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MOTEUR THERMIQUE

Définition d’un moteur thermique

Un moteur thermique est un moteur qui fonctionne à partir de la transformation de l’Energie thermique obtenue par la combustion de combustible en Energie mécanique.

Historique classique

Le célèbre inventeur Allemand Rodolphe Diesel est né en 1858 à Paris, rue Notre-Dame de Nazareth dans le troisième Arrondissement où il exerça la plus grande partie de son activité d’ingénieur .En 1892, il déposa à Berlin un premier brevet décrivant un moteur fonctionnant par injection pneumatique de charbon pulvérisé .Ce dispositif resta une réalité à l’état d’ébauche ; il fut remplacé en 1897, par un système alimenté en pétrole brut et offrant déjà un rendement satisfaisant de 26,2% et sa consommation spécifique est de [247g /ch.h]. Avec une cylindrée de 19,6[litres] et avec une puissance de14,7 [KW] qui tourne à une vitesse de 172[tr/min]

Description et principe de fonctionnement

Description

Les principaux organes qui constituent un moteur thermique afin de pouvoir effectuer son fonctionnement pendant la durée d’un cycle moteur peuvent être divisés en deux parties :
• Les organes fixes
Ce sont des pièces qui définissent le corps moteur, il s’agit de la culasse, du bloc moteur, de la chemise et du carter.
• Les organes mobiles
Ce sont des pièces qui assurent le mouvement rotatif du moteur :
-Le piston : c’est un élément qui effectue un mouvement rectiligne alternatif, du point mort haut au point du point mort bas sur le long du cylindre.
-La bielle : Tige rigide, articulée à ses deux extrémités. Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif.
-Le vilebrequin : Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement l’énergie mécanique à la boîte
-Le volant moteur : un organe qui se situe à l’extrémité du vilebrequin, et qui a pour rôle de conserver l’énergie développée au niveau de l’arbre moteur selon le principe de la vitesse acquise.

Principe de fonctionnement

Généralement, pour effectuer un cycle, on peut classifier en deux parties le moteur thermique selon son mode de fonctionnement: le moteur à deux temps et le moteur à quatre temps.

Moteur à deux temps

Le moteur à 2 temps réalise le cycle Beau de Rochas (aspiration, compression, détente, échappement) en 2 courses de piston au lieu de 4 courses prévues dans le moteur 4 temps
A. Admission dans le carter et compression dans le cylindre.
B. Compression dans le carter et explosion-détente dans le cylindre.
C. Transfert carter/cylindre et échappement du cylindre
Figure 6-Moteur 2 temps à compression dans le carter
1er temps (du PMB au PMH):
Le piston étant au PMB, le mélange air-essence est introduit sous une faible pression de 1.2 à 1.4 bars. Au 1/7 environ de sa course, le piston ferme les lumières pour permettre la compression.
2ème temps (du PMH au PMB) :
La combustion commence un peu avant le PMH; après le PMH, la descente du piston réalise le « temps moteur ». Au 6/7 environ de sa course, le piston découvre l’orifice d’échappement pour permettre l’évacuation des gaz brûlés. PMB.
Cycle Dans les moteurs 2 temps à lumières, les opérations d’admission et d’échappement ont une durée très réduite et elles s’effectuent toutes les deux au voisinage du cycle théorique.
Le piston part de PMB au point « A », les lumières de transfert étant découvertes et les gaz frais préalablement comprimés dans le carter. C’est la phase « admission » jusqu’au point « B » qui correspond à la fermeture des lumières de transfert et d’échappement.
La compression s’exerce jusqu’au point « C » où se produit l’allumage, au voisinage du PMH; et la pression monte brusquement jusqu’en « D ». C’est alors la détente qui correspond à la phase « DE », le point « E » correspondant à l’ouverture de la lumière d’échappement. La pression tombe brusquement jusqu’en « B ».
Le piston termine sa course descendante « EA » avant de recommencer un nouveau cycle. La phase « EAB » correspond au balayage des gaz brûlés qui n’ont pas fini d’être évacués par les gaz frais qui ont commencé à pénétrer dans le cylindre par les canaux de transfert.
Cycle pratique:
Le diagramme réel diffère du diagramme théorique sur les points suivants :
a) L’étincelle jaillit avec une assez grande avance (AA) avant que le piston n’atteigne le PMH.
b) La combustion se prolonge légèrement après le PMH, quand le piston commence à descendre; il y a une pointe de pression, puis celle-ci diminue assez régulièrement pendant la détente jusqu’à l’ouverture de la lumière d’échappement.
c) L’échappement ne se fait pas aussi rapidement que dans le cycle à 4 temps puisqu’on ne dispose que d’une faible course du piston au voisinage du PMB.
d) Le balayage ne peut se faire qu’avec la faible pression correspondant à la précompression dans le carter inférieur. Celle-ci est faible puisqu’elle est de l’ordre de 1.4 bars.
Avantages et inconvénients du moteur à 2 temps:
a)Avantages:
• Accélération plus vite car le temps moteur s’effectue dans un tour de vilebrequin,
• La distribution sans soupape permet d’augmenter la vitesse de rotation du moteur sans risque d’affolement,
• La régularité des poussées sur le vilebrequin diminue les à-coups et les vibrations, notamment en monocylindre. La masse du volant peut ainsi être réduite.
b) Inconvénients
• La compression est commencée plus tardivement, la combustion est plus lente et produit des résidus nombreux ainsi qu’une fumée d’huile à l’échappement.
• Pertes de puissance proviennent du mélange possible des gaz frais et des gaz brûlés
• Consommation plus de combustible par rapport au moteur à 4 temps.

Moteur à quatre temps (Figure n° 9)

Pour un moteur à quatre temps, un cycle est équivalent à deux tours du vilebrequin. Le principe général de fonctionnement est caractérisé par les quatre étapes suivantes :
Ce cycle représente un cycle idéal ; tout moteur thermique à quatre temps doit suivre ce cycle et devrait avoir un rendement idéal de 0,72 qui n’est jamais atteint.

Cycle de BEAU DE ROCHAS

Ou encore appelé, cycle à volume constant et à pression variable, celui-ci se manifeste particulièrement dans le cas des moteurs à essence.
− Le travail moteur est représenté par l’aire ADEBA.
− Les travaux résistants sont représentés par l’aire ABCA.
− Le travail utile – l’aire CDEBC.
 Aspiration du gaz à la pression atmosphérique dans le cylindre le long de la droite isobare AB (P0 = 1 Bar, V1V0).
 Compression adiabatique BC jusqu’au volume minimal V1, la pression devenant P1
 Combustion instantanée du gaz à volume constant le long de la droite isochore CD avec une forte élévation de température à T2 et de la pression à P2.
 Détente du gaz chaud le long de l’adiabatique DE qui ramène le volume à V0, mais à une pression P3 supérieure à celle de l’atmosphère.
 Ouverture de l’échappement des gaz dont la pression tombe instantanément à la pression atmosphérique le long de l’isochore EB, la température redescendant à T1.
 Reste à vider le cylindre, des gaz brûlés, en décrivant l’isobare BA, pour revenir au point de départ A.

Cycle DIESEL

Ou encore appelé, cycle à pression constante. Dans ce cas le remplissage du cylindre s’effectue à pression atmosphérique
1er temps : Admission (5-1):
– Le piston descend
– Ouverture de la soupape d’admission en vue de remplir le cylindre par l’air
– La soupape d’admission se ferme
2ème temps : Compression (1-2):
– fermeture des soupapes
– Le piston monte, alors que la pression s’élève de même que la température (environ 600°C), pour permettre l’auto inflammation.
3ème temps : Combustion Détente (2-3-4)
– Injection à haute pression du combustible, tout le temps que dure l’injection.
– Dès qu’on atteint la pression, le piston descend, c’est le « temps moteur »
4ème temps : Echappement (4-1-5)
– Ouverture de la soupape d’échappement
– Chute brusque de la pression
– Montée du piston pour chasser les gaz brûlés dans le cylindre
– Fermeture de la soupape d’échappement

Cycle mixte Diesel

Ou encore appelé cycle de SABATHE, dans lequel la combustion a été effectuée à volume constant puis à pression constante. Le domaine d’application de celui-ci est destiné particulièrement au moteur Diesel rapide.

Moteur diesel

Description des éléments spécifiques d’un moteur diesel

Les éléments du circuit basse pression

En général, ils alimentent sous une pression, de 1bar la pompe injection de façon à éviter le désamorçage crée par une entrée d’air.
 Le réservoir
Il comprend, un petit puits de décantation, une mise à l’air libre, deux canalisations pour l’aspiration et pour le retour, et un bouchon de vidange.
 La pompe d’alimentation
Elle sert à transférer le combustible du réservoir à la pompe d’injection. Elle peut être des pompes à piston, des pompes à membrane ou des pompes à engrainage.
 Les filtres à gasoil
Leurs nécessités sont de filtrer les particules solides de 1 micron et d’éliminer toutes entrées d’eau dans la pompe d’injection.

Les éléments du circuit haute pression

Ces éléments ont pour rôle d’amener le gasoil sous haute pression en sortie d’injecteur afin de le pulvériser en créant une homogénéisation avec l’air par turbulence.
 L’injecteur
Il divise le combustible en très fines gouttelettes, la répartition et le mélange avec l’air comprimé du cylindre. Il peut être de type à téton ou à trous
 Les tuyauteries
 La pompe d’injection
– La pompe d’injection en ligne (un piston d’alimentation par cylindre moteur)
– La pompe d’injection rotative (un piston pour l’alimentation de tous les cylindres)

Modes d’injection

Le système d’injection d’un moteur à combustion interne comprend deux catégories :
 Injection directe
La tête de l’injecteur à trous débouche directement dans la chambre de combustion, y créant une meilleure pulvérisation pour faciliter le démarrage à froid. La pression d’injection s’élève jusqu’à 175bars environ.
Par conséquent, le moteur en consomme assez faible au combustible, mais bruyant au ralenti et à faible régime.
 Injection indirecte
• Injection à chambre de précombustion
L’injection est à une seule aiguille ou trou, il débouche dans la chambre de précombustion qui représente environ 1/3 du volume de la chambre totale. La pression d’injection sera moins élevée qu’en injection directe. La consommation est légèrement plus forte, le moteur faisant moins de bruit et à bas régime.
• Injection à chambre de turbulence :
L’injecteur à aiguille débouche dans la chambre de « turbulence » qui représente environ 2/3 du volume total. La pression d’injection n’est pas loin de la précédente. La consommation est un peu élevée.
Ces deux moteurs cités ont besoin d’une bougie de préchauffage.
• Injection à chambre auxiliaire de réserve d’air :
L’injecteur est à aiguille et débouche dans la chambre de telle sorte que l’axe du jet est dirigé vers l’entrée de la chambre auxiliaire. La caractéristique de ce moteur est comparable à celui de l’injection directe. Certain n’ont pas besoin de bougie de préchauffage.

Type du moteur Diesel

Le type du moteur Diesel dépend :
• Du cycle de fonctionnement
 Cycle diesel pur.
 Cycle diesel rapide ou cycle mixte.
• Du mode d’injection
 à injection directe.
 à injection indirecte.
• De la forme de la chambre de combustion
Moteur à chambre de précombustion
Dans ce système l’injecteur vaporise le combustible dans une petite cavité appelée
« chambre de précombustion » qui communique avec la chambre de combustion du cylindre par une série de petites orifices.
Moteur à chambre de turbulence
Les moteurs à turbulence comportent une cavité à peu près sphérique dont le volume est égal à 80% du volume total de l’air en fin de compression soit un volume quatre fois plus grand que la chambre de combustion normale située entre le piston et le fond du cylindre.
Moteur à chambre d’air ou à chambre d’accumulation
Le moteur comporte une chambre d’accumulation d’air soit dans la culasse, soit dans le piston. L’injecteur ne débouche pas directement dans cette chambre qui communique avec la chambre de combustion principale par un double ajustage conique.
Moteur à antichambre
Les moteurs à antichambre comportent également une cellule auxiliaire dont le volume est égale à 30% environ du volume total de l’air comprimé (volume total de l’air enfin de compression). Mais contrairement à ce que l’on fait dans les moteurs à chambre d’air, on injecte le combustible directement dans la cellule auxiliaire.

Table des matières

PREMIÈRE PARTIE: BASE THEORIQUE ET ORIENTATION HAUSSE DES COURS DU PETROLE
1 -1-Introduction
1 -2-Hausse des cours du pétrole (peak-oil)
R APPEL DES PRINCIPES THERMODYNAMIQUES
2 -1-Chaleur
2 -1-1-Notion de chaleur
2 -1-2-Chaleur massique ou spécifique
2 -1-3-Source de chaleur
2 -2-Système thermodynamique
2 -2-1-Définition d’un système thermodynamique
2 -2-2-Condition d’utilisation du système
2 -2-3-Convention de signe
2 -3-Transformation classique
2 -3-1-Transformation réversible
2 -3-2-Représentation graphique d’une transformation
2 -3-3-Travail mécanique échangé au cours d’un cycle
2 -3-4-Température constante. Transformation isotherme
2 -3-5-Pression constante. Transformation isobare
2 -3-6-Volume constant. Transformation isochore
2 -3-7-Transformation polytropique
2 -3-8-Transformation adiabatique
2 -4-Equation d’état des gaz parfaits
2 -5-Grandeur d’énergies
2 -5-1-Travail échangé avec le milieu extérieur
2 -5-2-Quantité de chaleur échangée
2 -5-3-Energie interne
2 -5-4-Enthalpie
M OTEUR THERMIQUE
3 -1-Définition d’un moteur thermique
3 -2-Historique classique
3 -3-Classification du moteur thermique
D EUXIÈME PARTIE: MISE AU POINT DES DONNEES ET METHODE DE CALCUL G AZOLE
I -1-Généralité
I -2-Caractéristiques principales
H UILE DE JATROPHA
2 -1-Présentation de l’huile de Jatropha
2 -1-1-Le Jatropha Curcas
2 -2-L’huile de Jatropha:
2 -2-1-Rendement en huile
2 -2-2-Extraction de l’huile de Jatropha
2 -3-Propriété de l’huile de Jatropha Curcas
2 -3-1-Propriété organoleptique
2 -3-2-Propriété physique:
2 -3-3-Propriété chimique:
2 -4-Composition de l’huile de Jatropha Curcas
CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET PARAMETRES THERMODYNAMIQUE DU MOTEUR D’ESSAI
3 -1-Données sur les caractéristiques techniques du moteur
3 -2-Calcul des paramètres thermodynamiques du moteur
3 -3-Courbe du cycle réel du moteur Diesel
3 -4-Calculs des Pressions–Rendement –Puissances–Couples- Consommations du Moteur
3 -4-1-Pressions
3 -4-1-1-Calcul de la pression moyenne indiquée du cycle théorique du moteur
3 -4-1-2-Calcul de la pression moyenne indiquée
3 -4-2-Puissances
3 -4-2-1-Calcul de la puissance effective
3 -4-2-2-Calcul de la puissance indiquée
3 -4-2-3-Calcul de la Puissance mécanique
3 -4-2-4-Courbe de la puissance effective
3 -4-3-Rendements
3 -4-3-1-Calcul du rendement thermique théorique
3 -4-3-2-Calcul du rendement thermique indiqué
3 -4-3-3-Calcul du rendement mécanique
3 -4-3-4-Calcul du rendement effectif
3 -4-4-Consommations
3 -4-4-1-Calcul de la consommation spécifique indiquée
3 -4-4-2-Consommation spécifique effective
3 -4-4-3-Courbe de consommation spécifique
3 -4-5-Couples
3 -4-5-1-Calcul du couple nominal du moteur
3 -4-5-2-Calcul du couple moteur
3 -4-5-3-Courbe couple moteur
T ROISIÈME PARTIE: ETUDE COMPARATIVE FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR DIESEL ALIMENTE À L’HUILE DE JATROPHA
1 -1-Paramètres caractéristiques de l’huile de Jatropha utilisée
1 -1-1-Méthode d’obtention
1 -1-2-Composition chimique :
1 -1-3-Propriété chimique:
1 -1-4-Propriété physique:
1 -2-Calcul des paramètres thermodynamiques pour le moteur à l’huile de jatropha
1 -3-Courbe du cycle réel du moteur à huile de jatropha
COMPARAISON DU MOTEUR DIESEL AVEC LE MOTEUR A L’HUILE DE JATROPHA
2 -1-Etude comparative sur les propriétés physico-chimiques des deux carburants
2 -2- Etude comparative sur les paramètres thermodynamiques
2-3-Etude comparative au niveau des courbes caractéristiques et au niveau des pièces mécaniques des deux moteurs
2 -3-1-Aperçu de différents essais
2 -3-1-1-Moteur SHUHE L180
a )-Moteur accouplé avec un alternateur
a 1)-Schéma d’installation et conduite de l’essai
a 2)-Rendement thermique
a 3)-Consommation
R égime [tr/mn]
G azole [g/kWh]
H uile brute [g/kWh]
H uile raffinée [g/kWh]
a 4)-Puissance et couple
b )- Moteur accouplé avec un broyeur
b 1)-Disposition générale
b 2)-Montage
b 3)-Résultat
b 4)-Interprétation :
b 5)-Remarque
2 -3-1-2-Essai sur moteur Peugeot 504D et sur voiture Mercedes 307D
2 -3-1-3-Essai de performance d’un moteur à Hatz E89 à précombustion
a )-Essais effectué par Haidara
b )-Essai effectué par le Dr. Pak
2 -3-1-3-Essai effectué par TAKEDA et ELSBETT
PROGRAMME DE COMPARAISON DE PUISSANCE- COUPLE ET CONSOMMATION
QUATRIÈME PARTIE: ETUDE ECONOMIQUE ET ETUDE SUR LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX PERFORMANCE ET PRIX
1 -1-Analyse économique
1 -1-1-Importation-consommation-Prix du gazole
1 -1-2- Production-Prix de l’huile de jatropha
1 -1-2-1-Production de l’huile de Jatropha Curcas
1 -1-2-2-Prix de l’huile de Jatropha Curcas :
1 -2-Calcul technico-économique
1 -2-1-Calcul détaillé de la puissance développée par l’huile de Jatropha comparée au diesel
1 -2-2-Calcul de la marge bénéficière d’un moteur à l’huile de Jatropha comparée au diesel
1 -3-Conclusion
ETUDES D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
2 -1-Introduction
2 -2-Exposé de l’objectif du projet
2 -3-Pollution produite par les moteurs diesel
2 -3-1-Pollutions atmosphérique
2 -3-2-Les bruits
2 -3-3-Effets de la pollution
2 -4-Pollution produite par les moteurs à huile de Jatropha Curcas
2 -4-1-Pollution atmosphérique
2 -4-2-Les odeurs
2 -4-3-Les bruits
2 -4-4-Les vibrations
2 -4-5-Autres effets
2 -5-Etude comparative
2 -5-1-Pollution atmosphérique
2 -5-2-Les bruits
2 -5-3-Les vibrations
2 -5-4-Les Impacts divers
2 -6-Mesures d’atténuations des effets néfastes
2 -6-1-Pollution atmosphérique
2 -6-2-Bruits
2 -6-3-Vibration
2-7-Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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