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Qu’est-ce qu’un moteur à essence à quatre temps – Cycle Otto – Définition

Moteur à essence à quatre temps – cycle Otto. Comment fonctionne le moteur à quatre temps? Une course se réfère à la course complète du piston le long du cylindre, dans les deux sens. Génie thermique

Cycle Otto – Moteur Otto

En 1876, un ingénieur allemand, Nikolaus August Otto, a fait progresser l’étude des moteurs thermiques en construisant le premier moteur à quatre temps en fonctionnement. un moteur fixe utilisant un mélange charbon-air-air comme carburant. Wilhelm Maybach (1846-1929), l’un des plus importants ingénieurs allemands, perfectionna la construction, qui avait déjà été produite en grande quantité à la fin de 1876. Ces inventions ont rapidement transformé le monde dans lequel elles vivaient.

Le cycle du moteur Otto est appelé cycle Otto. C’est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants que l’on puisse trouver dans les moteurs d’automobiles. Il décrit le fonctionnement d’un moteur à piston à allumage commandé typique. Contrairement au cycle de Carnot, le cycle d’Otto n’exécute pas de processus isothermiques, ceux-ci devant être effectués très lentement. Dans un cycle d’Otto idéal, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus réversibles de manière interne: deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isochoriques.

Puisque le principe de Carnot stipule qu’aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre la même température élevée et des réservoirs à basse température, le moteur Otto doit avoir une efficacité inférieure à l’efficacité Carnot. Un moteur automobile à essence typique fonctionne à environ 25% à 30% de l’efficacité thermique. Environ 70-75% sont rejetés sous forme de chaleur perdue sans être convertis en travail utile, c’est-à-dire que le travail est livré à des roues.

Moteur quatre temps - Moteur Otto
Moteur à quatre temps – Moteur Otto
Source: wikipedia.org, oeuvre de Zephyris, CC BY-SA 3.0

Cycle Otto – Moteur à quatre temps

Le cycle Otto est un ensemble de processus utilisés par les moteurs à combustion interne à allumage commandé (cycles à deux ou quatre temps). Nikolaus August Otto a d’abord conçu ce qui est connu comme le moteur à quatre temps. Une course se réfère à la course complète du piston le long du cylindre, dans les deux sens. Par conséquent, chacun ne correspond pas à un processus thermodynamique unique donné dans le chapitre Cycle d’Otto – Processus.

Le moteur à quatre temps comprend:

  • la course d’admission – Le piston se déplace du point mort haut (PMH) au point mort bas (BDC) et le cycle passe les points 0 → 1. Dans cette course, la soupape d’admission est ouverte tandis que le piston tire un mélange air-carburant dans le cylindre en produisant une pression de vide dans le cylindre par son mouvement vers le bas.
  • la course de compression – Le piston passe du point mort bas (BDC) au point mort haut (TDC) et le cycle passe aux points 1 → 2. Dans cette course, les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées, donc le mélange air-carburant est comprimé. À la fin de cette course, le mélange air-carburant est enflammé par une étincelle, ce qui provoque une augmentation supplémentaire de la pression et de la température dans la chambre. À la fin de cette course, le vilebrequin a terminé une révolution complète de 360 ​​degrés.
  • la course de puissance – Le piston passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (BDC) et le cycle passe aux points 2 → 3 → 4. Dans cette course, les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées. Au début de la course de puissance, une étincelle enflamme le mélange air-carburant dans la chambre de combustion, ce qui provoque à son tour une combustion très rapide du carburant. Dans cette course, le piston est entraîné vers le vilebrequin, le volume augmente et la pression diminue lorsque le travail est effectué par le gaz sur le piston.
  • la course d’échappement. Le piston passe du point mort bas (BDC) au point mort haut (TDC) et le cycle passe aux points 4 → 1 → 0. Dans cette course, la soupape d’échappement est ouverte tandis que le piston tire les gaz d’échappement hors de la chambre. À la fin de cette course, le vilebrequin a terminé une deuxième révolution complète à 360 degrés.

Comparaison des cycles Otto réels et idéaux

Moteur Otto vs cycle OttoDans cette section, il est montré un cycle Otto idéal dans lequel il y a beaucoup d’ hypothèses différentes du cycle Otto réel . Les principales différences entre le moteur Otto réel et idéal apparaissent sur la figure. En réalité, le cycle idéal ne se produit pas et il y a de nombreuses pertes associées à chaque processus. Pour un cycle réel, la forme du diagramme pV est similaire à l’idéal, mais la zone (travail) entourée par le diagramme pV est toujours inférieure à la valeur idéale. Le cycle Otto idéal est basé sur les hypothèses suivantes:

  • Cycle fermé.  La plus grande différence entre les deux diagrammes est la simplification des courses d’admission et d’échappement dans le cycle idéal. Dans la course d’échappement, la chaleur Q out est éjectée dans l’environnement, dans un vrai moteur, le gaz quitte le moteur et est remplacé par un nouveau mélange d’air et de carburant.
  • Ajout de chaleur instantané (ajout de chaleur isochore). Dans les moteurs réels, l’apport de chaleur n’est pas instantané, donc la pression de pointe n’est pas au PMH, mais juste après le PMH.
  • Pas de transfert de chaleur (adiabatique)
    • Compression – Le gaz (mélange carburant-air) est comprimé de manière adiabatique de l’état 1 à l’état 2. Dans les moteurs réels, il y a toujours des inefficacités qui réduisent l’efficacité thermique.
    • Expansion. Le gaz (mélange carburant-air) se détend adiabatiquement de l’état 3 à l’état 4.
  • Combustion complète du mélange air-carburant.
  • Aucun travail de pompage . Le travail de pompage est la différence entre le travail effectué pendant la course d’échappement et le travail effectué pendant la course d’admission. Dans les cycles réels, il existe une différence de pression entre les pressions d’échappement et d’entrée.
  • Aucune perte de purge . La perte de purge est causée par l’ouverture précoce des soupapes d’échappement. Il en résulte une perte de rendement de travail pendant la course d’expansion.
  • Pas de perte par coup . La perte par soufflage est causée par la fuite de gaz comprimés à travers les segments de piston et autres crevasses.
  • Pas de pertes par friction .

Ces hypothèses et pertes simplificatrices conduisent au fait que la zone fermée (travail) du diagramme pV pour un moteur réel est significativement plus petite que la taille de la zone (travail) incluse par le diagramme pV du cycle idéal. En d’autres termes, le cycle moteur idéal surestimera le travail net et, si les moteurs tournent à la même vitesse, une plus grande puissance produite par le moteur réel d’environ 20%.

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:

  • 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l)
  • 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.

Efficacité thermique pour le cycle Otto

L’ efficacité thermique du cycle Otto standard de l’air est fonction du taux de compression et de  κ = c p / c v .

efficacité thermique - Cycle d'Otto - Taux de compression

efficacité thermique - Cycle Otto - Moteur
Efficacité thermique pour le cycle d’Otto – κ = 1,4

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.

Auto-inflammation – Limite du taux de compression

Dans un moteur à essence ordinaire, le taux de compression a ses limites. 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 . Des taux de compression plus élevés rendront cependant les moteurs à essence sujets aux cognements du moteur, causés par l’ auto-inflammation, un mélange non brûlé , si un carburant à indice d’octane inférieur est utilisé. Le mélange non brûlé peut s’auto-allumer en faisant exploser la pression et la chaleur uniquement, plutôt que de s’enflammer de la bougie d’allumage au bon moment. Le cliquetis du moteur peut être réduit en utilisant du carburant à indice d’octane élevé, ce qui augmente la résistance de l’essence à l’auto-inflammation . Plus l’indice d’octane est élevé, plus le carburant peut résister à la compression avant de détoner (s’enflammer). Puisque la température atteinte par le mélange air-carburant pendant la compression augmente à mesure que le taux de compression augmente, la probabilité d’auto-inflammation augmente avec le taux de compression. L’auto-inflammation peut réduire l’efficacité ou endommager le moteur si des capteurs de cliquetis ne sont pas présents pour modifier le calage de l’allumage.

Des taux de compression plus élevés peuvent être atteints dans les moteurs diesel (également appelés moteurs à allumage par compression ), car ils ne compressent pas le carburant, mais compressent uniquement l’air et injectent ensuite du carburant dans l’air qui a été chauffé par compression. Les taux de compression compris entre 12 et 20 sont typiques des moteurs diesel. La plus grande expansion des moteurs diesel signifie qu’ils rejettent moins de chaleur dans leur échappement plus froid. Le taux de compression plus élevé (expansion plus importante) et la température de pointe plus élevée font que les moteurs diesel atteignent une efficacité thermique plus élevée.

Pression moyenne effective – MEP

Le MEP est une mesure très utile de la capacité d'un moteur à effectuer un travail indépendant de la cylindrée du moteur.
Le MEP est une mesure très utile de la capacité d’un moteur à effectuer un travail indépendant de la cylindrée du moteur.

Un paramètre utilisé par les ingénieurs pour décrire les performances des moteurs à pistons alternatifs est connu sous le nom de pression effective moyenne , ou MEP . Le MEP est une mesure très utile de la capacité d’un moteur à effectuer un travail indépendant de la cylindrée du moteur. Il existe plusieurs types de députés européens. Ces eurodéputés sont définis par la mesure de l’emplacement et la méthode de calcul (par exemple BMEP ou IMEP).

En général, la pression moyenne effective est la pression constante théorique qui, si elle agissait sur le piston pendant la course de puissance, produirait le même travail net que celui réellement développé en un cycle complet. Le MEP peut être défini comme:

pression moyenne effective - définition

Par exemple, la pression effective moyenne nette indiquée , connue sous le nom d’ IMEP n, est égale à la pression effective moyenne calculée à partir de la pression dans le cylindre (il doit y avoir cette mesure) sur tout le cycle du moteur. Notez que c’est 720 ° pour un moteur à quatre temps et 360 ° pour un moteur à deux temps.

Quelques exemples:

  • La MEP d’un moteur à essence atmosphérique peut varier de 8 à 11 bars dans la région du couple maximal.
  • La MEP d’un moteur à essence turbocompressé peut varier de 12 à 17 bar.
  • La MEP d’un moteur diesel atmosphérique peut aller de 7 à 9 bar.
  • La MEP d’un moteur diesel turbocompressé peut aller de 14 à 18 bar

Par exemple, un moteur à essence à quatre temps produisant 200 N · m à partir de 2 litres de cylindrée a une MEP de (4π) (200 N · m) / (0,002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Comme on peut le voir, le MEP est des caractéristiques utiles d’un moteur . Pour deux moteurs de cylindrée égale, celui avec un MEP plus élevé produirait le travail net plus important et, si les moteurs tournent à la même vitesse, une plus grande puissance .

Cycle d’Otto – Problème avec la solution

Supposons le cycle Otto , qui est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants que l’on puisse trouver dans les moteurs d’automobiles . L’un des paramètres clés de ces moteurs est le changement de volume entre le point mort haut (TDC) et le point mort bas (BDC). Le rapport de ces volumes ( 1 / V 2 ) est appelé taux de compression .

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. Par exemple, certains moteurs de voitures de sport peuvent avoir un taux de compression allant jusqu’à 12,5: 1 (par exemple Ferrari 458 Italia).

Cycle d'Otto - Diagramme PV
Diagramme pV du cycle d’Otto. La zone délimitée par la piste cyclable complète représente le travail total qui peut être effectué pendant un cycle.

Dans cet exemple, supposons un cycle Otto avec un taux de compression de CR = 9: 1 . L’air d’admission est à 100 kPa = 1 bar, 20 ° C, et le volume de la chambre est de 500 cm³ avant la course de compression. La température en fin d’ expansion adiabatique est T 4 = 800 K.

  • Capacité thermique spécifique à pression d’air constante à pression atmosphérique et température ambiante: p = 1,01 kJ / kgK.
  • Capacité calorifique spécifique à volume d’air constant à pression atmosphérique et température ambiante: v = 0,718 kJ / kgK.
  • κ = c p / c v = 1,4

Calculer:

  1. la masse d’air d’admission
  2. la température T 3
  3. la pression p 3
  4. la quantité de chaleur ajoutée par la combustion du mélange air-carburant
  5. l’efficacité thermique de ce cycle
  6. le député européen

Solution:

1)  la masse d’air d’admission

Au début des calculs, nous devons déterminer la quantité de gaz dans le cylindre avant la course de compression. En utilisant la loi du gaz parfait, nous pouvons trouver la masse:

pV = mR spécifique T

où:

  • p est la pression absolue du gaz
  • m est la masse de substance
  • T est la température absolue
  • V est le volume
  • spécifique  est la constante de gaz spécifique, égale à la constante de gaz universelle divisée par la masse molaire (M) du gaz ou du mélange. Pour l’air sec R spécifique = 287,1 J.kg -1 .K -1 .

par conséquent

m = p 1 V 1 / R spécifique T 1 = (100000 × 500 × 10 -6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 -4 kg

Dans ce problème, tous les volumes sont connus:

  • 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l)
  • 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.

2)  la température T 3

Puisque le processus est adiabatique, nous pouvons utiliser la relation p, V, T suivante pour les processus adiabatiques :

formule adiabatique - exemple

Donc

3 = T 4 . CR κ – 1 = 800. 9 0,4 = 1926 K

3)  la pression p 3

Encore une fois, nous pouvons utiliser la loi du gaz parfait pour trouver la pression au début de la course de puissance comme:

3 = mR spécifique T 3 / V 3 = 5,95 × 10 -4 x 287,1 x 1926 / 55,56 × 10 -6 = 5920000 Pa = 59,2 bar

4)  la quantité de chaleur ajoutée

Pour calculer la quantité de chaleur ajoutée par la combustion du mélange air-carburant, Q add , nous devons utiliser la première loi de la thermodynamique pour le processus isochore , qui indique que Q add = ∆U, donc:

add = mc v (T 3 – T 2 )

la température à la fin de la course de compression peut être déterminée en utilisant la relation p, V, T pour les processus adiabatiques entre les points 1 → 2.

processus adiabatique - formule

2 = T 1 . CR κ – 1 = 293. 9 0,4 = 706 K

ensuite

add = mc v (T 3 – T 2 ) = 5,95 × 10 -4 x 718 x 1220 = 521,2 J

5)  l’efficacité thermique

Efficacité thermique pour un cycle Otto:

Comme dérivé dans la section précédente, l’efficacité thermique d’un cycle d’Otto est fonction du taux de compression et de κ:

Cycle d'Otto - efficacité - exemple

6)  la pression moyenne effective

Le député européen a été défini comme:

pression moyenne effective - définition

Si cette équation, le volume de déplacement est égal à V max – V min . Le travail net pour un cycle peut être calculé en utilisant la chaleur ajoutée et l’efficacité thermique:

net = add . η Otto = 521,2 x 0,5847 = 304,7 J
MEP = 304,7 / ( 500 × 10 -6 – 55,56 × 10 -6 ) = 685,6 kPa = 6,856 bar

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci