Efficacité thermique pour le cycle d’Otto
En général , le rendement thermique , η e , d’un moteur thermique est définie comme étant le rapport entre le travail qu’elle fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q H .
Le rendement thermique , η e , représente la fraction de la chaleur , Q H , qui est converti pour fonctionner . Etant donné que l’ énergie est conservée en fonction de la première loi de la thermodynamique et de l’ énergie ne peut pas être converties pour fonctionner complètement, l’apport de chaleur, Q H , doit être égal au travail effectué, W, ainsi que la chaleur qui doit être dissipée sous forme de chaleur perdue Q C dans le environnement. Par conséquent, nous pouvons réécrire la formule pour l’efficacité thermique comme suit:
La chaleur absorbée se produit lors de la combustion du mélange air-carburant, lorsque l’étincelle se produit, à peu près à volume constant. Comme pendant un processus isochore, il n’y a pas de travail effectué par ou sur le système, la première loi de la thermodynamique dicte ∆U = Q. Par conséquent, la chaleur ajoutée et rejetée est donnée par:
Q add = mc v (T 3 – T 2 )
Q out = mc v (T 4 – T 1 )
En substituant ces expressions à la chaleur ajoutée et rejetée dans l’expression d’efficacité thermique, on obtient:
Nous pouvons simplifier l’expression ci-dessus en utilisant le fait que les processus 1 → 2 et de 3 → 4 sont adiabatiques et que, pour un processus adiabatique, la formule suivante p, V, T est valide:
On peut déduire que:
Dans cette équation, le rapport V 1 / V 2 est appelé taux de compression CR . Lorsque nous réécrivons l’expression de l’efficacité thermique en utilisant le taux de compression, nous concluons que l’ efficacité thermique du cycle d’Otto standard de l’ air est fonction du taux de compression et de κ = c p / c v .
C’est une conclusion très utile, car il est souhaitable d’atteindre un taux de compression élevé pour extraire plus d’énergie mécanique d’une masse donnée de mélange air-carburant. Un taux de compression plus élevé permet d’atteindre la même température de combustion avec moins de carburant, tout en prolongeant le cycle de détente. Cela crée plus de puissance mécanique et abaisse la température d’échappement . L’abaissement de la température d’échappement provoque l’abaissement de l’énergie rejetée dans l’atmosphère. Cette relation est représentée sur la figure pour κ = 1,4, représentant l’air ambiant.
Taux de compression – Otto Engine
Le taux de compression , CR , est défini comme le rapport du volume au point mort bas et du volume au point mort haut. Il s’agit d’une caractéristique clé pour de nombreux moteurs à combustion interne. Dans la section suivante, il sera montré que le taux de compression détermine l’ efficacité thermique du cycle thermodynamique utilisé du moteur à combustion. En général, on souhaite avoir un taux de compression élevé, car cela permet à un moteur d’atteindre une efficacité thermique plus élevée.
Par exemple, supposons un cycle Otto avec un taux de compression de CR = 10: 1. Le volume de la chambre est de 500 cm³ = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l) avant la course de compression. Pour ce moteur un ll requis volumes sont connus:
- V 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l)
- V 2 = V 3 = V min = V max / CR = 55,56 × 10 -6 m 3
Notez que (V max – V min ) x nombre de cylindres = cylindrée totale du moteur.
Exemples de taux de compression – essence vs diesel
- Le taux de compression dans un moteur à essence ne sera généralement pas beaucoup plus élevé que 10: 1 en raison du potentiel cognement du moteur (auto-inflammation) et pas inférieur à 6: 1 .
- Une Subaru Impreza WRX turbocompressée a un taux de compression de 8,0: 1 . En général, les moteurs turbocompressés ou suralimentés ont déjà de l’air comprimé à l’admission d’air, ils sont donc généralement construits avec un taux de compression plus faible.
- Un moteur Honda S2000 d’origine (F22C1) a un taux de compression de 11,1: 1 .
- Certains moteurs de voitures de sport atmosphériques peuvent avoir un taux de compression allant jusqu’à 12,5: 1 (par exemple Ferrari 458 Italia).
- En 2012, Mazda a lancé de nouveaux moteurs à essence sous la marque SkyActiv avec un taux de compression de 14: 1 . Pour réduire le risque de cognement du moteur, les gaz résiduels sont réduits en utilisant des systèmes d’échappement de moteur 4-2-1 , en mettant en place une cavité de piston et en optimisant l’injection de carburant.
- Les moteurs diesel ont un taux de compression qui dépasse normalement 14: 1 et des rapports supérieurs à 22: 1 sont également courants.
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