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Chapitre III : Moteurs thermiquesChapitre III : Moteurs thermiques.III.1 : Introduction.Un moteur thermique à combustion interne est un organe transformateurd’énergie. Il transforme l’énergie thermique produite par la combustion(carburant comburant) en énergie motrice mécanique.Un moteur est dit à combustion interne si la combustion se fait à l’intérieurdu moteur. On parle de moteur à combustion externe si l'énergie est transportéepar un fluide caloporteur à l'extérieur de celle-ci. Cas d’une turbine à vapeur parexemple.III.2 : Différents types de moteurs thermiques à combustion interne.Il existe deux grands types de moteurs à combustion interne : Les moteurs fournissant un couple sur un arbre.- Moteurs thermiques à combustion interne à pistons alternatifs* Moteurs à allumage commandé ( moteurs à essence)* Moteurs Diesel- Moteurs thermiques à combustion interne à Pistons Rotatifs- Turbines à gaz. Les moteurs à cteursMoteur-fuséeIII.2.1 : Moteurs thermiques à pistons alternatifs.Moteurs thermiques utilisant l’énergie thermique produite par une combustiond’un gaz carburé (carburant – comburant) pour obtenir de l’énergie mécaniquepar transformation du mouvement de translation du piston en mouvement derotation d’arbre (vilebrequin).Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 54
Chapitre III : Moteurs thermiquesDéfinition du cycle à 4 tempsOn appelle cycle l’ensemble des phases qui se succèdent dans le moteur. Dansnotre cas, le cycle comprend quatre phases ou temps :Temps admission : aspiration d’air ou de mélange air-essence.Temps compression : de l’air ou du mélange.Temps combustion-détente : inflammation rapide du mélange provoquantune brusque montée en pression des gaz puis leur détente.Temps échappement : évacuation des gaz brûlés. On constate que seul le troisième temps fournit de l’énergie, c’est le tempsmoteur, les trois autres temps sont résistants.Principaux cycles du moteur à combustion interneLes trois (03) principaux cycles du moteur à combustion interne peuvent êtrerésumés de la manière suivante : Cycle de BEAU DE ROCHAS (cycle à apport de chaleur à volume constant)utilisé dans les moteurs à allumage commandés (Fig-A). Cycle diesel pur (cycle à apport de chaleur à pression constante) concerneles moteurs à allumage par compression (Fig-B). Cycle de SABATHE ou cycle mixte appelé aussi cycle de SEILIGER. C’estune combinaison des cycles de BEAU DE ROCHAS et DIESEL pur (Fig-C).L’étude de ces cycles peut être effectuée à l’aide du diagramme (P,V) et c’estce type de diagramme que nous utiliserons.PPQ1 004Q2 ePQ’1 03DétenteAdiabatiqueQ1 0Compression Q2 pementComb isochore31AdmissionVa) Cycle de BEAU DE ROCHAS b) Cycle Diesel purV3’Q1 024Q’2 0Q2 00AdmissionVc) Cycle de SABATHE ou SEILIGERv0 v : Volume mort ou volume des gaz emprisonnés dans la chambre decombustion.Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 55
Chapitre III : Moteurs thermiquesV1 V0 v.(V0 : cylindrée unitaire . ).Avec : (c) est la course du piston.III.2.1.1 - Moteurs thermiques à explosion ou à allumage commandé(Moteurs à essence ).Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne, principalementutilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile,moto, camion, bateau), pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse,tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène,pompe).Il s'agit de tous les moteurs utilisant comme carburant de l'essence, de l'alcool,voire un gaz (GPL) ou autre, et dont la combustion doit être déclenchée par unesource d'énergie externe (bougie).Ces moteurs transforment l'énergie potentielle chimique stockée dans uncarburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides,d'où le terme « d’explosion ». Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindresconfinant les combustions. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en unmouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transformé en rotation parl'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin, un assemblage demanivelles sur un axe.Le cycle de fonctionnement se décompose analytiquement en quatre temps ouphases.A B : Admission des gaz carburés (air carburant) (ma mc).B C : Compression adiabatique du mélange. Fermeture de la soupaped' admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à30 bars et 400 à 500 C dans la chambre de combustion ; P.V Cte P1V1 P2V2On pose P V V v 2 1 P1 V2 v V v: rapport volumétrique de compressionvThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 56
Chapitre III : Moteurs thermiquesTV 1 Cte T1V1 1 T2V2 1 V T 2 1 T1 V2 1 1 P2 P 1Soit T2 1 T1C D : Combustion à volume constant (explosion).Apport de chaleur par combustion de mC en présence de l’oxygène de ma.Q1 (ma mc).Cv (T3 – T2) mc.PciAvec : ma : Masse d’air.mc : Masse du carburant.Pci : Pouvoir calorifique du carburant.D E : Détente adiabatique des gaz. (temps moteur)Les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bars repoussent le piston, versle point mort bas (PMB) initiant le mouvement :T3 V4 T4 V3 1 V 1 V2 1 1 T2 T3 1T1 T4E B : Echappement des gaz brûlés,Remontée du piston vers le point mort haut (PMH) en chassant les gaz brûlésdétendus dans le collecteur d'échappement avec dégageant de chaleur Q2,Avec : Q2 (ma mc) Cv (T1– T4).Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 57
Chapitre III : Moteurs thermiquesFig :1 Description du moteur à 4 tempsAdmissionCompressionDétenteEchappementFig : 2 Fonctionnement d’un moteur 4 tempsThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 58
Chapitre III : Moteurs thermiquesFig n 3Q1Cycle de BEAU DE ROCHAS.Q2Q1 (ma mc).Cv (TD – TC) mc.PciQ2 (ma mc) Cv (TB– TE). th 1 TB1 1 1TC Course CVolume mortRendement théorique du cycle de Beau de Rochas. Q2 ma mc Cv T1 T4 WeW Q1 Q2 th 1 1 Q1Q1Q1Q1 ma mc Cv T3 T2 T1 .T3T4 T1T2 T3 th 1 Or T4 T3 T2T1 T4T2 T1 .T3 T1 T2T1 .T3 T1 .T2T1 T3 T2 T1 th 1 1 1 1 T3 T2T2 T3 T2 T2 T3 T2 T2 th 1 T11 1 1T2 Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 59
Chapitre III : Moteurs thermiquesIII.2.1.2 - Moteurs thermiques DIESEL ou à combustion par compression.Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole.On l’injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air,préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément.Ces moteurs sont a appelés moteur Diesela Cycle diesel pur (combustion à pression constante)0 1 : Admission de l’air.P231 2 : Compression adiabatique de l’airQ1 04Q2 001VV0 (PMH) P V 2 1 P1 V2 1 T2 V1 1 T1 V2 V1 (PMB)2 3 : Combustion isobare, apport de chaleurQ1 (ma mc) Cp (T3-T2) mc. Pci0 4 Détente adiabatique des gaz. P V 3 4 P4 V3 1 T3 V4 1 T4 V3 4 1 : Echappement des gaz brûlés. La chaleur dégagée est :Q2 (ma mc) Cv (T1-T4)Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 60
Chapitre III : Moteurs thermiquesRendement théorique du cycle diesel : th ma mc Cv T1 T4 Q1 Q2Q 1 2 1 ma mc Cp T3 T2 Q1Q1L’équation d’état des gaz parfait P.V m.r.T T th 1 1 P4 .V4 P1V1 P3V3 P2V2avec th 1 1 T4 T1 T3 T2P.Vd’où :mrP2 P3 isobare , V1 V4 Isochore P4 P1 1 V1 P4 P1 1 P2 P2 th 1 1 P2 V3 V2 V3 V2V1 V1Or, on sait que : P4 P 2 P1 P2 V3 V1 V2 V1 1 1 1 1 1 1 1 1 th 1 1 1 1 1 1 1 1 1 P1 4 P3 1 V 3V4 1 Finalement on obtient :V1V2 V1 V3 V3 . V4 V1 V2 V1 V2 V3 V 3 1 1 th 1 1 1 1 1 th 1 . 1 . 1Le rendement de ce moteur dépend du rapport volumétrique de compression et du rapport qui caractérise la durée de l’injection ou de la combustion.Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 61
Chapitre III : Moteurs thermiquesb : Cycle de Sabathé ou mixte.P33’ th Q’1Q124Q’2Q20Q2, Q’2 0 Q Q Q1 1 2 Q1 1 2 Q1 Q1 th Q1 Q1 ηth2ηth1 Q1 Q2 Q1 Q2 ; Q1 Q1 4’1V0V1 th VQ 1 th 1 Q 1 th 2 Q 1 Q 1 Rendement du cycle de Sabathé.ηth1 : rendement théorique du cycle de Beau de Rochasηth2 : rendement théorique du cycle diesel pur.III.2.1.4 : Définitions de quelques caractéristiques thermodynamiques.a) Pression moyenne indiquée et pression moyenne effective.i. Pression moyenne indiquée :La pression moyenne indiquée Pmi d’un cycle est une pression supposéeconstante pendant la course de détente qui donnerait la même aire, donc le mêmetravail que le cycle envisagé.Pour un moteur de cylindré unitaire V0, le travail indiqué Wi correspond àl’aire du cycle réel est donnée par la relation : Wi Pmi.V0D’où, la puissance indiquée pour un moteur à 4 temps est : V V0 nb de cylindres en litreV .N Pi Pmi .en Cv avec : N : nb de tours / min900 Pmi en kgf / cm 2 Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 62
Chapitre III : Moteurs thermiquesOù :Pi Pm i .V .NN 4 .W i .120120en Watts avec : V en m3 et Pmi en N/m2ii. Pression moyenne effective :Même définition que pour la pression moyenne indiquée sauf que le travailindiqué est remplacé par le travail disponible sur l’arbre We avec : We Pme.V0La puissance effective (réelle) est donc :Pe Pme .V .NN 4 .W e .120120en Watts avec : V en m3 et Pmi en N/m2La puissance de frottement Pf est donc la différence entre la puissance indiquée etla puissance effective.b) RendementsSoient :Q1 : Quantité de chaleur que fait apparaître la combustion.Wth : Le travail correspond à l’air du cycle théorique.Wi : Le travail correspond à l’air du cycle réel.We : Le travail effectif sur l’arbre du moteur.On peut définir :*Le rendement théorique : th *Le rendement Indiqué : i WiQ1*Le rendement interne : int WiWth*Le rendement Mécanique : m *Le rendement global : g Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)WthQ1We Pme Pe WiPmiPiWe i mQ1Page 63
Chapitre III : Moteurs thermiques g tr thcarburantpcal m iPthPtrPmairPertes source froidem.Cp(Ts-T0)Pertes internesmachinePertes par frottementc) Consommation spécifique du combustible.La consommation spécifique du combustible est le rapport entre la consommationhoraire (g/h) et la puissance réelle en (Cv ou kw).Cs (Ch / Préelle)ouCS 3600 g .Pcien g/Cv.houg/kwh.en kg/kw.hIII.2.2 :Turbines à gazIII.2.2.1 :IntroductionLes moteurs alternatifs présentent des inconvénients (vibrations, pertesd’énergie dans l’embiellage, pertes de chaleur à chaque aller et retour du piston,etc). Pour éviter cela, on utilisera l’écoulement d’un gaz dans une turbine pourproduire le travail mécanique.Une turbine à gaz (ou à combustion) est une machine thermique qui fonctionneschématiquement comme l’indique le dessin ci-dessous.Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 64
Chapitre III : Moteurs thermiquesFigure n 4 : schémad’une turbine à gaz.L’air pris à l’atmosphère ambiante subit d’abord une compressionsensiblement adiabatique dans un turbo compresseur. On injecte par pulvérisationle combustible (fuel, kérosène) et le mélange air combustible ainsi obtenue estbrûlé dans une chambre de combustion sous pression sensiblement constante. Lesgaz brûlés sont ensuite détendus dans les aubes fixes d’une turbine et leur énergiecinétique est communiquée aux aubes mobiles solidaires de l’arbre moteur où estmonté le compresseur. Une partie du travail obtenu pendant la détente est ainsiutilisée pour entraîner le compresseur. L’arbre commun est relié à une boite deréduction relié à l’arbre de sortie. Si l’on a une turbine équipant un avion, l’arbrede sortie fait tourner l’hélice et on a un turbo propulseur.Si la détente est fractionnée, on détend le gaz dans une turbine simplementpour faire tourner le compresseur et ensuite, la fin de la détente se fait dans unetuyère où le gaz prend de l’énergie cinétique et il sort du moteur à grande vitesse,on a alors un moteur à réaction ou turboréacteur.III.2.2.2 : Cycle simple théorique (ou cycle de joule)Le cycle le plus utilisé est le cycle à combustion à pression constante (cyclede joule).Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 65
Chapitre III : Moteurs thermiquesPTQ1 023Q1 03W 024114Q2 0Q2 0VSDiagramme de ClAPYRON (P, V) Diagramme Entropique (T, S)1 2 : Compression isentropique.2 3 : Combustion isobare.3 4 : Détente isentropique.4 1 : refroidissement isobare.Rendement thermique théorique de la turbine. th WQ1 W WT WC : T ravail util W : Travail moteur produit par la turbine par kg d' air Tavec WC : Travail absorbé par le compresseu r pour fournir 1kg d' air comprimé Q1 Q 23 : Quantité de chaleur dépensée1er principe système ouvert W Q H (m 1kg)Transformation isentropique Q 0 d’où :WT H 3 H 4 W H 3 H 4 H 2 H 1 WC H 2 H 1 H H 4 H 2 H 1 H 3 H 2 H 4 H 1 Q23 H 3 H 2 th 3H3 H2H3 H 2H H1 th 1 4H3 H2Dans le cas d’un gaz parfait, on a H Cp. T d’oùThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) th 1 T4 T1T3 T2or,Page 66
Chapitre III : Moteurs thermiques1 1 T P1 2 isentropique T1 P 1 T2 P 2 2 2T1 P11 1 1 T P 3 4 isentropique T3 P 3 T4 P 4 3 3 T4 P4 P1 P4 et P2 P3 Or 1 1 T2 T3 T3 T2 P2 T1 T4 T4 T1 P1 1 th 1 1 1 Avec : P2P1III.2.2.3 : Cycle réel de la turbine à combustionLe cycle réel diffère du cycle théorique par suite de l’irréversibilité destransformations réelles. La compression et la détente ne sont pas isentropiques etl’existence des forces de frottement internes se manifeste par un accroissementd’entropie.T La combustion elle même est accompagnéed’une légère perte de charge et la pression du point(3) est légèrement inférieure à celle du point (2). 2’ et 4’ (cycle réel).3Q12 2’4’4Accroissement d’entropie1Sds 0ds 0Rendement réel. r WuQ2 ' 3avec Wu Wtr WCrDans le cas du cycle réel, les pertes qui peuvent affectées l’installation sontles suivantes. Pertes pendant la compression caractérisées par C H 2 H1H 2 H 1rendement adiabatique de compression. Pertes pendant la détente caractérisées par T H 3 H 4 rendementH3 H4adiabatique de la turbine. Autres pertes (pertes de charge, pertes mécaniques, pertes parimbrûlés (pertes par rayonnement) peu influentes.Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 67
Chapitre III : Moteurs thermiquesLe travail utile du cycle réel ayant pour expression : W H 3 H 4avec Tdu cycle théorique WC H 2 H 1W1Wu WTr WCr T WT C T H 3 H 4 H 2 H 1 C C Wu T .WT WC CPour un gaz parfait H Cp. T on peut écrire :Wu T Cp T3 T4 T2 T1 1 etT4 T3 TCp T2 T1 T CpT3 1 4 C T31 1 CpT1 T2 1 Or C T1 1 P1 CpT1 Wu T CpT3 1 1 1 avec 2 C P1 La quantité de chaleur dépensée dans ce cycle est : T T T1T T1Q2'3 Cp T3 T2' CpT3 1 2 ' Or C 2 T2' T1 2 T2' T1 C T3 T2 1 1 1 T2 T1T1 T2T1 1 T1 1 T2 ' T1 T1 T2 ' T1 1 C C T1 C C Remplaçons dans Q2’3 : Q2'3 T CpT3 1 1 T3 1 1 1 C D’où le rendement : 1 1 1 T T3 1 1 C T1 1 r 1 T1 1 T3 1 1 C T3 Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Le rendement du cycle réel dela turbine à combustion.Page 68
Chapitre III : Moteurs thermiquesIII.3 : Turbines à vapeur.Ce sont des machines destinées à produire de l’énergie mécanique en partantde l’énergie thermique. L’énergie mécanique obtenue est, soit utilisée directement(propulsion – pompage), soit transformée en énergie électrique (centralethermique).III.3.1 : Cycle de RANKINE.C’est le cycle théorique le plus simple permettant à une machine de produiredu travail mécanique en utilisant la vapeur d’eau comme fluide.Schéma :Vapeur saturée sècheGaz brûlésDAlternateurTurbineW 0ChaudièreCombECondenseurVapeurVapeurCEauEauQ1 0PompeEauBADiagrammes :PHTP1 T1Q1 0BCDCQ1 0 P CteDQ1 0P2 T2DCW 0BW 0W 0BEQ2 0AEDiagramme de ClapyRonAQ2 0V Diagramme entropiqueThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)AEQ2 0SSDiagramme de MOLLIERPage 69
Chapitre III : Moteurs thermiquesAB : Augmentation de pression de PA à PB.BC : Chauffage isobare.CD : Vaporisation (isotherme – isobare).III.3.2 : Cycle de HIRN ( avec surchauffe).DE : Détente adiabatique.EA : CondensationDans le cas du cycle de RANKINE, on peut apercevoir qu’en fin de détente, lepoint de fonctionnement (E) se trouve à l’intérieur de la courbe de saturation. Cecimontre qu’en fin de détente, il y a début de liquéfaction et formation de gouttesd’eau liquide. Ceci peut endommager gravement la roue de la turbine. Il y auradonc intérêt à éliminer cette formation d’eau liquide en cours de détente. Pourcela, on peut augmenter la température de la vapeur en la surchauffant.Un tel cycle où la vapeur est surchauffée s’appelle : cycle de HIRN ou cycleavec surchauffe. L’augmentation du rendement est faible, mais on diminue laformation de gouttes d’eau liquide en fin de détente.Diagrammes :PTBDC’DC’CQ1 0HQ1 0Q1 0’W 0C’DBCBFCEAQ2 0AE FVDiagramme de CLAPEYRON (P,V)Q2 0E FAQ2 0SSDiagramme Entropique (T,S)Diagramme Enthalpique (H,S)III.3.3 : Rendements.a : Rendement théorique. th Travail util fourniTravail fourni par la turbine travail absorbé par la pompe Quantité de chaleur absorbéeQuantité de chaleur absorbéeThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 70
Chapitre III : Moteurs thermiques1er Principe (W Q1 Q2) cycle 0 We -W Q1 Q2 th QWe Q1 Q2 1 2Q1Q1Q1Q1 H H D H B P Cte Q2 H H A H E H E H A P Cte W turbine W absorbée H E H A H D H B H E H A H D H E H B H A th 1 H D H B H D H B H D H B Si on néglige les pertes dans la pompe (A B), on obtient :(HB HA) th H D H D HE HA b : Rendement par rapport à l’isentropique is H D H F H D H E c : Rendement thermique du cycle réel. r H D H F ( H B H A ) isth H D H B d : Rendement mécanique We : Travail effectif disponible sur l' arbreWeWe m avec de la turbine, il est inférieur au travail indiqué WiWi H D H F W H H à cause des frottements mécaniques iDFe : Rendement général d’une installation We m is th m rHD HBThermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 71
Chapitre III : Moteurs thermiquesf : Consommation de vapeur.Cv Cv Cv : en kg/kw.h860avec H D H B H : en kcal, Cv : en kg/kw.h3600avec H D H B H : en kj.NB : - Le cycle de HIRN ou cycle avec surchauffe de la vapeur à la sortie de lachaudière, permet d’avoir un titre de vapeur après détente dans la turbine quiavoisine les 80%.- On peut augmenter le titre de vapeur en resurchauffant la vapeur entreturbines ( x#90%) ainsi que par soutirage de la vapeur à la sortie de la turbine(x#100%).- Les figures (n 5,6 et 7 ) représentent, les cycles avec surchauffe ( HIRN),avec resurchauffe et avec soutirage de la vapeur.Cycle de la vapeur d’eau.Figure n 5 : Cycle de HIRN , Cycle avec surchauffe ( x#0.8 ou 80%)Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 72
Chapitre III : Moteurs thermiquesFigure n 6 : Cycle avec resurchauffe ( x#0.9 ou 90%)Figure n 7 : Cycle avec soutirage ( x#100%)Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 73
Chapitre III : Moteurs thermiquesDiagrammes Entropique et Enthalpique de la vapeur d’eauFigure 8 : Diagramme T,s de l'eauFigure 9 : Diagramme h,s de l'eau.Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z)Page 74
Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) Page 54 Chapitre III : Moteurs thermiques. III.1 : Introduction. Un moteur thermique à combustion interne est un organe transformateur d'énergie. Il transforme l'énergie thermique produite par la combustion (carburant comburant) en énergie motrice mécanique.
