Généralités sur les moteurs à combustion interne

Généralités sur les moteurs à combustion interne

Technologie de moteur diesel

Historique

1897 Le premier moteur conçu par un ingénieur thermicien, Rudolf DIESEL, fonctionne en Allemagne. Il résulte de travaux théoriques destinés à améliorer le rendement thermodynamique. Ce moteur, qui a un rendement de 26,2 % (à rapporter aux 20 % du moteur à essence de l’époque), développe une puissance de 27 kW pour une cylindrée d’environ 20 litres .
– 1936 Mercedes produit en petite série la première voiture à moteur Diesel, la 260D .
– 1938 Peugeot réalise une série d’un millier de modèle 402 .
après la seconde guerre mondiale, ce type de véhicule est toujours produit .
-1973 la crise pétrolière favorise la généralisation des voitures à moteur Diesel .
-1988 Fiat produit la première voiture de série équipée d’un moteur à injection directe .
-1989 Audi présente la première voiture équipée d’un moteur à injection directe à régulation électronique .
-1998 premières applications de l’injection directe à rampe commune réalisée par Bosch sur des véhicules de série.
-2000 plusieurs constructeurs européens produisent une version de leur véhicule de prestige équipé d’un moteur V8 Diesel à injection directe à rampe commune.

Principe de fonctionnement

Un moteur Diesel fonctionne différemment d’un moteur à essence. Même si leurs principaux organes sont semblables et s’ils respectent le même cycle à quatre temps, un moteur Diesel et un moteur à explosion présentent des différences sensibles, en particulier dans la façon dont le mélange carburé y est enflammé et dans la manière dont la puissance délivrée y est régulée.
Dans un moteur Diesel, l’allumage est obtenu par une auto-inflammation du carburant à la suite de l’échauffement de l’air sous l’effet de la compression.
Un rapport volumétrique normal est de l’ordre de 20 à 1 pour un moteur Diesel .Un tel taux de compression porte la température de l’air dans le cylindre à plus de 450 °C. Cette température étant celle de l’auto-inflammation du gazole, celui-ci s’enflamme spontanément au contact de l’air, sans qu’il y ait besoin d’une étincelle, et, donc, sans système d’allumage. le moteur Diesel, aspire toujours la même masse d’air (à régime égal) par un conduit de section constante dans lequel seule s’interpose la soupape d’admission (il n’y a ni carburateur, ni papillon).
A la fin de la phase d’admission, la soupape d’admission se ferme, puis le piston, soumis à l’inertie de l’ensemble vilebrequin-volant moteur, remonte vers le haut du cylindre en comprimant l’air dans environ 1/20 de son volume initial. C’est à la fin de cette phase de compression qu’une quantité précisément dosée de carburant (gazole) est injectée dans la chambre de combustion. En raison de la température élevée de l’air comprimé, ce carburant s’enflamme immédiatement et les gaz chauds, en se dilatant, repoussent le piston avec force.
Quand le piston remonte dans le cylindre, lors de la phase d’échappement, la soupape d’échappement s’ouvre pour laisser les gaz brûlés et dilatés s’évacuer dans le système d’échappement. A la fin de la phase d’échappement, le cylindre est prêt à admettre une nouvelle charge d’air frais afin que le cycle complet recommence. La masse d’air aspirée est réglée par l’ouverture.

Avantages et inconvénients du moteur diesel

Le moteur diesel fournit de l’énergie mécanique meilleure que le moteur à essence pour les raisons suivantes :
Le rendement est élevé.
Le combustible employé pour les moteurs Diesel est relativement bon marché.
Les gaz d’échappement sont moins toxiques.
Les dangers d’incendie sont réduits.
En effet, le gas-oil ne produit des vapeurs inflammables que chauffé aux environs de 80°c, soit à une température nettement supérieure à celle de l’été. Par contre, l’essence produit des vapeurs inflammables à une température bien inférieure. Cependant le moteur Diesel présente les inconvénients suivants :
Les organes du moteur sont soumis à des pressions et des températures élevées donc à des efforts considérables, si bien que la construction de ces moteurs pose des problèmes mécaniques plus complexes que ceux des moteurs à explosion. Les hautes températures sont indispensables pour enflammer spontanément le carburant injecté, ce qui nécessite des matériaux ayant une bonne tenue aux températures élevées.
Les pressions en cours de combustion normale sont élevées et augmentent s’il se produit des « ratés d’inflammation ». En effet, au combustible non brûlé à la sortie de l’injecteur, s’ajoute le combustible injecté au cycle suivant, l’inflammation s’accompagne alors d’une élévation de pression considérable.
En conséquence :
– les pièces doivent être largement calculées.
– la construction est donc lourde.
– l’étanchéité entre piston et cylindre est difficile à réaliser, d’où obligation de disposer sur les pistons d’un nombre suffisant de segments.
– une température constante assez élevée est indispensable pour obtenir une bonne combustion. Il faut donc prévoir un refroidissement correct du moteur.
– l’entretien d’organes de précision tels que les injecteurs ou la pompe d’injection nécessite l’intervention de spécialistes qualifiés.
– le graissage est délicat en raison des pressions élevées transmises par le piston à tous les organes mobiles du moteur

Classification et technologies des moteurs diesel

Moteurs à injection directe

Le système d’injection directe est assez commun entre un moteur diesel et un moteur essence, ce qui n’est pas le cas pour l’injection indirecte dont la conception change en partie.
L’injection directe est de plus en plus répandue (c’est même systématique maintenant) pour des raisons environnementales.
le bout de l’injecteur donne directement dans la chambre de combustion (le cylindre), il va donc pulvériser le carburant directement dans cette chambre au moment voulu, plus ou moins tôt, plus ou moins souvent et avec plus ou moins de carburant.
Une injection directe permet de garder plus propre l’admission puisqu’il n’y que de l’air qui y passe et non pas le mélange air + carburant. La forme des injecteurs est aussi assez différente entre une injection directe et indirecte.
Ce type d’injection implique aussi généralement de plus fortes pressions car ce type de moteurs a un taux de compression plus élevé. Cela induit donc une injection qui doit être plus performante en injectant le carburant avec plus de force (la pression est donc supplémentaire et les injecteurs subissent plus de contraintes). L’injection d’un moteur à injection indirecte est donc potentiellement plus fiable dans le temps au niveau des injecteurs et de la pompe qui montent moins en pression. l’injection directe permet d’envoyer plusieurs jets au lieu d’un seul pour un même cycle.

moteur à injection indirecte

L’application du moteur Diesel aux véhicules automobiles légers privilégie parfois le silence de fonctionnement au détriment d’une légère surconsommation.
Pour satisfaire à ces conditions, les moteurs Diesel montés sur les voitures étaient, jusqu’à un passé récent, de type à chambre divisée (injection indirecte).
Deux principes sont utilisés : les préchambres et les chambres de turbulence. Dans ces deux cas, la combustion se déroule dans deux volumes séparés : une chambre, représentant 30 à 60% du volume total, qui reçoit l’injection du carburant et où s’amorce la combustion, et une chambre principale dans laquelle elle s’achève.
L’injection du carburant dans ce petit volume relativement chaud permet de réduire le délai d’allumage du combustible. Seule la quantité minimum de combustible nécessaire à l’amorçage de la combustion s’enflamme, le reste se trouve chassé de la préchambre par l’augmentation de pression et la combustion se poursuit dans la chambre principale.
Les moteurs à injection indirecte remplissent les conditions requises pour son application à l’automobile, à savoir un relatif silence de fonctionnement et un faible taux d’émissions de NOx.

Les moteurs à injection haute pression à rampe commune

Contrairement aux systèmes à pompe distributrice, la pression d’injection est indépendante de la vitesse de rotation du moteur et demeure constante pendant la phase d’injection.
Le pilotage de l’injection par un calculateur électronique laisse une grande latitude de programmation aux motoristes.
La quantité de combustible injecté peut être fractionnée pour réaliser une pré-injection, ce qui permet de réduire les bruits de combustion et la formation de NOx.
Cette faible quantité de carburant (1 à 4 mm3) permet de préparer, par une augmentation de la température et de la pression dans la chambre de combustion, l’inflammation du combustible lors de l’injection principale.
Les véhicules équipés de filtres à particules présentent une phase de nettoyage qui nécessite une post-injection, rendue possible grâce au pilotage des injecteurs par un calculateur électronique.

Dérivation des gaz de turbine (wastegate )

Dans le cas de moteurs à grande plage de variation de vitesse, comme c’est le cas de tous les moteurs automobiles, il est impératif de donner un degré de liberté supplémentaire à la turbine pour l’adapter aux variations correspondantes de débit d’air. La solution la plus communément utilisée consiste à dériver une partie des gaz de turbine. Le clapet de dérivation (wastegate), souvent intégré au corps de turbine pour des raisons économiques, est, le plus souvent, commandé par un vérin pneumatique. Le dimensionnement de la turbine est effectué de façon à obtenir la pression d’air souhaitée aux faibles régimes de rotation moteur, plein couple. Le clapet est alors maintenu fermé. La caractéristique de débit de la turbine choisie contient donc le point de fonctionnement correspondant à ce régime, A.
À un régime de fonctionnement correspondant à un débit de gaz plus grand, c’est-à-dire à grande vitesse, le point représentatif du fonctionnement sans dérivation de gaz est le point B, situé au-dessus de la courbe caractéristique choisie ; le fonctionnement n’est donc pas possible dans ces conditions. La dérivation d’une partie des gaz turbine permet de trouver des conditions de fonctionnement telles qu’avec un débit de gaz plus faible la puissance turbine est conservée.

Turbine à géométrie variable

Dans la turbine à géométrie variable, on fait varier la section d’entrée de la turbine de façon à obtenir le rapport de détente souhaité en tout point du fonctionnement, quelles que soient les valeurs de débit et de température des gaz d’échappement .Dans la plupart des cas d’utilisation actuels, la plage de variation de débit est suffisante pour que ce dispositif soit utilisé seul, sans dérivation complémentaire.
Différents dispositifs de turbines à géométrie variable sont utilisés ou en développement. Le système à ailettes pivotantes  est le plus connu actuellement ; dans les applications automobiles, il possède un rendement maximal de 65 % environ et permet une variation de débit de plus ou moins 50 % par rapport au débit de rendement maximal dans des conditions de rendement supérieur à 50%.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités sur les moteurs à combustion interne
1 :Introduction générale moteurs thermiques
2 : Moteurs à combustion interne
2-1 :Moteurs alternatifs
2-2 : Turbomachines : (turbine à gaz)
2.3 :Moteur WANKEL à piston rotatif
2-3-1 : Avantages
2-3-2 :Inconvénients
3: Architecture de moteur thermique
3-1 : Définition des organes de moteur
3-1-1 : organes fixes
3-1-1-1 : bloc moteur
3-1-1-2 : La chemise de cylindre
3-1-1-3 : la culasse
3-1-2 : Organe mobile
3-1-2-1 : Arbre à cames
3-1-2-2 : Les soupapes
3-1-2-3 : Le piston
3-1-2-4 : Les segments
3-1-2-5: La bielle
3-1-2-6 : Le vilebrequin
3-1-2-7 : Distribution
4 : Principe de fonctionnement d’un moteur 
4-1: Les caractéristiques
4-1-1 : L’alésage
4-1-2: La course
4-1-3: La cylindrée
4-1-4 :La cylindrée totale
4-1-5 : Le rapport volumétrique
4-2 : Moteur à quatre temps
4-2-1 : 1er Temps : Admission
4-2-2 :2èmeTemps :compression
4-2-3 : 3ème Temps : Combustion
4-2-4 : 4ème Temps : Echappement
4-3 :moteur deux temps
4-4:Conclusion
Chapitre 2 :Technologie de moteur diesel
1 :Introduction 
2 : Historique 
3 : Principe de fonctionnement
4 : Combustion et émissions polluant en moteur diesel
4-1 : Combustion dans le moteur diesel
4-1-1: Analyse de la combustion
4-1-2 : Le délai d’allumage ou délai d’inflammation
4-1-3 : La phase incontrôlée
4-1-4: La combustion contrôlée
4-2 :Les émissions polluantes du moteur Diesel
4-2-1 : Les émissions polluantes
4-2-2 :Evolution de la législation sur les émissions polluantes
5 : Avantages et inconvénients du moteur diesel
6 : classification et technologies des moteurs diesel
6-1 :Moteurs à injection directe
6-2 : moteur à injection indirecte
6-3 : Les moteurs à injection haute pression à rampe commune
6-4 :nombre de cylindres
6-4 :Suralimentation
7 :Le circuit d’alimentation basse pression 
7-1 : Description
7-2 :La pompe d’alimentation
7-3 : La pompe mécanique à engrenages
7-4 : La pompe électrique à rouleaux
7-5 :L’élément filtrant
8 :Le circuit d’alimentation de la pompe haute pression
8-1 :Le circuit d’alimentation haute pression La pompe haute pression
8-2 :La rampe commune haute pression
9 : Les injecteurs 
9-1 : description
9-2 : Principe de fonctionnement
9-3 : Régulation de l’avance
10 :Les principaux capteurs 
10-1 : Le capteur de pression absolue
10-2 :Le capteur de régime
10-3 :Le capteur de température du moteur
10-4: Le capteur de température de carburant
10-5 : Le capteur de pression d’air d’admission
10-8 :Le débitmètre d’air à film chaud et le capteur de température d’air d’admission
Chapitre 3 :Suralimentation par turbocompresseur
Introduction
1- Caractéristiques de la boucle de suralimentation 
1-1 Moteur suralimenté par turbocompresseur
1.1.1 Caractéristiques fonctionnelles
1.2 Compression de l’air d’admission
1.2.1 Puissance de compression
1.2.2 Rendement isentropique du compresseur
1.2.3 Refroidissement de l’air d’admission
1.3 Utilisation de l’énergie des gaz d’échappement
1.3.1 Détente des gaz d’échappement et puissance de la turbine
1.3.2 Rendement de la turbine
1.3.3 Énergie récupérable dans les gaz d’échappement
1.4 Boucle de suralimentation
1.4.1 Autonomie du turbocompresseur
1.4.2 Influence des conditions de fonctionnement
1.5 Cahier des charges du turbocompresseur
2. Caractéristiques fonctionnelles
2.1 Compresseur centrifuge
2.1.1 Courbes caractéristiques
2.1.2 Limites d’utilisation
2.1.3 Choix et adaptation du compresseur
2.2 Turbine radiale centripète
2.2.1 Courbes caractéristiques
2.2.2 Choix et adaptation de la turbine
2.2.3 Pulsations de pression et turbine divisée
2.3 Dérivation des gaz de turbine (wastegate)
2.4 Turbine à géométrie variable
3. Adaptation du turbocompresseur au moteur
3.1 Sensibilité du moteur Diesel à la suralimentation
3.2 Cas types d’adaptation de turbocompresseur
3.2.1 Moteur de véhicule industriel
3.2.2 Moteur Diesel automobile
3.3 Contrôle de la boucle de suralimentation
3.3.1 Limite et régulation de pression
3.3.2 Dispositif antipompage compresseur
3.4 Accélération du moteur suralimenté par turbocompresseur
3.5 Assistance du turbocompresseur en accélération
4. Technologie du turbocompresseur et installation sur moteur
4.1 Matériaux
4.1.1 Roue de turbine
4.1.2 Corps de turbine
4.1.3 Roue de compresseur
4.2 Système paliers
4.3 Vibrations et bruit
Chapitre 4:étude d’un cas réel de moteur diesel
1 :Introduction
2 : La modélisation de la combustion 
2-1 :Influence de la pression sur la combustion diesel
2-2 Modèle physique de chambre de combustion
2-2-1)Propriétés du carburant
2-2-2) Propriétés du comburant (air)
2-3 :Formulation mathématiques
2-4 : Équations de bilan pour un écoulement réactif turbulent
2-4-1 :Équations de conservation de la masse
2-4-2 :Équations de conservation de la quantité de mouvement
2-4-3 Équations de conservation de l’énergie
2-4-4 :Moyenne de Reynolds et Favre
2-4-5 : Equation de conservation de l’espèce chimique
2-4-6 : Equation de conservation de la quantité de mouvement
2-4-7 : Equation de conservation d’énergie totale
2-4-8 : Le modèle (k,?)standard
2.5 Les conditions Initiale et aux limites
2-5-1 : Les conditions Initiales
2-5-2 : Les conditions aux limites
2.6 Simulation numérique
2-6-1 : Création de la géométrie de chambre de combustion:
2-6-2 : Le maillage de chambre de combustion
2.7 Résultat et discussion
2-7-1 : L’équation de la combustion de mélange
3: Influence de la pression sur les performances du moteur
4 : Description du cycle
5 :Formules des caractéristiques de thermodynamique de cycle
5-1 :Rendement théorique
5-2 : Consommation spécifique
5-3 :Travail – couple – puissance
5.4 :Le travail fourni
5-5 :Pressions moyennes effectives
6 : Application de moteur diesel 
6 -1 :L’évolution de cycle mixte avec l’augmentation de la pression
7 : Courbe caractéristique en fonction de la pression
7-1 :Interprétation

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