Les moteurs à combustion interne essence

Les moteurs à combustion interne essence

Description du moteur à essence 

Le moteur à allumage commandé (AC) est l’un des membres éminents de la grande famille des moteurs alternatifs à combustion interne, c’est-à-dire des moteurs qui produisent du travail par action directe sur un piston de la pression provenant de l’inflammation d’un mélange combustible, avec transformation du mouvement alternatif en rotation par l’intermédiaire d’un système bielle-manivelle.
Le terme « allumage commandé » vient de ce que l’inflammation est initiée au moyen d’une étincelle, généralement d’origine électrique, en un moment bien déterminé du cycle.
L’alimentation avec des mélanges homogènes d’air et de vapeur de carburant est indispensable pour assurer un bon allumage, ce qui impose des carburants de bonne volatilité, telles les essences de pétrole, d’où son appellation, plus familière, de « moteur à essence ». Son omniprésence dans le domaine de la traction routière, et particulièrement dans celui de l’automobile, est à l’origine de sa grande popularité ; rares sont les propulseurs capables actuellement de le concurrencer dans cette utilisation

Principe de fonctionnement 

La grande majorité des moteurs AC fonctionne selon le cycle à 4 temps, qui dure 2 tours de moteur et dont les phases caractéristiques sont les suivantes :
Temps 1. Admission
Elle se produit alors que le piston descend du PMH au PMB, créant ainsi une dépression dans le cylindre et l’aspiration du mélange carburé ou de l’air dans le cas particulier des moteurs à injection directe. Les vitesses des gaz sont plutôt élevées (la vitesse du son peut être atteinte au passage des soupapes) et l’inertie des masses gazeuses ne peut pas être négligée.
Temps 2. Compression-allumage
Les soupapes étant fermées, le piston remonte vers le PMH en comprimant la masse gazeuse enfermée. La pression dans le cylindre croît et, sans combustion, elle attendrait à pleine ouverture 10 à 20 bar au PMH, selon le taux de compression. L’allumage intervient quelques instants (avance à l’allumage) avant le PMH (10 à 20 °V), afin de prendre en compte le délai nécessaire au développement de la combustion.
Temps 3. Combustion-détente
La combustion se développe et la pression croît rapidement pour arriver normalement à son maximum une dizaine de degrés après le PMH, atteignant des valeurs supérieures à 60 bar à pleine charge.
Temps 4. Échappement
La soupape d’échappement s’ouvre lorsque le piston atteint le PMB, les gaz de combustion s’évacuent, au début sous l’effet de leur propre pression, puis sous la poussée du piston qui avant le PMB (AOE = avance ouverture échappement), et se fermer après le PMH (RFE = retard fermeture échappement). Il peut se trouver ainsi quelques instants pendant lesquels les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes simultanément : c’est le croisement de soupapes. Il est d’autant plus important que le moteur doit être performant à haut régime

Alimentation en air

Un conduit amène l’air extérieur à un élément filtrant, un autre conduit éventuellement équipé d’un débitmètre amène cet air au boîtier papillon dont l’ouverture est réalisée au moyen d’un actionneur électrique, l’air est ensuite amené au moteur par l’intermédiaire d’un répartiteur qui joue le rôle de volume de tranquillisation appelé plénum et dont le volume est de l’ordre de deux à trois fois celui de la cylindrée du moteur. Le circuit d’admission comprend également la communication avec le circuit de réaspiration des vapeurs de carburant issues du réservoir et l’arrivée du circuit de recirculation des gaz d’échappement. On pourra également trouver des artifices de pilotage de la caractéristique acoustique à des fins de contrôle du niveau sonore ou d’adaptation de la loi de remplissage du moteur.
Ce circuit supporte les capteurs de débit et de température d’air, de pression dans le collecteur, le boîtier papillon avec son actionneur, son capteur de position angulaire et, éventuellement, une résistance de réchauffage pour éviter la formation de givre.

Le système d’allumage 

Dans les moteurs à essence le mélange est enflammé par une étincelle venant de la bougie d’allumage .le système d’allumage sert à transformer le courant de basse tension en courant de haut tension et de repartir ce courant vers les cylindres .ce système contient :
• la batterie : La batterie a pour rôle de fournir le courant électrique pour le lancement du moteur.
• La génératrice : Durant la marche du moteur .la génératrice produit le courant électrique nécessaire pour le fonctionnement du moteur.
• La bobine d’allumage : Elle joue un rôle d’un transformateur, qui transforme le courant de basse tension en courant à haute tension.

Nouvelles voies envisagées pour la réduction de la consommation des carburants et des émissions de polluants 

Les efforts pour diminuer la consommation en carburant et les émissions de gaz polluants s’orientent aujourd’hui dans trois directions principales :
– L’amélioration de la combustion proprement dite par la conception de nouveaux moteurs plus performants, en utilisant les méthodes CFD (computational fluid dynamics) combinés à des essais expérimentaux et des modèles de cinétique chimique.
– L’amélioration des techniques de post-traitements des gaz émis à la sortie du moteur: pot catalytique, filtres à particules.
– La reformulation des carburants en essayant par des programmes expérimentaux d’établir des corrélations empiriques entre la composition chimiques du carburant et les émissions.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : les moteurs à combustion interne essence
1.1.Introduction
1.2.Description du moteur à essence 
1.3.Classification des moteurs à allumage commandé
1.3.1.Selon le nombre de temps
1.3.2.Selon le type de d’injection
1.3.3.Selon le nature de carburant
1.3.4.Selon l’alimentation en air
1.3.5.Selon le mode de refroidissement
1.3.6. Selon le mode de lubrification
1.3.7.Selon les caractéristiques géométriques
1.4.Principe de fonctionnement
1.5.La chronologie de combustion
1.5.1.Diagramme théorique (diagramme idéal)
1.5.2.Le diagramme réel
1.5.3.Le diagramme pression en fonction de vilebrequin
1.6.Les systèmes d’alimentation
1.6.1.Les systèmes d’alimentation en carburant
1.7.La constitution de système d’alimentation en carburant 
1.7.1.Le circuit d’alimentation
1.7.2.Eléments constitutifs
1.7.3.Les combustibles
1.8.Alimentation en air
1.9.Le système d’allumage
1.10.Le refroidissement et le graissage
1.10.1.Le refroidissement
1.10.2.Circuits et système de graissage
1.11.Les émissions polluantes
1.11.1.Monoxyde de carbone
1.11.2.Gaz carbonique
1.11.3.Oxyde d’azote
1.11.4. Hydrocarbures
1.12. Nouvelles voies envisagées pour la réduction de la consommation des carburants et des émissions polluants
1.12.1. Amélioration de la combustion dans les moteurs
1.12.2. Les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement
1.13. Conclusion 
Chapitre 2 : formulation mathématique
2.1. Introduction
2.2. Équations de la phase gazeuse 
2.2.1. Équations de transport des espèces chimique m
2.2.2. Equation de conservation de la masse
2.2.3. Equation de quantité de mouvement
2.2.4. Transport de l’énergie
2.3. Approche de RANS
2.4. Modèle de turbulence k-ε et RNG k-ε
2.5. Équations de la phase liquide
2.5.1. Modèles d’atomisation
2.5.2. Collision
2.5.3. Evaporation
2.6. Modèle du transfert thermique (loi de paroi)
2.7. Les Modèles chimiques
2.7.1. Modélisation de la combustion turbulente
2.8. Modèle de formations des polluants
2.8.1 .Le modèle de formation de NOx
2.8.2 Modèle de formation des suies (Hiroyasu-NSC )
2.9. Conclusion 
Chapitre 3 : Le code de calcul CFD CONVERGE
3.1. Introduction
3.2. L’outil CFD
3.3. Description du code CFD converge
3.3.1. Structure standard de Converge V 2.2
3.3.2. Les techniques de maillage
3.3.3. Les démarches numériques
3.4. Les fichiers de sortie et d’entrée dans converge
3.4.1. Descriptions des fichiers d’entrée
3.4.2. Descriptions des fichiers de sortie
3.5. Présentation du banc d’essais moteur 
3.5.1. Les spécifications du moteur
3.5.2. Spécifications d’injections
3.5.3. Distribution des valves
3.5.4. La bougie
3.6. Préparation des calcules par converge V 2.2 
Chapitre 4 : Résultats des simulations numériques
4.1. Introduction
4.2. Présentation de l’expérience 
4.2.1. Les conditions initiales
4.2.2. Les conditions aux limites
4.3. Domaine du calcul 
4.4. Choix des modèles de simulation
4.5. Discussion des résultats de simulation
4.5.1. Validation du code
4.5.2. Le taux de dégagement de chaleur et la température
4.5.3. L’évolution de la masse
4.5.4. Emissions moyennes du cycle
4.6. Champs scalaires
4.6.1. Evolution de spray (C8H18)
4.6.2. Champs de température
4.6.3. Propagation de la flamme
4.7 conclusion
Conclusion

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