• Document: Chapitre 6 Etude des cycles moteurs usuels
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1 Chapitre 6 Etude des cycles moteurs usuels I Les moteurs à fonctionnement séquentiel A. Propriétés générales Le fluide est l’air, l’atmosphère est la source froide. On a montré que ρ = (T1-T2)/T1, donc si T1-T2 croît ρ également. Ainsi si on peut élever la différence de température entre le fluide et l’extérieur le rendement sera meilleur. Pratiquement on va brûler directement le carburant dans le fluide à l’intérieur du cylindre moteur. Le système obtenu sera léger car il ne contient pas de sources de chaleur, c’est ce qui a permis l’essor de l’automobile et de l’avion. On utilise des produits pétrolier comme carburant : essence, gas-oil parfois gaz. Dans la réalité on n’utilise pas le cycle de Carnot car il nécessiterait une pression trop importante pour la température haute (point A sur le diagramme), les moteurs usuels ne permettent pas une telle compression. On préfère donc modifier le cycle et on enlève les deux transformations isothermes AB et CD qu’on remplace par • Deux isochores et on obtient le moteur à essence A1 B C1 D • une isobare et une isochore et c’est le moteur Diesel A2 B C1 D, du nom de son inventeur A P X B X X A2 A1 X C1 X D X C X V Université de Provence-Mécanique et énergie-Poly 3-VBuat 2 Ces systèmes sont en fait des systèmes ouverts avec combustion interne. Leur évolution est irréversible. On idéalise cependant le moteur par un modèle de cycle fermé à air. C’est surtout la méthode de combustion qui distingue les moteurs, comme on va le voir. B. Le cycle à volume constant ou cycle de Beau de Rochas C’est le cycle du moteur à essence A1 B C1 D du diagramme précédent plus une phase d’admission, on reprend donc le diagramme : 1. Cas théorique idéal • Phase 0-1 ou 1er temps : c’est la phase d’admission de l’air, la soupape d’admission s’ouvre, un peu de combustible (essence vaporisée) est aussi aspirée. A la fin de cette phase, la soupape d’admission se ferme et on travaille avec l’air enfermé à la température T1. • Phase 1-2 ou 2ème temps : Le piston remonte et le gaz est comprimé, la phase est rapide et comme les échanges thermiques sont lents, la transformation est adiabatique (cas idéal), on la suppose en général aussi quasi-statique et donc isentropique Phase 2-3 : explosion, à cet instant une étincelle provoque l’explosion du mélange, il y a accroissement de la pression par l’explosion, à volume constant car le piston n’a pas le temps de réagir (cas idéal) • Phase 3-4 ou 3ème temps : détente et effet moteur, l’air chauffé se détend en repoussant le piston et en fournissant un travail (δW =-p dV<0), on l’idéalise par une transformation isentropique • Phase 4-1 ou 4ème temps : la soupape d’échappement s’ouvre, la pression interne retombe instantanément à la pression atmosphérique (donc à volume constant), puis le piston remonte en repoussant l’air restant (retour à 0) P 3 2 4 0 1 Vm VM V Université de Provence-Mécanique et énergie-Poly 3-VBuat 3 1er temps 2ème temps 3ème temps 4ème temps 1 temps correspond à une course complète du piston (et pas nécessairement à une phase de transformation thermodynamique) Le cycle est quasi-statique : le piston a une vitesse typique de quelques m s-1 alors que l’agitation des molècules du gaz est de plusieurs centaines de ms-1, donc le piston se déplace très lentement par rapport au gaz 2. Rendement théorique On va considérer un cycle idéal réversible, donc le rendement calculé sera maximal. Considérons également pour simplifier que CV la chaleur massique isochore est constante. De 1 à 2, isentropique Q=0 De 2 à 3, isochore Q(2,3) = m CV (T3-T2) (CV est par unité de masse) De 3 à 4, isentropique Q=0 De 4 à 1, isochore Q(4,1) = m CV (T1-T4) Le rendement théorique est : Q(4,1) T !T " = 1+ = 1! 4 1 Q(3,2) T3 ! T2 Remarque : On peut refaire très rapidement le calcul à partir de la définition ρ= -W/Q(reçue) Q(2,3) + Q(4,1) T #T En effet W = -Q(2,3)-Q(4,

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