Cours Découverte1 2ème ST GM

CHAPITRE III(SUITE)

LES INSTALLATIONS INDUSTRIELLES

Mme L.Bounar USTHB/FGMGP/Dépt.T.E Novembre 2012

III-2 LES INSTALLATIONS DE PUISSANCE

III-2-1 Moteurs à combustion interne

Un moteur alternatif à combustion interne est une machine thermique

motrice qui convertit l’énergie chimique du combustible en énergie

mécanique, généralement sous forme d’un mouvement rotatif d’un arbre.

Dans ces moteurs les combustibles (essence, gasoil) sont brulés à

l’intérieur même du moteur.

Le moteur à combustion interne est principalement utilisé pour la

propulsion des véhicules de transport ( automobile, moto, camion, bateau),

pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon) ainsi

que pour des installations fixes (groupe électrogène, entrainement d’une

pompe ou d’un compresseur).

III-2-1-1 Classification des moteurs à combustion interne

Les moteurs à combustion interne peuvent être à quatre temps ou à deux

temps et selon du type de carburant utilisé à allumage commandé (à

essence) ou de type diesel.

III-2-1-2 Moteurs à combustion interne à 4 temps

A- Technologie des moteurs à combustion interne à 4 temps

Un moteur à combustion interne à 4 temps est constitué d'un ou

plusieurs cylindres. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un

mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transformé en

rotation par l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin.

Soupape d’admission

Arbre à came

Came

Tubulure d’admission

Chambre de combustion

Bloc cylindre

Carter

Tête du cylindre

Soupape d’échappement

Ressort de soupape

Bougie

Vilebrequin

Bielle

Eau de refroidissement

Piston

Figure1 : Représentation schématique d’un moteur à allumage commandé

Voir diapo animée

B- Moteur à allumage commandé (à essence)

Un moteur à allumage commandé, plus communément appelé moteur à

essence en raison du type de carburant utilisé, est un moteur à explosion,

à mouvement alternatif.

C’est un moteur qui peut fonctionner en utilisant comme carburant de

l'essence, de l'alcool, ou un gaz (GPL,GNL) ou autre.

Le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé ne peut

s'enflammer que sous l'action d'une étincelle provoquée par la bougie

d'allumage.

Le moteur à allumage commandé est donc équipé d'un système d'allumage,

composé d'une bougie, d'une bobine servant à produire les hautes

tensions nécessaires à la création de l'étincelle et d'un système de

commande de l'allumage.

Le mélange air / essence peut s’effectuer par:

Carburateur ou Injection directe d’essence

B-1 Cycle à quatre temps à Essence

Il est appelé également cycle Otto - Beau de Rochas.

Le physicien Beau de Rochas fonde la théorie la thermodynamique des

moteurs à quatre temps en 1862, mais il faut attendre 1872 pour que

l'allemand Nikolaus Otto devienne le premier ingénieur à en concevoir un.

Fonctionnement

Ce cycle est caractérisé par quatre temps correspondant à quatre

mouvements linéaires du piston :

Voici une description des temps successifs d'un moteur à quatre temps :

Voir diapo animée de fonctionnement

1. Admission : Le cycle commence à un point mort haut(PMH), quand le piston

est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend

jusqu’au point mort bas (PMB).Un mélange d'air et de carburant est

aspiré dans le cylindre via la soupape d'admission.

2. Compression : La soupape d'admission se ferme, le piston remonte en

comprimant le mélange admis.

3. Combustion-Détente : Le mélange air-carburant est alors enflammé,

habituellement par une bougie d'allumage, aux environs du point mort

haut L'expansion des gaz portés à haute température lors de la

combustion force le piston à descendre jusqu’au PMB. Ce mouvement est le

seul temps moteur (produisant de l'énergie directement utilisable).

4. Échappement : Lors du quatrième et dernier temps les gaz brûlés sont

évacués du cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée

Figure2 : Schéma de fonctionnement.

Figure2 : Schéma de fonctionnement

du piston qui chasse les gaz brûlés, laissant la place à une nouvelle masse

de mélange air/carburant.

5. Un nouveau cycle commence en 1.

Remarque : Le cycle à quatre temps s’effectue en deux

tours du vilebrequin

Cycle thermodynamique d’un moteur à quatre temps à allumage

commandé

0

PMH PMB

Figure 3 : Diagramme P-v théorique d’un moteur à allumage commandé

On modélise le cycle par les évolutions suivantes :

1. L'admission est modélisée par une isobare 0-1.

2. La compression 1-2 est supposée adiabatique.

3. La combustion se déroule à volume constant sur 2-3, la détente 3-4 est

adiabatique.

4. L'ouverture de la soupape est modélisée par l'isochore 4-1, et

l'échappement par l'isobare 1-0.

C- Moteurs à combustion interne à 4 temps de type diesel

Le moteur diesel est le fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand

Rudolf Diesel entre 1893 et 1897.

C’est un moteur à combustion interne dont l'allumage est spontané,

s’effectuant par phénomène d'auto-inflammation.

Les moteurs diesel fonctionnent habituellement au gazole, au fioul

lourd ou aux huiles végétales ou minérales.

Son fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, fioul lourd

ou encore huile végétale brute dans de l'air comprimé. Sitôt le carburant

injecté (pulvérisé) à travers un injecteur, le carburant s'enflamme

presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un

allumage commandé par bougie.

En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la

pression dans le cylindre (sur les anciens diesel la pression d'injection

est de 150 à 200 bars, dans les diesels modernes à injection directe

type HDI la pression d'injection est de 1200 bars ) ce qui favorise une

combustion plus complète moins polluante, repoussant le piston qui fournit

un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation le vilebrequin.

.

Le moteur diesel est de préférence utilisé lorsqu'il y a besoin d'un couple

important ou d'un bon rendement : locomotives, bateaux, camions,

tracteurs agricoles, groupes électrogènes, engins de travaux publics ou

automobiles.

Comme le moteur thermique à essence, le moteur diesel est constitué de

pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse munie de

soupapes d’admission et de refoulement. La bougie est remplacée par un

injecteur.

Figure5 : Diagramme P-v théorique d’un moteur

Diesel

Le cycle Diesel à quatre temps comporte :

On modélise le cycle diesel à 4 temps par :

1. Premier temps : Admission de l’air seul par l'ouverture de la soupape

d'admission et la descente du piston . Elle est modélisée par une isobare

0-1.

2. Deuxième temps : Compression de l'air par remontée du piston, la

soupape d'admission étant fermée. La compression 1-2 est supposée

adiabatique.

3 Troisième temps injection - combustion - détente :

Peu avant le point mort haut, on introduit, par un injecteur le carburant

sous haute pression qui en contact avec l'air comprimé s’auto enflamme.

La combustion se déclenche et les gaz chauds en expansion rapide

repoussent le piston en produisant du travail.

La combustion se déroule à pression constante sur 2-3 et la détente 3-4

est adiabatique.

4 Quatrième temps : Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la

soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

PMB PMH

0

L'ouverture de la soupape est modélisée par l'isochore 4-1, et

l'échappement par l'isobare 1-0.

D- Les caractéristiques d’un moteur

L’alésage(D)

C’est le diamètre intérieur du cylindre en mm.

Point mort haut et point mort bas

Le point mort haut (PMH) est la position du piston en haut de sa course.

Le point mort bas (PMB) est la position du piston en bas de sa course.

Course du piston(L)

C’est la distance de déplacement du piston entre le PMH et le PMB

Volume de compression(V0)

C’est le volume compris entre le PMH et la culasse. On l’appelle aussi volume

mort.

PMH

V1

PMB

D

V0

Vcy

l

Injecteur ou bougie

Chambre de Combustion

Culasse

Avec : [V1], [V0] et [(Vcyl)unit]

En Cm3 ou litres

Volume initial(V1)

C’est le volume compris entre le PMB et la culasse.

Cylindrée Unitaire(Vcyl)unit

C’est le volume engendré pendant la course d’un piston :

(Vcyl)unit = V1 - V0

(Vcyl)unit =section piston *course=𝝅𝑫𝟐

𝟒𝑳

Cylindrée totale Vcyl

C’est le produit de la cylindrée unitaire par le nombre de cylindres K.

Vcyl= (Vcyl)unit *K

Taux de compression (e)

Le taux de compression (e) est défini par :

𝜺 =𝑽𝟏

𝑽𝟎=

(𝑽𝒄𝒚𝒍)𝒖𝒏𝒊𝒕 + 𝑽𝟎

𝑽𝟎= 𝟏 +

(𝑽𝒄𝒚𝒍)𝒖𝒏𝒊𝒕

𝑽𝟎

Pour les moteurs essence :5≤ 𝜺 ≤ 𝟏𝟐 Pour les moteurs diesel 𝟏𝟒 ≤ 𝜺 ≤ 𝟐𝟒

E- Comparaison des moteurs à essence aux moteurs diesels

En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de comparer

les moteurs à allumage commandé aux moteurs diesel. Les avantages de l'un

correspondent naturellement aux inconvénients de l'autre et vice-versa.

1. Pas de bougie pour le diesel, c’est la forte compression de l’air qui

provoque l’élévation de température capable de faire enflammer le

mélange air gasoil.

2. Le diesel se caractérise par l’ajout d’une pompe d’injection haute

pression (jusqu’à 1200 bars), très sophistiquée qui permet l’injection du

gasoil au bon moment dans la chambre de combustion. Cette pompe régule

la quantité de gasoil en fonction du régime souhaité.

3. Le moteur à essence est relativement plus léger ; la conception même des

moteurs diesel nécessitant de surdimensionner leurs pièces.

4. Le rendement thermodynamique théorique du moteur à essence est plus

faible que celui du Diesel, de l'ordre de 30 % à 35 % pour l'essence contre

40 % à 45 % pour le Diesel en moyenne, en raison des taux de compression

plus faibles.

5. Plus le taux de compression est élevé, plus la combustion est complète et

la consommation spécifique réduite. D’où, les consommations de carburant

sont plus élevées dans les moteurs à allumage commandé.

6. Cependant , il est plus facile d'obtenir une puissance plus importante avec

un moteur à essence en raison d'un régime moteur maximal environ une

fois et demie supérieur à celui des moteurs diesel pour les moteurs

d'automobiles courants.

III-2-1-3 Moteurs à combustion interne à deux temps

Le cycle à deux temps diffère du cycle à quatre temps en ayant

seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre.

Fonctionnement : Voir diapo animée

Bien que les mêmes quatre opérations : Admission, Compression, Explosion

et détente, Echappement soient toujours effectuées, le cycle est celui-ci :

1er temps : admission/compression

2ème temps : combustion-détente/échappement (balayage des gaz)

Un moteur à deux temps (diesel ou essence) est composé d’un ou plusieurs

cylindres à trois lumières (ouvertures), d’une bougie(ou d’un injecteur) et

d’un carter. Les lumières sont des orifices percés dans le cylindre et par

lesquels s'effectuent l'admission et l'échappement des gaz. Elles sont

découvertes par le piston durant sa course. Le carter est constitué par le

carter de vilebrequin étanche.

a) Premier temps. Dans sa course ascendante du PMB au PMH, le

piston ferme tout d’abord la lumière de transfert qui assure le

passage des gaz frais du carter au cylindre. Puis par la suite, le

piston ferme la lumière d'échappement. A partir de cet instant,

la compression des gaz dans le cylindre commence.

Parallèlement, la lumière d'admission est découverte et, sous

l'effet de la dépression créée par la montée du piston, le mélange

frais est aspiré dans le carter. Ce premier temps d’admission

et de compression s’effectue sur un mouvement alternatif du

piston qui correspond à un demi-tour du vilebrequin.

Figure 4 : Schéma de fonctionnement du moteur à deux temps

b) Deuxième temps. Le piston est au point mort haut. La bougie crée

l'explosion sous le piston. Durant sa course descendante, le piston

découvre la lumière d'échappement et les gaz brûlés s'échappent

sous l'effet de leur pression.

Les gaz frais admis dans le premier temps se trouvant dans le

carter, sont comprimés par le mouvement descendant du piston et

lorsque, quelques degrés avant le P-M-B, la lumière de transfert

est libre, ils sont admis dans le cylindre et balayent les gaz

brûlés. Ce second temps réunit les phases de combustion-

détente/échappement (balayage des gaz) et s’effectue en un

demi-tour de vilebrequin.

Remarque : Le cycle à deux temps s’effectue en un tour du

vilebrequin

Utilisation des moteurs à deux temps

Les moteurs à deux temps sont utilisés dans des tondeuses à gazon,

tronçonneuses, vélomoteurs, petits groupes électrogènes et sur les navires

et locomotives.