Fiche de révision : Moteur thermique à quatre temps

📋 Plan du Cours

1. Principe du moteur alternatif
2. Admission et compression du mélange
3. Combustion et détente motrice
4. Transformations du cycle de Beau de Rochas
5. Rendements et pertes énergétiques

📖 1. Principe du moteur alternatif

🔑 Notions clés & Définitions

• Moteur à quatre temps : Moteur qui transforme l’énergie thermique libérée par la combustion d’un mélange d’hydrocarbure et d’air dans un cylindre fermé en énergie mécanique transmise à un piston mobile.

★ À maîtriser

• Dans un moteur alternatif, la bielle et le vilebrequin transforment le mouvement de va-et-vient du piston en mouvement circulaire transmis à l’essieu par l’arbre moteur.

Compléments

• Les principaux éléments représentés du moteur sont :
  • la came
  • les soupapes d’admission et d’échappement
  • la bougie
  • le piston
  • la bielle et le vilebrequin
  • le volant d’inertie
  • la chaîne de distribution
  • la chambre de combustion
  • le carter d’huile

📖 2. Admission et compression du mélange

★ À maîtriser

• Pendant l’admission, la soupape d’admission s’ouvre tandis que la soupape d’échappement reste fermée, et le mélange air-carburant entre dans le cylindre de 0 à 1 tandis que le piston est au point mort bas.

• Pendant la compression, les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées et le piston remonte par inertie, comprimant le mélange de V1 = Vmax au point mort bas à V2 = Vmin au point mort haut.

Compléments

• Au point mort bas, le volume du mélange dans le cylindre est maximal et vaut V1 = Vmax.

• La compression du mélange entre les états 1 et 2 est très rapide et considérée comme adiabatique, c’est-à-dire sans échange thermique avec l’air extérieur entourant les cylindres.

💡 Astuce mémo

PMB : volume maximal ; PMH : volume minimal

📖 3. Combustion et détente motrice

📝 Points essentiels

• L’étincelle de la bougie déclenche l’explosion quasi instantanée du mélange, modélisée entre les états 2 et 3 comme une combustion à volume constant.

• L’augmentation de pression due à l’explosion entraîne la descente du piston vers le point mort bas entre les états 3 et 4, et les gaz brûlés fournissent alors un travail mécanique au piston pendant le temps moteur.

💡 Astuce mémo

L’étincelle déclenche l’explosion, qui pousse le piston vers le PMB

📖 4. Transformations du cycle de Beau de Rochas

★ À maîtriser

• Le cycle théorique de Beau de Rochas d’un moteur à quatre temps essence est représenté dans un diagramme de Clapeyron, qui rapporte la pression p au volume V occupé par le fluide dans le cylindre.

• Le cycle fermé comprend quatre transformations :

  • compression adiabatique de 1 à 2
  • explosion-combustion à volume constant de 2 à 3
  • détente adiabatique de 3 à 4
  • refroidissement à volume constant de 4 à 1

Compléments

• Dans le cycle représenté, V2 = V3 et V1 = V4.

• Le renouvellement des gaz, comprenant l’échappement de 1 à 0 et l’admission de 0 à 1, est modélisé par le refroidissement à volume constant de 4 à 1, car les gaz d’échappement à T4 sont remplacés par un mélange frais à T1 < T4.

💡 Astuce mémo

Admission, compression, explosion, détente, refroidissement, échappement

📖 5. Rendements et pertes énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement effectif : Rapport entre l’énergie mécanique recueillie sur l’arbre de puissance, Weff, et l’énergie chimique dégagée par la masse mc de carburant brûlée.
• Rendement de combustion : Rapport entre l’énergie thermique effectivement libérée lors de la combustion, Qréelle, et l’énergie thermique chimique de combustion, Qcomb.
• Rendement indiqué : Rapport entre le travail indiqué Wi, fourni au piston avant les pertes mécaniques, et l’énergie thermique réelle de combustion ; Wi tient compte des pertes et échanges thermiques du cycle réel.
• Rendement mécanique : Rapport entre le travail effectif ou utile effectivement utilisable sur l’arbre moteur et le travail indiqué ou réel.
• Pouvoir calorifique inférieur : Chaleur libérée lors de la combustion parfaite d’un kilogramme de combustible ; dans ce cas, Qchimique = Qcomb.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La chaleur de combustion est donnée par $Q_{comb}=m_c\,PCI$, où mc est la masse de combustible et PCI son pouvoir calorifique inférieur.

• La combustion parfaite de 0,2 g d’un combustible de PCI = 2·10⁷ J/kg libère Qcomb = (0,2·10⁻³ kg)(2·10⁷ J/kg) = 4000 J.

• Qréelle traduit une combustion incomplète, notamment en raison des imbrûlés ou de la condensation.

• Les pertes thermiques du cycle réel proviennent : de la combustion incomplète, des échanges par convection et rayonnement à travers les parois du bloc moteur, du circuit de refroidissement par convection forcée, de l’échappement, dont les pertes entre 4 et 1 sont supérieures à celles du cycle théorique

• Dans le cycle théorique, la combustion est parfaite, sans imbrûlés, et les pertes thermiques et mécaniques ne sont pas comptabilisées.

• Le travail thermodynamique théorique Wth.th est représenté par l’aire délimitée par le contour 1-2-3-4-1 dans le diagramme pression-volume.

• Les pertes mécaniques surviennent : par frottements ou glissements entre la bielle-vilebrequin et l’arbre moteur, lors de l’entraînement de la pompe à huile, lors de l’entraînement de la pompe à eau, lors de l’entraînement de l’arbre à cames et de la distribution, par frottements entre le piston et le cylindre