Thèmes:
- Comparaison du processus de travail théorique et réel
- Diagramme d'indicateur
- Progression de la pression au cours du processus à quatre temps d'un moteur à essence
- Progression de la pression au cours du processus à quatre temps d'un moteur diesel
- Variation de pression dans des conditions de fonctionnement variables
- Perte de débit
- Influence du calage de l'allumage sur le schéma indicateur
- Evolution de la pression dans le diagramme p-α
- Pression de gaz maximale
- Pression moyenne du gaz
Comparaison du processus de travail théorique et réel :
Dans le processus de fonctionnement d'un moteur essence ou diesel, nous avons affaire à un diagramme PV (P = pression, V = volume) qui indique la relation entre la pression et le volume dans le processus à quatre temps. Plus d’informations à ce sujet peuvent être trouvées sur la page : Procédé Seiliger.
Le processus de cycle théorique se déroule dans un moteur idéal, dans lequel aucun gaz résiduel ni perte n'est présent. En réalité, le processus de travail théorique diffère du processus de travail réel en raison des écarts suivants :
- le cylindre contient non seulement une charge fraîche, mais également du gaz résiduel du cycle de travail précédent ;
- combustion incomplète du carburant ;
- la combustion ne se déroule pas exactement à volume ou pression égal ;
- échange thermique entre le gaz et la paroi du cylindre ;
- des pertes de débit surviennent lors du changement de travail ;
- il y a toujours (minime) des fuites de gaz le long des segments de piston ;
- la chaleur spécifique change avec la pression et la température, ce qui affecte la combustion.
Le déroulement du processus de travail réel est enregistré avec le diagramme indicateur.
Diagramme indicateur :
Le diagramme indicateur montre la pression du gaz dans le cylindre (au-dessus du piston) pendant deux tours de vilebrequin. Le diagramme a été déterminé lors d'une mesure de pression effectuée dans le cylindre.
Le diagramme indicateur présenté est celui d’un moteur à essence. La ligne rouge indique la variation de pression par rapport à la course du piston. Lors d'une mesure réelle, une valeur est obtenue à p Max. Nous y reviendrons plus tard. Sous le diagramme se trouve un cylindre avec un piston à l’intérieur. Les lettres Vs et Vc indiquent le volume systolique et le volume de compression.
Voici une liste des abréviations utilisées dans la figure :
- p0 : pression atmosphérique ;
- pmax : pression maximale dans le cylindre ;
- S : course du piston ;
- Vs : volume systolique ;
- Vc : volume compressé ;
- W : travail (+ positif et – négatif) ;
- Ign : moment d’allumage ;
- Io : la soupape d'admission s'ouvre ;
- Nous : la soupape d’échappement se ferme ;
- Est-ce que : la soupape d’admission se ferme ;
- Uo : la soupape d'échappement s'ouvre
Progression de la pression au cours du processus à quatre temps d'un moteur à essence :
Nous pouvons visualiser le diagramme des indicateurs dans quatre situations différentes :
- Course d'admission : le piston passe du PMH au PMH et aspire l'air. Le volume augmente car l'espace au-dessus du piston augmente.
La pression reste constante*. La ligne rouge dans le diagramme indicateur va de a naar b; - Course de compression : le piston monte et comprime l'air. Le volume d'air diminue tandis que la pression augmente. La ligne rouge le montre entre les points b en c. L'allumage a lieu à la fin de la course de compression ;
- Coup de force : une fois que la bougie d'allumage a allumé, il faut un certain temps pour que le mélange brûle complètement. Nous voyons ce processus entre les points c en d. La force libérée par l’allumage pousse le piston vers le bas. Le volume augmente et la pression diminue. On voit ça entre les lettres d en e;
- Course d'échappement : La soupape d'échappement s'ouvre et le piston chasse les gaz d'échappement. Le volume diminue, la pression reste constante (e naar a).
Les constructeurs de véhicules hybrides l’adaptent de plus en plus ces jours-ci Principe d'Atkinson-Miller pour réduire la résistance mécanique pendant la course de compression. Cela se reflète dans la ligne ascendante de la course de compression dans le diagramme indicateur.
*Dans l'explication, nous parlons d'une pression égale pendant la course d'admission. C’est en partie exact. Pendant la course d'admission, l'accélération du piston est maximale à environ 60 degrés après le PMH. L'air entrant ne peut pas suivre le piston. À ce moment-là, une pression négative maximale d’environ -0,2 bar est créée. La pression dans le cylindre augmente alors à nouveau. L'inertie de masse de l'air entrant garantit que l'air continue de circuler dans le cylindre tandis que le piston remonte. L'ampleur de la dépression dépend de la position du papillon des gaz et de la vitesse. Un papillon des gaz encore plus fermé fournit une plus grande dépression à un régime moteur constant. Nous avons négligé l'augmentation de la dépression lors de l'accélération maximale du piston dans le texte et les images ci-dessus.
Progression de la pression au cours du processus à quatre temps d'un moteur diesel :
Nous voyons ici un diagramme indicateur d'un moteur diesel.
- course d'admission : le piston passe du PMH au PMH et aspire de l'air (si le moteur est suralimenté) ;
- course de compression : le piston se déplace vers l'ODP. L'air est comprimé et la température monte à plus de 100 degrés Celsius en raison de l'augmentation de la pression. À la fin de la course de compression, le carburant diesel est injecté. L'injection de carburant commence 5 à 10 degrés avant le PMH et se termine entre 10 et 15 degrés après le PMH ;
- course motrice : comme le carburant diesel est injecté à la fin de la course de compression, il commence à brûler tandis que la pression reste constante. La pression dans la partie (presque) horizontale reste constante, tandis que le volume augmente.
Lors du coup de moteur, nous observons la dissipation thermique isobare du processus cyclique théorique.
Comme pour le moteur à essence, on constate que la soupape d'échappement s'ouvre avant que le piston n'atteigne le PMH. Le chevauchement des soupapes se produit également parce que la soupape d’admission s’ouvre plus tôt que la soupape d’échappement ne se ferme.
Variation de pression lors de conditions de fonctionnement variables :
Outre les propriétés du moteur qui déterminent le diagramme indicateur, les conditions de fonctionnement (lire : charge du moteur) influencent également celui-ci. Une pression élevée au-dessus du piston n’est pas toujours présente ou nécessaire.
Les trois diagrammes indicateurs ci-dessous montrent la variation de pression en fonction des degrés du vilebrequin. Les diagrammes ont été enregistrés dans les conditions suivantes :
- charge partielle : 3/4 de charge à n = 4200 tr/min ;
- pleine charge : à n = 2500 tr/min ;
- freinage moteur : à n = 6000 tr/min papillon fermé.
Nous constatons des différences dans la pression maximale du gaz dans la bouteille entre la charge partielle et la pleine charge. Lors du «freinage moteur», le papillon des gaz est fermé et il y a un vide poussé dans le conduit d'admission et dans le cylindre. En raison de cette dépression, la pression de compression n'est pas supérieure à 3 à 4 bars.
Perte de débit :
Pendant la course d'admission, un vide est créé dans le cylindre. Aspirer de l’air coûte de l’énergie. Nous le voyons également dans le diagramme des indicateurs. Entre les points a et b, la ligne rouge descend en dessous de p0 (la pression atmosphérique de l'air extérieur). Il y a un vide en dessous de cette ligne pointillée (zone -W). Nous appelons cela des pertes de flux ou des pertes de rinçage.
Le travail négatif (-W) coûte de l'énergie et n'est donc pas souhaitable. Le rinçage demande du travail. La pression de sortie est supérieure à la pression d'entrée. La boucle de rinçage se fait dans le sens antihoraire sur les moteurs auto-amorçants.
Les fabricants appliquent des techniques pour limiter les pertes de débit :
- calage variable des soupapes;
- ouverture de valve rapide et large ;
- dimensionnement optimal des canaux d'entrée ;
- parcours fluide des canaux dans le conduit d'admission (empêchant les transitions brusques);
- suralimentation (au moyen d'un turbo et/ou d'un compresseur mécanique).
Les moteurs équipés de suralimentation ont moins ou pas de tendance négative dans le diagramme indicateur. La boucle de bobine tourne dans le sens des aiguilles d’une montre et produit désormais du travail. La pression de suralimentation aide à pousser le piston vers le bas (du PMH à l'ODP) pendant la course d'admission. Le travail nécessaire du compresseur est extrait des gaz d'échappement, car la roue du compresseur du turbo est entraînée par la roue de la turbine. Cela signifie que les moteurs suralimentés sont beaucoup plus efficaces dans les mêmes conditions que les moteurs auto-aspirés.
Influence du calage de l'allumage sur le schéma indicateur :
Pour obtenir la consommation de carburant la plus faible possible et un rendement élevé, il est important d'atteindre les objectifs suivants :
- un temps de combustion court, donc une vitesse de combustion élevée. Cela a à voir avec la composition du mélange ;
- phasage correct de la combustion par rapport au mouvement du piston. Cela concerne directement le calage de l’allumage. Le centre de gravité de la combustion doit être d'environ 5 à 10 degrés de vilebrequin après le PMH. Le centre de gravité est le dégagement de chaleur qui se produit lors de la combustion.
Un allumage trop précoce ou trop tard entraîne un dégagement de chaleur accru à travers la paroi du cylindre et donc une réduction de la qualité.
- Allumage trop précoce : la pression monte trop tôt car la combustion démarre tôt pendant la course de compression. Le piston est fortement freiné avant le PMH par la pression de combustion. Un allumage trop précoce entraîne des pressions de pointe élevées, entraînant une réduction de l'efficacité mécanique et un risque de défauts du moteur.
- Allumage trop faible : la combustion est initiée trop tard. Le piston se déplace déjà vers l'ODP, ce qui fait que la pression dans l'espace en expansion devient insuffisamment élevée. Les gaz encore brûlants s’écoulaient également par les soupapes d’échappement. En conséquence, la température monte trop haut. Un mélange pauvre donne le même résultat : le gaz brûle trop lentement. Si le mélange est trop pauvre, le gaz brûlera quand même au début de la course d'admission. Pour cette raison, un retour de flamme peut se produire dans les moteurs à carburateur.
Un système de gestion moteur moderne détermine le calage de l'allumage correct à partir de ses paramètres : dans tous les cas, le calage de l'allumage doit être aussi proche que possible de la limite de cognement.
Evolution de la pression dans le diagramme p-α :
Le diagramme indicateur peut être converti en diagramme de force tangentielle. Ceci montre la force tangentielle en fonction de l'angle de vilebrequin (alpha). Nous transformons le diagramme indicateur en un diagramme dans lequel la pression (p) est représentée en fonction de l'angle (α) : le diagramme p-α.
Dans l'image suivante, nous voyons le profil de pression dans le cylindre à pleine charge.
Les points bleus indiquent, comme dans la partie « schéma indicateur », à quelle heure les vannes s'ouvrent et se ferment :
- Ouverture (Io) et fermeture (Is) des vannes d'admission
- Les soupapes d'échappement s'ouvrent (Uo) et se ferment (Us).
De plus, les degrés du vilebrequin nous permettent de voir sur quelle course le moteur travaille :
- 0 degrés : PMH (fin de course d'échappement, début de course d'admission)
- 180 degrés : ODP (fin de course d'admission, début de course de compression)
- 360 degrés : PMH (fin de course de compression, début de course de puissance)
- 540 degrés : ODP (fin de course motrice, début de course d'échappement)
Pression de gaz de pointe :
La pression maximale du gaz est la plus élevée pendant la course motrice. Le niveau de pression dépend de la charge du moteur : lorsque le moteur délivre beaucoup de puissance, la pression de combustion sera plus élevée qu'à charge partielle.
Les quatre images ci-dessous le montrent : l'ouverture du papillon TP (Throttle Position) donne une indication du degré de charge du moteur par rapport à la rotation du vilebrequin CA (Crank Angle). Dans un moteur essence moyen, une pression de 4000 5000 kPa en moyenne est créée lors de la combustion à charge partielle et dans ce cas d'environ 6000 XNUMX kPa à pleine charge. Dans les moteurs à injection en couches, réglage de l'arbre à cames et levée de soupape variable, la pression peut dépasser XNUMX XNUMX kPa.
Pression moyenne du gaz :
Pendant le processus de travail, la pression dans le cylindre varie énormément. Pendant la course d'admission, il y a un vide (si un turbo à gaz d'échappement fournit une pression d'air d'admission accrue), et après la course de compression, il y a un pic de pression. Plus la pression maximale du gaz est élevée, plus la combustion est puissante.
Pour déterminer la pression moyenne du processus de combustion, nous pouvons diviser le diagramme indicateur en petits rectangles de largeurs égales. L'image suivante montre des rectangles bleus et verts. En calculant l'aire des rectangles bleus, nous pouvons calculer la pression positive. Nous en soustrayons ensuite l’aire des triangles verts. On se retrouve alors avec la pression moyenne du piston.
Avec la pression moyenne du piston, nous pouvons déterminer, entre autres, la puissance indiquée et effective du moteur. Visitez la page : actifs, pertes et rendements pour en savoir plus à ce sujet.
Sur l'image, nous voyons que la ligne rouge tombe à l'extérieur des rectangles bleus : si nous réduisions la largeur de chaque rectangle et que nous pouvions donc placer plus de rectangles les uns à côté des autres, nous obtiendrions de moins en moins d'écart. Nous pouvons appliquer cela à l’infini. Bien sûr, en réalité, nous n’allons pas faire cela. En appliquant des fonctions mathématiques, nous pouvons déterminer mathématiquement la surface. Nous faisons cela avec intégrer.
