AC) ; c’est l’un des moteurs qui produisent du travail par action directe sur un piston de la pression provenant de l’inflammation d’un mélange combustible, avec transformation du mouvement alternatif en rotation par
l’intermédiaire d’un système bielle-manivelle.
Le terme « allumage commandé » vient de ce que l’inflammation est initiée au moyen d’une étincelle, généralement d’origine électrique, en un moment bien déterminé du cycle. L’alimentation avec des mélanges homogènes d’air et de vapeur de carburant est indispensable pour assurer un bon allumage, ce qui impose des carburants de bonne volatilité, telles les essences de pétrole, d’où son appellation, plus familière, de « moteur à essence ». Son omniprésence dans le domaine de la traction routière, et particulièrement dans celui de l’automobile et à l’origine de sa grande popularité ; rares sont les propulseurs capables actuellement de le concurrencer dans cette utilisation.
Histoire des moteurs allumages commandés :
Dès la fin du XVIIe siècle, les précurseurs Haute feuille et Huygens avaient conçu le principe du moteur alternatif à combustion interne et réalisé des applications.
Ils furent suivis par les Français Lebon et Lenoir en 1860, qui construisirent les premiers moteurs à allumage commandé, alimentés au gaz et fonctionnant selon un cycle à 2 temps. Le principe du moteur à 4 temps est énoncé pour la première fois en 1862 par Beau de Rochas ; en 1876 l’allemand Otto construit un premier moteur selon ce principe. Les besoins de l’automobile et de l’aéronautique naissantes, ainsi que la disponibilité de carburants nouveaux issus du pétrole, se conjuguent ensuite pour accélérer l’évolution des moteurs thermiques alternatifs, marquée par les noms de Benz, Daimler, De Dion, Bouton, Wright, Le vavasseur, Seguin, Renault, etc.
D’une technologie commune à l’origine, les moteurs d’aviation et d’automobile se différencient dès la première décennie du XXe siècle, ces derniers profitant ensuite des acquis de la formidable course à la puissance et à la fiabilité qui marque le domaine aéronautique entre les deux guerres.
La Seconde Guerre mondiale correspond à une apogée de la technologie du moteur à allumage commandé, avec des réalisations qui tendent au gigantisme pour les besoins de puissance sans cesse accrus de l’aviation.
Un rapide déclin s’amorcera dans les années 1950 lorsqu’apparaîtront les propulseurs à turbine, qui depuis ont relégué définitivement les « moteurs à pistons » dans le domaine des faibles puissances (moins de 400 kW). Désormais, le moteur à allumage commandé est surtout un propulseur pour l’automobile et dans cette utilisation, ses niveaux de fiabilité et de rapport performances/coût sont devenus tels que son remplacement définitif en faveur de systèmes plus évolués, c’est-à-dire plus économes et moins polluants (moteur électrique, turbine…), n’est pas envisagé avant la deuxième moitié du XXIe siècle.
Ensemble d’organe de moteur à essence
Analyse fonctionnelle
Le fonctionnement du moteur thermique est assuré par l’association de quatre grands groupes fonctionnels.
Le système regroupe tous les systèmes à fonctions mécanique. Il se divise en deux parties :
Partie fixe
Partie mobile
Eléments de distribution
Axe des culbuteurs
Présentation des organes fixes et mobiles d’un moteur à essence
Description des éléments fixes
Le bloc-cylindres (bloc moteur)
C’est la partie centrale du moteur, considérée parmi les organes principaux et qui supporte les autres constituants.
Fonction
Le bloc-cylindres permet, de guider en translation les pistons tout en résistant au différentes contraintes de pression et de température, de contenir l’eau de refroidissement et d’évacuer la chaleur produite par la combustion des gaz.
Matière
Le matériau constituant le bloc-cylindres doit satisfaire un compromis des conditions de bonne résistance aux pressions élevées et à l’usure, de bonne résistance au frottement dans le cas de cylindres alésés, une meilleure aptitude au moulage et une bonne conductibilité de la chaleur pour un refroidissement rapide. La fonte grise et les alliages légers à base d’aluminium et de silicium (Alpax) sont les plus favorisés par les constructeurs automobiles.
Forme et réalisation
Le bloc-cylindres est d’une forme très compliquée fonction du nombre des pistons (multicylindres) et de leur disposition (en ligne, en V..), sa partie supérieure qui enveloppe les cylindres comporte des chambres de circulation d’eau de refroidissement et recevant sur sa face supérieure la culasse. Sur sa partie inférieure on distingue les paliers de vilebrequin et une face inférieure sur laquelle doit se fixer le carter à huile. Selon le constructeur on peut rencontrer des blocs-cylindres conçus avec des cylindres alésés difficiles à remplacer et des blocs-cylindres conçus pour recevoir des chemises ajustées faciles à remplacer, sèches ou humides. Selon la conception du moteur, le bloc-cylindres peut comporter l’emplacement d’arbre à cames et des alésages de commande d’ouverture de soupapes ainsi que l’entrainement et la fixation de la pompe à huile.
La culasse
Elle se trouve sur le bloc-cylindres et sous le cache-culbuteurs (cache soupapes), avec le joint de culasse elle assure l’étanchéité de la chambre de combustion audessus des têtes des cylindres.
Fonction
C’est de contenir la chambre de combustion ou de compression et des organes de distribution, d’admission et d’échappement. A travers des chambres de circulation d’eau, selon le moyen de refroidissement, elle permet également l’évacuation de la chaleur produite par la combustion.
Matière
Pour les mêmes raisons que le bloc-cylindres, on peut employer les alliages légers, l’aluminium ou la fonte.
Forme et réalisation
De forme aussi compliquée que le bloc-cylindres mais de taille inférieure, la culasse comporte le plan de joint, une face rectifiée pour l’assemblage étanche avec le bloc-cylindres. Sa forme doit permettre les meilleures conditions d’une combustion complète et étanche pour une plus grande puissance et un bon rendement du moteur à explosion.
La réalisation dépend principalement des difficultés du moulage et des usinages, du mode de refroidissement (conduction, convection..), de la position et du nombre des soupapes (soupapes latérales MSL, soupapes en tête MST), de la forme de la chambre de combustion, du nombre et de l’emplacement de l’arbre à came.
Les carters
On Distingue le carter d’huile, le carter de distribution et le carter cache culbuteurs (cache soupapes) ou couvre culbuteurs.
Le carter d’huile
C’est le carter inférieur, en dessous du bloc-cylindres, servant de réservoir contenant l’huile de graissage et de lubrification des organes mobiles du moteur.
Le carter de distribution
C’est un organe qui couvre la chaine de distribution, jouant le rôle de couvercle de protection des éléments mobiles de la distribution (roues dentées, chaine, tendeurs).
Le carter cache culbuteur (cache soupapes)
C’est le carter supérieur, en tôle emboutie juste au-dessus de la culasse, il couvre les culbuteurs, il comporte le bouchon de remplissage de l’huile moteur et forme à l’aide de ses joints une enceinte étanche avec la culasse.
Les collecteurs
Les collecteurs sont des tubulures qui ont pour rôle pour certains de conduire les gaz frais aux soupapes d’admission, et pour certains autres d’évacuer les gaz brulés vers le silencieux d’échappement. Le nombre des cylindres et leur disposition ainsi que la position des soupapes influent sur la forme de ces collecteurs.
Collecteur d’admission
Ce collecteur est une tubulure en alliage léger placée entre le carburateur et la face latérale de la culasse. Grâce à un plan de joint recevant des joints métalloplastiques ou graphités, on réalise ainsi un conduit étanche du carburant vers les soupapes d’admission. Selon le constructeur, les sections adoptées pour ce collecteur doivent être suffisamment larges et ne doivent pas présenter de coudes brusques pour garantir un mélange gazeux plus homogène et un remplissage correct.
Collecteur d’échappement
Ce collecteur est une tubulure reliant la face latérale de la culasse, comportant les orifices d’échappement des gaz brulés, avec le silencieux d’échappement.
Les gaz brulés s’échappent à température et vitesse importantes, ce qui conduit à mettre un contact suffisant entre le collecteur d’admission et celui d’échappement pour réchauffer le gaz d’admission avant de le mettre dans la chambre à combustion.
Description des éléments mobiles
C’est un système bielle manivelle qui transforme le mouvement linéaire alternatif des pistons dans les cylindres en un mouvement de rotation continue d’un volant moteur.
Le piston
Bien que tous les pistons aient la même fonction, il existe beaucoup de paramètres pour les définir.
Les plus courants sont : jupe droite ou échancrées, jupe fendue ou non, trous de graissage en fond de gorge du (des) segment (s) racleur (s), trou de passage de clavette de pied de bielle, tête plate, tête creuse, tête bombée, empreintes des soupapes sur la tête.
Fonction
Transmettre l’effort presseur des gaz brulés sur le fond du piston à la bielle à travers l’axe d’articulation. Il véhicule l’énergie crée par l’explosion jusqu’au vilebrequin en passant par la bielle.
Matière
Le piston est généralement en alliage léger d’aluminium, aluminium coulé ou forgé, mais aussi exceptionnellement en fonte.
Il doit résister aux conditions sévères de fonctionnement dues à une variation des contraintes mécaniques et thermiques.
Le piston doit être de faible inertie, de petite masse, bon conducteur thermique,facile à mouler, facile à usiner .
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Table des matières
Table des matières
Résumé
Abstract
الملخص
Nomenclature
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
I.1 introduction
I.2 historique – les différents types de moteurs
I.3 classification des moteurs thermiques
I.3.1 moteur à combustion externe
I.3.1.1 sans changement de phase
A. Moteur stirling
1. Les types de moteur stirling
B. Moteur ericsson
1. Le principe
2. Utilisation du moteur ericsson
I.3.1.2 avec changement de phase
A. Machine à vapeur
1. Le principe de fonctionnement
2. Fonction de machine à vapeur et leur utilisation
I.3.2 moteurs à combustion interne
Chapitre I : Technologie des moteurs à combustion
I.3.2.1 moteur à combustion continue (turbomachines)
A. Turbine à gaz
I.3.2.2 moteur à cyclique
A. Moteur à piston rotatif (wankel)
1. Cycle du moteur wankel
2. Avantages
3. Inconvénients
B. Moteurs alternatifs
1. Les moteurs à allumage commandé : moteur à essence
2. Les moteurs à allumage par compression diesel
3. Classification selon le cycle thermodynamique
les differentes etapes du cycle quatre temps
II.1 Introduction
II.2 Histoire des moteurs allumages commandés
II.3 Ensemble d’organe de moteur à essence
II.4 Analyse fonctionnelle
II.5 Présentation des organes fixes et mobiles d’un moteur à essence
II.5.1Description des éléments fixes
A.Le bloc-cylindres (bloc moteur)
Fonction
Matière
Forme et réalisation
B.La culasse
Fonction
Matière
Forme et réalisation
Chapitre II : la technologie de moteur essences
C.Les carters
D.Le carter d’huile
E. Le carter de distribution
F. Le carter cache culbuteur (cache soupapes)
G.Les collecteurs
H.Collecteur d’admission
I. Collecteur d’échappement
II.5.2Description des éléments mobiles
A.Le piston
Fonction
Forme et réalisation
3. La bielle
Fonction
Matière
Forme et réalisation
4. Le vilebrequin
Fonction
Matière
Forme et réalisation
5. Le volant moteur
Fonction
Matière
Forme et réalisation
II.5.3Les organes de distribution
1. L’arbre à cames
Fonction
Matière
Entraînement de l’arbre à came
2. Les soupapes
Fonction
Matière
Forme et réalisation
3. Les ressorts de soupapes
II.5.4Les éléments intermédiaires
1. Culbuteurs
2. Tiges de culbuteur
3. Poussoirs
II.6 SYSTEME D’ALLUMAGE
1. Fonction de l’allumage
2. Création de l’arc électrique
3. Principe de fonctionnement
4. Différents types d’allumage
A.L’allumage classique par batterie
Principe de fonctionnement
Les organes de l’allumage
l’allumeur
La bobine
La bougie d’allumage
B.Allumage électronique
Principe de l’allumage électronique
II.7 SYSTEME D’ALIMENTATION
II.7.1Les principes de carburation
Carburation
Dosage
Vaporisation
Homogénéité
II.7.2Alimentation en carburant
II.7.3Le chemin itinéraire du carburant (essence)
Le réservoir
Pompe à essence
A.Mécanique
B.Électrique
Clapets anti-retour
Clapet de coupure de carburant
Séparateur de bulles de gaz
Clapets de réduction de pression (Le régulateur de pression)
Filtre à carburant (Filtre à tamis)
II.7.4Système à carburateur
Carburateur (moteur essences anciens)
Description du carburateur
A.Circuit d’alimentation
B.Circuit de ralenti
C.Circuit principal
D.Circuit de pompe de reprise
E. Circuit d’enrichissement de puissance
II.8 Système d’injection
II.8.1Principe de fonctionnement
II.8.2Avantages du système d’injection
II.8.3Différents systèmes d’injection
A.Injection K-Jetronic
B.Injection L-Jetronic
II.9 Alimentation en comburant (air)
II.9.1Les composants des installations d’alimentation en comburant (air)
A.Filtre à air
B.Débitmètre d’air
C.Collecteur d’admission
D.Soupape admission
E. Boitier papillon (essence sans carburateur)
F. Turbocompresseur
Echangeur / Intercooler
II.10Les étapes de l’évolution l’admission de comburant (Air)
II.11Technologie pour améliorées performance des moteurs essences
II.11.1 Cylindrée variable
II.11.2 Calage variable des soupapes
II.11.3 Conclusion
III.1 Introduction
Chapitre III : la suralimentation
III.2 Histoire de la suralimentation
III.3 Modes de suralimentation
III.3.1Suralimentation par générateur de gaz (ou compresseur) entraîné par le moteur
III.3.2 Machine volumétrique
III.3.3 Les machines à transfert
III.3.4 Le compresseur à vis
III.3.5 Machine cinétique
III.4 Suralimentation par procédé Hyperbare (applicable au diesel)
III.5 Suralimentation par turbocompresseur libre
III.5.1 Le turbo
III.5.2 Le principe de fonctionnement du turbo
III.5.3 Adaptation du turbocompresseur au moteur
III.5.4 La technologie de turbo avec les moteur diesel
III.5.5 Le turbo de Moteur Diesel automobile
III.5.6 Sensibilité du moteur Diesel à la suralimentation
III.5.7 Moteur à essence automobile
III.5.8 Types de turbocompresseurs
III.5.8.1 Single-Turbo
III.5.8.2 Twin-Turbo
III.5.8.3 Twin-Scroll Turbo
III.5.8.4 Turbo à géométrie variable
III.5.8.5 Turbocompresseur électrique
III.5.9 Caractéristiques de la boucle de suralimentation
III.5.10 Besoin en air du moteur
III.5.11 Performances actuelles des moteurs suralimentés par turbocompresseur
III.5.11.1 Compression de l’air d’admission
III.5.11.2 Refroidissement de l’air d’admission
III.5.12 Utilisation de l’énergie des gaz d’échappement
III.5.13 Énergie récupérable dans les gaz d’échappement
III.5.14 Caractéristiques fonctionnelles
III.5.15 Compresseur centrifuge
III.5.16 Courbes caractéristiques
III.5.17 Limites d’utilisation
III.5.18 Choix et adaptation du compresseur
III.5.19 Turbine radiale centripète
III.5.20 Courbes caractéristiques de la turbine
III.5.21 Choix et adaptation de la turbine
III.5.22 Technologie du turbocompresseur
III.5.22.1 Matériaux
A. Roue de turbine
B. Roue de compresseur
IV.1 Introduction
IV.2 La modélisation de la combustion
IV.2.1 Influence de la pression sur la combustion essence
IV.2.2 Modèle physique de chambre de combustion
A) Propriétés du carburant (n-heptane)
A) Propriétés du comburant (air)
IV.2.3 Formulation mathématiques
IV.2.4 Équations de bilan pour un écoulement réactif laminaire
A. Équations de conservation de la masse
B. Équations de conservation de la quantité de mouvement
C. Équations de conservation de l’énergie
D. Moyenne de Reynolds et Favre
E. Equation de conservation de l’espèce chimique
F. Equation de conservation de la quantité de mouvement
G. Equation de conservation d’énergie totale
H. Le modèle (𝒌, 𝜺) standard
I. Modèle EDM pour la combustion turbulente
IV.2.5 Les conditions Initiale et aux limites
IV.2.6 Simulation numérique
A. Création de la géométrie de chambre
IV.2.7 Résultat et discussion
A. L’équation de la combustion de mélange n-heptane/air
Chapitre IV : Application sur la suralimentation essence
B. Etude thermique pour différent pression d’air
C. L’influence de pression sur la zone de la réaction
IV.3 Influence de la pression sur les performances du moteur
IV.4 Description du cycle théorique beau-de-rochas (d’Otto)
IV.5 Formules des caractéristiques de thermodynamique de cycle de beau de rochas
IV.5.1 Travail – couple – puissance
IV.5.2 Le travail fourni
A. La puissance est donc
B. Pressions moyennes
C. Consommation spécifique
D. Rendement
IV.5.3 Application au moteur Audi A3 1.8 turbo essence
IV.6 l’évolution de cycle de beau de rochas avec l’augmentation de la pression
IV.7 Courbe caractéristique en fonction de la pression
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