MOTEUR A COMBUSTION OU DIESEL

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Les moteurs à combustion interne :

Les moteurs à combustion interne transforment l’énergie calorifique latente du combustible en énergie mécanique.
Il existe deux types de moteur :

Moteur à explosion

La combustion est provoquée par l’apport de chaleur nécessaire au déclenchement du processus de combustion. Cette chaleur est produite, à un instant donné, par l’effet d’une étincelle électrique. Dans ce cas, la majorité des moteurs d’automobile utilisent l’essence comme combustible, celui-ci étant introduit dans les cylindres préalablement mélangé à l’air et ce mélange est réalisé par un dispositif appelé carburateur ; ils sont dits “ moteurs à explosion ” ou simplement “ moteur à essence ”
Au lieu d’être alimentés à l’aide d’un carburateur qui effectue le mélange carburé, certains moteurs peuvent être alimentés par une pompe d’injection : on les appelle « moteurs à injection d’essence »
Selon l’organisation du constructeur le moteur peut fonctionner soit en cycle de 4 temps, soit en 2 temps.
Il est 4 temps quand chaque temps du cycle à savoir : l’admission, la compression, l’explosion et détente, et enfin l’échappement correspond à quatre courses complètes du piston, soit de haut en bas, soit de bas en haut pendant un cycle, le piston fait quatre courses, deux descendantes et deux ascendantes ; la manivelle fait deux révolutions autour de l’arbre moteur, et ce dernier exécute deux tours complets autour de son axe.
Le cycle du moteur à deux temps comme celui du moteur à 4 temps comprend quatre phases : admission, compression, combustion-détente, échappement ; mais ces opération s’effectuent en un seul tour du vilebrequin au lieu de deux. Il existe toutefois une phase supplémentaire, la pré compression mais celle –ci se produit en dehors du cylindre

Moteur à combustion

Ainsi quand les moteurs sont organisés pour utiliser un combustible lourd comme le gazole, le combustible est injecté, à un instant donné, dans les cylindres à l’aide d’une pompe d’injection en fin de compression très élevée d’air pur et préalablement admis. La chaleur nécessaire à l’inflammation est obtenue par la compression de l’air. Donc ceci n’a pas besoin du carburateur pour le mélange ; le combustible est injecté dans le cylindre sous forme de vapeur à l’aide de la pompe d’injection.
Comme dans le moteur à explosion, les cycles de 4 temps et 2 temps existent aussi dans le moteur diesel.

Remarques

 La différence fondamentale qui existe entre ces deux types de moteur concerne le déclenchement de la combustion. (Voir Fig.01)
— L’allumage pour le moteur à “explosion ”
— L’injection pour le moteur “Diesel ”.
 Les cinq phasesde fonctionnement existent toujours. Quelque soit
le système mécanique mis en jeu
— moteur à piston alternatif, “4 temps” ou “2 temps”,
— moteur à piston rotatif: qui permet de réaliser la transformation de l’énergie sans faire appel aux mouvements alternatifs

MOTEUR A COMBUSTION OU DIESEL

Historique

La première tentative du cycle de Carnot (1824) sur le moteur à combustion interne fut élaboré par Beau de Rochas (1862) et réalisée par Otto (1864): c’était le moteur à essence alternatif à 4 temps.
Mais l’amélioration du rendement thermique du moteur par l’accroissement du taux de compression est limitée par le phénomène de la détonation du mélange air-essence qui apparaît lorsque la pression est trop élevée
Rudolf Diesel, ingénieur Allemand, né à Paris le 18 Mai 1858 et mourait en 1913 créa le moteur Diesel :
En 1897, il fabrique un moteur monocylindre, d’une puissance de 20ch à 172 tr/mn, à injection de combustible .L’alésage de ce moteur était de 250 mm, la course de 400 mm et sa consommation spécifique de 257 grammes par cheval et par heure. Le rendement thermique était de 26,2%, alors qu’à cette époque le rendement de la machine à vapeur était à peine de 10% et celui des moteurs à essence de 20% environ.

Principe de fonctionnement

Caractéristiques

On appelle, moteurs à combustion à pression constante (ou moteur à injection d’huile, ou Diesel) des moteurs dans lesquels on admet et comprime très fortement de l’air pur, le carburant « huile » étant injecté sous pression progressivement dans la chambre en fin de compression : la combustion est alors progressive et la pression reste sensiblement constante du fait de l’accroissement du volume de la chambre de combustion.
L’explosion est dite  » à volume constant  » ; alors que la combustion est dite « à pression constante » Les moteurs à combustion sont caractérisés par un taux de compression très élevé environ 18 à 20, permettant d’obtenir une température de 800˚C qui leurs confère un rendement supérieur à celui des moteurs à essence.
Le type de ce moteur est appelé : « moteur diesel « ; soit, dans le cas du moteur rapide d’automobile, suivant un cycle intermédiaire entre le cycle Diesel et le cycle à explosion »: »cycle mixte « , ou encore « moteurs à combustion » par opposition aux moteurs à explosions, ou encore « moteur à huile lourde », »moteurs à injection ».
-1er temps: Admission: – le piston descend et le cylindre se remplit de l’air pur à la pression atmosphérique .Au point mort bas (PMB) la soupape d’admission se ferme. On obtient sur le graphique la droite horizontale AB
-2ème temps. – Compression – le piston remonte et comprime l’air pur à une pression de l’ordre de 350 à 400 N/cm2 ce qui le porte à une température voisine de 600°C. On obtient la courbe BC.
-3ème temps – combustion et détente.- Au PMH, dans l’air comprimé et porté à haute température, on injecte du gazole finement pulvérisé et dure 15/100 environ de la course du piston soit 25° à 30° de la rotation du vilebrequin .Le volume de la chambre augmente pendant l’injection et au fur et à mesure que la combustion s’opère, la pression reste constante d’où la droite horizontale CD.
Lorsque tout le liquide a été injecté on a la courbe DE représentant la détente.
-4ème temps – Echappement – Au PMB la soupape d’échappement s’ouvre, la pression tombe instantanément à la pression atmosphérique on a alors la verticale EB, puis l’horizontale BA pendant que le piston remonte au PMH. La température tombe à 500° environ, la soupape d’admission s’ouvre et le cycle recommence.

Condition de combustion pour le Diesel

Quand le combustible est arrivé dans la chambre de combustion, il doit être sous forme de brouillard et non mélangé préalablement au comburant (air).Pour obtenir une combustion complète un excès d’oxygène est nécessaire dont la proportion est environ de 1 gramme d’huile pour 15,8 gramme d’oxygène.
Les premières gouttes d’huile injectées s’échauffent d’abord superficiellement jusqu’à la température d’ébullition puis la vapeur se mélange à l’air surchauffé et s’enflamme spontanément. Les gouttes suivantes arrivent dans la flamme qui existe déjà et dans une zone qui n’est pas aussi riche en oxygène mais dont la température est plus élevée; les dernières rencontrent encore moins d’oxygène .La combustion est donc progressivement retardée Il est indispensable :
– de pulvériser finement le combustible
– de le faire pénétrer et de repartir dans toute la chambre de la combustion
– de le mélanger intimement à l’air
Une bonne qualité de combustion est:
– immédiate c’est à dire dès le début d’injection,
– régulière et progressive, sans montée brutale de pression
– complète, sans laisser aucun résidu et en dégageant toute la chaleur dont le comburant est capable

Caractéristiques du combustible concerné

Le gazole est destiné à l’alimentation du moteur à combustion interne, il est le responsable de la combustion pour la production de la chaleur. Chimiquement, il est un mélange de carbone et d’hydrogène ou appelé tout simplement hydrocarbure. Le gazole est obtenu par la distillation du pétrole brut.
 Volatilité
La volatilité du gazole est vérifiée par la courbe de « distillation ». En pratique, la distillation du gazole commence vers 200°C et se termine aux environs 370°C.
La spécification légale indique la:
– limite inférieure: 250°C, qui est le point d’ébullition initial
– limite supérieure : 360°C, la fin de la distillation
 Densité
Selon l’origine et le mode de traitement du pétrole, la densité du gazole est variable, mais à 15°C, sa valeur moyenne est de 0,850 et diminue de 0,0007 à chaque degré d’élévation de température.
 Viscosité
Rappelons que le gazole doit être suffisamment fluide pour être injecté correctement dans le cylindre car les pompes d’injection sont construites avec des jeux d’usinage extrêmement réduits. Cependant la fluidité excessive est nuisible, parce que la pénétration du jet dans la chambre serait insuffisante par suite d’une pulvérisation trop fine. Dans le viscosimètre d’Engler la viscosité du gas-oil est comprise entre 1,3 à 2 à 20°C.
 Point d’écoulement
Des normes spécifient un point de congélation maximum de -10°C en hiver, mais toutefois, toutes les raffineries ont la possibilité de donner aux combustibles des points de congélation inférieurs.
 Teneur en impuretés
Un bon combustible doit avoir une teneur en soufre très faible, mais selon toujours la provenance et le traitement qu’il a subit, les pétroles bruts en contiennent en quantité variable.
Le maximum légal est de 1% mais un bon combustible pour un moteur diesel ne doit pas contenir plus de 0,5% de soufre, car en présence d’eau, il se forme de l’acide sulfurique qui peut attaquer les cylindres, la culasse et d’autres organes.
En 2006 le carburant pour Diesel en Amérique du Nord aura son contenu en soufre fortement réduit, rendant possible une diffusion populaire. Les teneurs en souffre des carburants sont diminuées dans l’ensemble des pays pour réduire les dérivés soufrés émis.
 Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique du gas-oil est la mesure de la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1[Kg] de celui-ci. Il n’est pas très distant de celui de l’essence car sa valeur moyenne est de 10800 [Cal/Kg].
 Indice de cétane
L’indice de cétane caractérise l’aptitude du gas-oil à s’auto-inflammer spontanément. Elle agit sur le délai d’allumage qui doit être aussi court que possible pour éviter un cognement trop intense. Plus l’indice est élevé, plus la température est basse et plus le délai est court. Les combustibles commerciaux ont un indice de cétane compris entre 40÷75, mais pour le gazole moteur, l’indice doit être au moins égale 50.

Délai d’allumage -Délai d’injection

On appelle délai d’allumage le temps mis par les premières gouttelettes injectées pour atteindre leur température d’inflammation .Il varie avec la dimension des gouttelettes, leur température au moment de l’injection et leur température d’inflammation .Lorsque le délai d’allumage est très grand , le fonctionnement du moteur devient brutal et bruyant .
Le délai d’allumage est d’autant plus faible :
– que la température d’inflammation du combustible est plus basse;
– que la température de l’air comprimé est plus élevée;
– que la température du liquide injecté est plus élevée;
– que le combustible est plus finement pulvérisé
Ainsi l’injection ne commence pas exactement qu’au moment où le piston de la pompe refoule le liquide sur l’injecteur. L’introduction dans la culasse s’effectue avec un léger retard dit « délai d’injection »: c’est le temps très court qui s’écoule entre l’ouverture du clapet de refoulement de la pompe et le début de l’injection à la sortie de l’injecteur.
Pour diminuer ce délai d’injection il faut diminuer le volume du combustible compris entre pompe et injecteur (diminution du corps de soupape de pompe et de la section des tuyauteries)
Par suite de délai d’allumage, certains phénomènes physiques et chimiques sont liés à la nature du combustible, se décompose en:
– Délai physique: c’est le temps pendant lequel les fines gouttelettes de gazole s’échauffent au contact de l’air jusqu’à leur vaporisation.
– Délai chimique: pendant ce temps, qui précède l’inflammation, se réalise la combustion du gazole. En principe, ce délai est entre 0,001 à 0,002 seconde; le vilebrequin balaye un angle de 10 à 20° pendant ce temps suivant la vitesse de rotation du moteur.
Ainsi, toute la quantité de combustible admise dans le cylindre pendant ce délai s’enflamme brusquement; il en résulte une élévation de la température et de la pression cause du « cognement « .

Le système d’injection

Il y a plusieurs systèmes d’injection mais dans notre cas on va parler des pompes d’injection mécanique en ligne à course de piston constante.
La pompe d’injection a pour rôle de refouler le combustible sous pression à travers un circuit qui comprend : des soupapes ou clapets, des conduites et des injecteurs.
Dans le moteur Diesel:
– le dosage doit correspondre très exactement aux besoins du moteur c’est-à-dire suivant la charge
– il doit être rigoureusement égal pour chaque cylindre
– l’injection doit se reproduire pendant un laps de temps très court et sans un égouttement ultérieur
– le régulateur de vitesse fait corps généralement avec la pompe d’injection. Il évite l’emballement du moteur à partir d’un certain régime, en neutralisant l’action du conducteur sur l’accélérateur. Il assure également le maintien d’un ralenti stable ou un régime régulier sur toutes les gammes de vitesses suivant le modèle de moteur utilisé.
Les étapes du fonctionnement sont les suivantes:
 Admission du combustible
Le piston descend au PMB afin d’avoir une dépression dans le corps de pompe. Lorsqu’il découvre les orifices X et Y d’admission, le combustible est aspiré .Celui-ci pénètre dans la chambre A et, par la rainure verticale, dans la chambre B, poussée par la pression d’alimentation. (Voir Fig.03)
La quantité du combustible dépend du temps pendant lequel le piston couvre l’orifice Y. Le temps est varié par la rotation du piston. Elle fait varier l’instant de la fin de refoulement déterminé par la rampe hélicoïdale.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I: GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES
I -1- Définition
I -2-Classification des moteurs thermiques
I -2-1-Les moteurs à combustion externe :
I -2-2- Les moteurs à combustion interne :
I -2-2-1- Moteur à explosion
I -2-2-2 Moteur à combustion
I -2-3- Remarques
Chapitre II: MOTEUR A COMBUSTION OU DIESEL
I I-1- Historique
I I-2- Principe de fonctionnement
I I-2-1- Caractéristiques
I I-2-2- principe de fonctionnement
I I-2-3- Condition de combustion pour le Diesel
I I-2-4-Caractéristiques du combustible concerné
I I-2-5- Délai d’allumage -Délai d’injection
I I-2-6- Le système d’injection
I I-2-7- Différents types de culasses – Caractéristiques d’injection
I I-3- Avantages et inconvénients du diesel
Chapitre III – ETUDE DU MOTEUR TYPE
I II-1- Le cycle mixte (moteur d’automobile)
I II-2- Caractéristiques du moteur
I II-3- calcul des paramètres thermodynamiques
I II-4- Exposants caractéristiques du moteur
I II-4-1- Exposants indiqués
I II-4-2- Exposants mécaniques
I II-4-3- Exposants effectifs
Chapitre IV- INFLUENCE DU REMPLISSAGE SUR LA CONSOMMATION
I V-1- Alimentation et remplissage du moteur Diesel
I V-1-1- Alimentation en air
I V-1-2-Alimentation en combustible
I V-2- Calcul du taux de remplissage
I V-3- Relation entre le taux de remplissage et la consommation spécifique effective
I V-3-1- le remplissage
I V-3-2- La combustion
I V-3-3- Dépendance entre consommation et remplissage
I V-3-4-Calcul de la masse de gas-oil injectée dans le cylindre
I V-4- Courbes caractéristiques
V I-4-1- Courbe puissance
V I-4-2- Courbe couple
I V-4-3- Courbe consommation
I V-4-4- La courbe de la consommation spécifique en fonction du taux de remplissage
I V-4-5- Le taux de remplissage adéquat à la consommation optimale
Chapitre V -IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
V -1 Les pollutions causées par le moteur diesel
V -1-1 Les pollutions dans l’atmosphère
V -1-2- les autres pollutions occasionnées par diesel
V -2- les effets de la pollution
V -3- les mesures d’accompagnement
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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