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Le moteur thermique INTRODUCTION Ce projet rentre dans le cadre des études de troisième année d’ingénieur dans la spécialité d’électromécanique à l’ESPRIT. Il a pour but de familiariser l’étudiant sur les recherches bibliographiques ainsi que la conception et la réalisation de rapports. Pour ma part, j’étais appelé à faire cette étude sur les moteurs thermiques. Il s’agit d’une étude bibliographique qui permet de donner avec des graphiques et images à l’appui une présentation générale sur les moteurs thermiques. Les moteurs thermiques ont été une des composante de la révolution industrielle qui a fait basculer de manière plus ou moins rapide et selon les pays et les régions une société à dominante agraire et artisanale vers une société commerciale et industrielle . L’étude comprend un aperçu sur l’historique des moteurs thermique et une analyse plus détaillée sur leurs différents types et leurs fonctionnements. 1

Moteur Thermique Final

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Le moteur thermique

INTRODUCTION

Ce projet rentre dans le cadre des tudes de troisime anne dingnieur dans la spcialit dlectromcanique lESPRIT. Il a pour but de familiariser ltudiant sur les recherches bibliographiques ainsi que la conception et la ralisation de rapports. Pour ma part, jtais appel faire cette tude sur les moteurs thermiques. Il sagit dune tude bibliographique qui permet de donner avec des graphiques et images lappui une prsentation gnrale sur les moteurs thermiques. Les moteurs thermiques ont t une des composante de la rvolution industrielle qui a fait basculerde manire plus ou moins rapide et selon les pays et les rgions une socit dominante agraire et artisanale vers une socitcommercialeetindustrielle.Ltude comprend un aperu sur lhistorique des moteurs thermique et une analyse plus dtaille sur leurs diffrents types et leurs fonctionnements.

CHAPITRE I: HistoriqueCest en 1769 que James Watt dpose le brevet de sa machine vapeur, une amlioration de celle de Thomas Newcomen construite en 1712. La mme anne, le franais Joseph Cugnot construit son fardier vapeur il tait cens servir transporter les canons de larme, cest la premire automobile de lhistoire. Ces diffrentes inventions et leurs utilisations entranent la rvolution industrielle. Quelques annes plus tard, en 1807, Franois Isaac de Rivaz dpose le brevet de son moteur explosion. Il mit en vidence le principe du moteur combustion interne, au moyen dun tube de mtal chauff au rouge qui lui permit de dplacer un piston de 70 kg sur 30 cm.Le moteur de Rivaz ntant pas trs performant,son utilisation ne fut possible quen 1862, aprs linvention thorique du cycle quatre temps du franais Alphonse Eugne Beau ou Beau de Rochas. 3 ans plus tt, Etienne Lenoir dposait son brevet d'un moteur gaz et air dilat, un moteur combustion interne deux temps. Il le fabriqua en 400 exemplaires en 1860 qui servirent sur le premier bateau moteur en 1861. Ce moteur consommait 18 litres de gaz dclairage pour dvelopper une puissance de deux chevaux. Grce au cycle de Beau de Rochas, Lenoir put inventer par la suite, en 1883, un autre moteur, mais quatre temps, quip dune bougie dallumage, une autre de ses inventions, et dun refroidissement eau. Il quipa galement son moteur dun carburateur lui permettant de remplacer le gaz dclairage par du ptrole.Il construisit ensuite une automobile qui joignit Paris Joinville-le-Pont (situe 9km) en 3 heures.Paralllement, Nikolaus Otto et Gottlieb Daimler dveloppent eux aussi le moteur 4 temps, mais ils font ce moteur essence plus lger et plus rapide, raison pour laquelle les Franais Panhard et Levassor utiliseront son invention ds 1891. Le cycle de Beau de Rochas fut alors plus connu sous le nom de cycle dOtto.

CHAPITRE II: Analyse fonctionnelle du moteur thermiqueDepuis lAntiquit les hommes cherchent utiliser les proprits physiques de la vapeur deau pour faciliter leur vie quotidienne. Pour mieux comprendre lutilit du moteur thermique on a recours aux deux mthodes suivantes:1) Mthode la a bte corne:

UtilisateurCarburant A qui rend-il service? Sur quoi agit-il?

Moteur thermique

Crer de lnergie mcaniqueFigure 1: Modlisation bta corne

Moteur thermiqueRparateurCarburantVhiculeMilieu extrieurUtilisateurFC1FC2FC4FPFC6FC5FC6FPFC4FC2FC1UtilisateurMilieu extrieurVhiculeCarburantRparateurMoteur thermiqueFC3FC52) Diagramme pieuvre

FC3

Figure 2: Diagramme pieuvreFonction

FPTransformer le carburant en nergie mcanique, pour faire avancer un vhicule.

FC1Ne pas mettre lutilisateur en danger.

FC2Rsister aux conditions climatiques.

FC3Eviter au maximum les nuisances.

FC4Etre facile d'entretien.

FC5S'insrer correctement dans l'espace ddi.

FC6Avoir un poids et des dimensions proportionnelles celles du vhicule.

3) SADT niveau A0: Information utilisateur lubrifiant liquide de refroidissement

Transformer lnergie chimique en nergie mcanique Energie lectrique Bruit + chaleur Energie chimique Energie mcanique (Air +carburant) Energie caloriques Moteur thermiqueFigure 3: Analyse fonctionnelle niveau A0

Chapitre III: Diffrents types de moteur thermiqueDune faon gnrale un moteur est un gnrateur dnergie mcanique ayant comme entre une source dnergieet comme sortie un travail mcanique sous forme dune force ou couple.

Figure 4: Schma descriptif dun systme moteur

Les moteurs thermiques transforment lnergie chimique (Air + carburant) en nergie mcanique capable de fournir une force de dplacement ou un couple de rotation.Les machines thermiques sont reprsentes par le synoptique ci-dessous :

Figure 5: Classification des moteurs thermiquesLes moteurs thermiques sont encore appels moteurs combustion qui sont reparti en deux familles:

1) Les moteurs combustion externe: Lnergie est fournie par deux sources externes une source froide et une source chaude. La combustion ce fait lextrieur du moteur.

Figure 6 : Principe du moteur combustion externe

On peut trouver ces types de moteur essentiellement dans la machine vapeur et les moteurs Stirling.

1.1) La machine vapeur:

Figue 7: Machine vapeurLa chaudire produit de la chaleur pour chauffer leau afin de produire de la vapeur qui est envoy vers la chambre de dtente pour exercer une pression sur le piston qui fournit un mouvement de translation.Le systme bielle manivelle transforme ce mouvement en mouvement de rotation utilisable selon le besoin.1.2) Le moteur Stirling: Il existe plusieurs types de moteurs Stirling qui sont gnralement class en fonction de leur forme gomtrique, selon ce critre il y a trois principaux moteurs Stirling: moteur alpha, moteur bta et le moteur gamma.1.2.1) Moteur alpha: Le moteur bicylindre ou alpha est un moteur dans lequel un cylindre estest associ la source froide et un autre est associ la source chaude. Le couplagecinmatique des deux pistons permet au fluide de passer d'un cylindre lautre tout enTraversant un rcuprateur d'nergie (rgnrateur) et de faire varier le volume selon lesles phases s'approchant de celles dcrites dans le diagramme indicateur thorique de Stirling.

Figure 8: Moteur Stirling type alpha1.2.2) Moteur Bta: Le moteur bta est un moteur monocylindre constitu de deux pistons.* un piston de travail (gris fonc) utile pour la compression et la dtente.* un piston dplaceur (gris clair) pour mettre successivement le gaz en contact avec la source froide puis la source chaude.

Figure 9: Moteur Stirling type bta1.2.3) Moteur Gamma: Ce moteur ressemble au type bta car il comporte un pison de travaille et un piston dplaceur la seule diffrence entre eux cest que les deux pistons sont plac dans des diffrents cylindres. Figure 10: Moteur Stirling type gamma1.3) Avantages et inconvnients du moteur Stirling:AvantageInconvnients

* Fonctionnement silencieux.* Rendement leve.* Multitude de choix pour la source chaude.* Non polluons (faciliter de raliser une combustion complte).* Fiable.* Simple maintenance.* Dur de vie importante. * Prix.* La mconnaissance de ce type de moteur.* Problme dtanchit lors du fonctionnement sous haute pression.* Choix du gaz.

2) Les moteurs combustion interne:

Lnergie thermique fournit par la combustion est transforme en nergie mcanique lintrieur du moteur.

Figure 11 : Principe du moteur combustion interne

On distingue trois grandes familles de moteur combustion interne: Les moteurs alternatifs, les turbomachines et les moteurs WANKEL piston rotatif.2.1) Les moteurs alternatifs:Ce type de moteur est trs rpandu surtout dans le domaine de lautomobile. Dans ces types de moteur le mlange air + carburant combustible est comprim, allum et burl lintrieur de la chambre de combustion.La pression obtenue grce cette combustion exerce une force sur le piston, force qui transforme le mouvement de translation en un mouvement de rotation du vilebrequin.Ces deux moteurs sont classs en deux parties suivant le type dallumage:* Moteur allumage command qui sont les moteurs essence.* Moteur allumage par compression qui est les moteurs diesel.

Figure 12: Moteur BMW V12 760i Ces types de moteur travaillent cycliquement ce qui ncessite le renouvellement de la charge chaque cycle, le plus connu est le cycle 4 temps car il comporte 4 phases qui sont:* Phase dadmission.* Phase de compression.* Phase dexplosion et dtente.* Phase dchappement.

Figure 13: Les quatre phases du moteur 4 temps2.2) Les turbomachines:Contrairement aux moteurs prcdents, les turbomachines sont des machines coulement continue les quatre phases se produisent au mme temps. La chaleur est produite par une combustion dans une chambre de combustion Cette combustion augment la pression du gaz (air + combustible). Ce gaz sous pression traverse une chambre de dtente volume constant constitue dun arbre moteur dot dailettes (turbine de dtente). De lnergie est alors fournie cet arbre sous forme dun couple moteur qui sera utilis dune part vers les consommateurs, dautre part vers un compresseur (turbine de compression) qui permet la puissance fournie. En effet la pression de lair augmentant, la masse dair aspire augmente, on peut brler davantage de krosne, et la puissance disponible est donc augmente (par rapport une turbine qui ne disposerait pas dtage compresseur en entre).

Figure 14: Turbomachine2.3) Le moteur WANKEL: Le moteur rotatif WANKEL est le rsultat d'une importante d'tude mene de 1945 1954 par l'ingnieur WANKEL sur les diffrentes solutions de moteur rotatif. En conclusion, il estima que la meilleure tait de faire travailler en moteur, le compresseur rotatif ralis par Bernard Maillard en 1943. Ce type de moteur ne transforme pas le mouvement linaire en rotation. Il ne comporte pas beaucoup de pice do une monte en rgime trs rapide.

Figure 15: Principe de fonctionnement dun moteur WANKELChapitre IV: Architecture gnrale dun moteur thermiqueDe nos jours le moteur thermique 4 temps est le plus connue, le plus utilisable dans secteur de lautomobile. Le carburant est inject par un injecteur. Le mlange air- carburant est introduit par louverture de soupape dadmission puis aspir par le piston dans les cylindres ou il est comprim. Suivant le type de moteur, la combustion seffectue cette dernire met les pistions en mouvements, lesquels dcrivent un va-et-vient dans les cylindres do le nom moteur alternatif.Les pistons sont relis au vilebrequin par lintermdiaire de bielles qui transforment le mouvement alternatif en mouvement de rotation. Le nombre et la disposition des cylindres dterminent laspect gnral du moteur.Le gaz dchappement forms par la combustion est rejet grce louverture de la soupape dchappement1) Organes du moteur thermique:

Figure 16: Architecture dun moteur 4 tempsArbre cames: L'arbre cames commande l'ouverture des soupapes, en transformant le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement longitudinal actionnant les soupapes. Soupapes: Assure le transfert des fluides et ltanchit du cylindre.Piston: Il transmet la bielle la pression soumise par les gaz et assure ltanchit entre le carter et la chambre de combustion grce aux segments. Bielle: Elle assure la liaison entre le piston et le vilebrequin. Le pied de bielle est li laxe du piston, et la tte de bielle est lie au vilebrequin. Volant moteur: Il est fix en bout du vilebrequin et grce son inertie il rgularise la vitesse de rotation. Il porte en gnrale une couronne dente pour le lancement du moteur par le dmarreur. Vilebrequin: Le vilebrequin reoit l'effort transmis par la bielle et fournit un mouvement circulaire la sortie du moteur.Chaine de distribution: Elle entraine le mouvement de larbre came.

2) Caractristiques internes du moteur:

Figure 17: Schma descriptif du fonctionnement dun piston

* Lalsage A est le diamtre intrieur du cylindre. * La course C est la distance parcourue par le piston entre son point mort haut et son point mort bas. Elle est dtermine par la distance d comprise entre axe de vilebrequin et axe du maneton (C = 2* d). * La cylindre unitaire V est le volume compris dans un cylindre entre le P.M.H et le P.M.B. V = S*C = (*A/4)*C* Le rapport volumtrique r est le rapport entre le volume total dans le cylindre (quand le piston est au P.M.B) et le volume restant quand le piston est au P.M.H (Volume mort, ou volume de la chambre de combustion) = (V+v) / v

CHAPITRE V: Etude thermodynamique dun moteur 4 temps essence:Un digramme pression-volume permet de visualiser les variations de pression agissant dans la chambre de combustion en fonction de la position du piston (volume).Premier temps: Admission

DbutFin

Louverture de la souppape dadmission et la fermeture de celle de lchappement permet laspiration du carburant.

Cette aspiration ce fait a pression constante jusqu atteindre le volume maximal.

Deuxime temps: Compression et exploitions

DbutFin

Fermeture de la soupape dadmission puis remont du piston qui comprime le mlange.

La compression ce fait jusqu 15 bars et de temprature entre 250 et 350 degr.

Troisime temps: Combustion-Dtente

DbutFin

Le mlange Air-carburant est enflamm, habituellement par une bougie dallumage.

La pression des gaz dgag repoussent le piston, initiant le mouvement.

Quatrime temps: Echappement

DbutFin

Q2Q1La soupape dadmission tant ferme. Louverture de la soupape dchappement permet lvacuation du gaz brul.

La soupape dchappement se referme .Un nouveau cycle commence.

Q 1 = (m a + m c ).Cv (T D T C ) = m c .Pc iQ 2 = (m a + m c ) C v (T B T E )

Rendement thorique

A part le combustible utilis, les moteurs essences et les moteurs diesels possdent une principale diffrence qui rside dans le mode d'inflammation du carburant. L'essence a besoin d'une tincelle pour s'enflammer (tincelle produite par la bougie) tandis que le diesel fonctionne par auto-inflammation (le fluide s'enflamme spontanment lorsqu'il atteint environ 250C).Le rendement rels est loin des rendement thorique pour amliorer ce rendement on a recours au outil thermodynamique, mais aussi mcaniques des fluides et matriaux.

Figure 18: Cycle rel dun moteur essence

CONCLUSIONBien qug maintenant de plus de cent ans le moteur thermique occupe encore actuellement une position prdominante dans de nombreux secteurs conomique pour la production dnergie mcanique. Cette longvit sexplique essentiellement par son faible cot de production en grande srie, sa souplesse dutilisation son adquation aux carburants hydrocarbons dorigine fossile produits bas prix par lindustrie ptrolires.Face une constante volution de la pollution atmosphrique, des rpercutions sur la sant de lhomme ainsi que sur lenvironnement constituent un facteur prendre en compte. De plus une consommation abondante des nergies fossiles nous a pouss concevoir un concept innovant en terme de pollution et de consommation qui soit le plus adapt pour rpondre ces attentes. Ce dernier est: La technologie hybride.

Dautres technologies ont t mises au point pour contrer la pollution telles que lesbiocarburants, les piles combustibles et nergie solaire. Ces dernires narrivant pas percer ou ntant pas encore dactualit, la solution la plus prometteuse nos yeux semble alors tre la technologie hybride.

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