Moteur à combustion

Les principes fondamentaux d'un moteur à combustion interne

Généralement présent dans les véhicules à moteur, le moteur à combustion interne fonctionne en allumant un mélange de carburant et d'air à l'intérieur du moteur lui-même. Ce processus fait tourner le moteur et alimente le véhicule.

Les étapes du cycle de combustion interne sont généralement les suivantes :

• Temps d'admission
• Temps de compression
• Course de puissance
• Course d'échappement

Les principes d'un moteur à combustion externe

Contrairement aux moteurs à combustion interne, le processus de combustion dans un moteur à combustion externe se déroule à l'extérieur du moteur. L'exemple le plus typique de cette forme de moteur est la machine à vapeur, dans laquelle l'eau est chauffée dans une chambre séparée jusqu'à ce qu'elle se transforme en vapeur. La vapeur fait alors fonctionner le moteur.

Principales différences entre les moteurs à combustion interne et externe

Bien que les moteurs à combustion interne et externe convertissent tous deux l'énergie chimique en énergie mécanique par le processus de combustion du carburant, ils présentent plusieurs différences essentielles.

• Dans un moteur à combustion interne, le carburant est brûlé dans le moteur lui-même, alors que dans un moteur à combustion externe, le carburant est généralement brûlé dans une chambre séparée.
• Les moteurs à combustion interne sont généralement plus économes en carburant, mais ils produisent aussi plus de pollution.
• Les moteurs à combustion externe peuvent utiliser une plus grande variété de combustibles et sont plus flexibles à cet égard.
• Les moteurs à combustion interne sont plus couramment utilisés dans les applications automobiles, tandis que les moteurs à combustion externe sont fréquemment utilisés dans les environnements industriels où une alimentation électrique plus importante et régulière est nécessaire.

Aperçu de la combustion dans les moteurs à combustion interne

Pour entrer dans les détails du fonctionnement d'un moteur à combustion, il est essentiel de comprendre les bases de la combustion dans un moteur à combustion interne (CI). Un moteur à combustion interne repose sur l'explosion du carburant et de l'air dans ses cylindres pour produire de l'énergie, et le processus de combustion est donc un élément essentiel de son fonctionnement.

Exploration du processus de combustion dans un moteur à combustion interne

Dans un moteur à combustion interne, la conversion de l'énergie se fait par cycles avec quatre étapes de base : l'admission, la compression, la puissance et l'échappement. À chaque rotation du vilebrequin, le processus se répète. Pour convertir efficacement l'énergie chimique en travail mécanique, la combustion doit se produire au bon moment, au bon endroit et au bon rythme.

Le processus de combustion est déclenché lors de la course de puissance. Ici, le mélange air-carburant comprimé est enflammé par une étincelle dans les moteurs à essence ou par la chaleur de compression dans les moteurs diesel. Cela provoque une combustion rapide qui produit des gaz à haute pression et à haute température. Les gaz à haute pression exercent une force sur la tête du piston, ce qui la fait bouger et fait tourner la manivelle du moteur pour qu'il effectue un travail.

Pour une combustion réussie, le carburant doit être prémélangé à l'air avant d'être introduit dans la chambre de combustion. Cela se fait de l'une des deux façons suivantes :

• Charge homogène : Dans ce cas, le carburant et l'air sont bien mélangés avant d'être introduits dans le moteur. Cette méthode est typique des moteurs à essence.
• Charge stratifiée : Dans ce cas, le carburant est introduit dans un cylindre déjà rempli d'air. C'est le cas des moteurs diesel.

L'objectif égoïste de la combustion est de libérer le plus d'énergie possible du carburant tout en minimisant la formation de polluants.

Facteurs affectant la combustion dans un moteur à combustion interne

Le processus de combustion dans un moteur à combustion interne n'est pas aussi simple que de faire jaillir une étincelle d'un mélange de carburant et d'air. De nombreux facteurs influencent l'efficacité et l'efficience de ce processus de combustion.

Voici quelques-unes des variables clés :

• Le rapport air-carburant (AFR) : Ce rapport a un impact important sur le processus de combustion. Si le mélange est trop riche, c'est-à-dire si le rapport entre le carburant et l'air est élevé, il peut provoquer une combustion incomplète entraînant la formation de dépôts et l'augmentation des émissions. À l'inverse, si le mélange est trop pauvre, il peut provoquer des ratés et une surchauffe du moteur. Le maintien d'un rapport carburant/air optimal est donc crucial pour un fonctionnement efficace du moteur.
• Taux de compression : Le taux de compression est le volume de la chambre de combustion à la fin de la course d'admission par rapport au volume à la fin de la course de compression. Il peut influencer l'efficacité du moteur car un taux de compression plus élevé se traduit par une plus grande puissance produite.
• Régime du moteur : le régime du moteur, mesuré en tours par minute, détermine la vitesse à laquelle le processus de combustion doit être achevé. Un régime moteur plus élevé exige une combustion plus rapide, mais une combustion très rapide peut entraîner un cognement du moteur, ce qui n'est pas souhaitable.
• Le calage de l'étincelle : Dans un moteur à allumage commandé, le moment où l'étincelle se produit peut avoir une incidence considérable sur l'efficacité du processus de combustion. La synchronisation parfaite garantit une combustion complète et une efficacité optimale.

Ce sont ces dynamiques complexes et ces interactions subtiles qui, lorsqu'elles sont comprises, peuvent conduire à de profonds gains d'efficacité et à des progrès dans la technologie des moteurs à combustion interne.

Comment fonctionne un moteur à combustion ?

En termes simples, un moteur à combustion fonctionne en convertissant l'énergie libérée par la combustion du carburant en travail mécanique, qui propulse ensuite un véhicule ou entraîne des machines. Ce résultat est obtenu grâce à un processus complexe impliquant divers composants mécaniques et un contrôle précis de paramètres tels que le mélange air-carburant et le calage de l'allumage. Pour mieux comprendre le fonctionnement des moteurs à combustion, il est prudent de connaître les détails des moteurs à combustion interne et externe séparément.

Le mécanisme de fonctionnement d'un moteur à combustion interne

À la base, un moteur à combustion interne fonctionne selon un cycle de quatre temps fondamentaux : l'admission, la compression, la puissance et l'échappement. Ce processus cyclique, appelé "cycle à quatre temps", est essentiel au fonctionnement des moteurs à essence et des moteurs diesel.

Développons maintenant chacun de ces temps :

Course d'admission : Pendant la course d'admission, le piston se déplace vers le bas, créant un vide partiel dans le cylindre. Cela entraîne l'ouverture de la soupape d'admission et permet d'aspirer un mélange de carburant et d'air dans la chambre de combustion.

Course de compression : Après la course d'admission, la soupape d'admission est fermée et le piston commence à se déplacer vers le haut. Cela comprime le mélange air-carburant, ce qui augmente sa température et sa pression et le prépare ainsi à la combustion. Rappelle-toi que la compressibilité d'un gaz peut être exprimée par l'équation \( pV = nRT \) communément appelée loi des gaz idéaux.

La course de puissance : C'est la course de puissance qui se taille la part du lion. Dans un moteur à essence, à la fin de la course de compression, une bougie d'allumage enflamme le mélange comprimé, provoquant sa combustion dans une rafale rapide produisant un flux de gaz chauds qui poussent le piston vers le bas. En revanche, dans un moteur diesel, la chaleur générée par la compression de l'air suffit à enflammer le carburant, qui est injecté vers la fin de la course de compression.

Course d'échappement : Après la course de puissance, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston qui se déplace vers le haut expulse les gaz usés hors du cylindre. Cela prépare le terrain pour une nouvelle charge de mélange air-carburant pour le cycle suivant.

Les aspects opérationnels d'un moteur à combustion externe

Comme son nom l'indique, un moteur à combustion externe est un type de moteur dans lequel la combustion a lieu à l'extérieur du moteur. C'est un contraste frappant avec un moteur à combustion interne où la combustion se produit à l'intérieur du cylindre du moteur. L'exemple le plus classique de moteur à combustion externe est la machine à vapeur.

Voici un aperçu détaillé du fonctionnement d'une machine à vapeur :

Tout d'abord, le combustible est brûlé dans un four externe pour chauffer l'eau et produire de la vapeur. La vapeur est ensuite introduite dans un cylindre où elle se dilate contre un piston, effectuant ainsi un travail. La vapeur usée est ensuite expulsée du cylindre par un orifice d'échappement. Un mécanisme de refroidissement la refroidit et la transforme en eau avant qu'elle ne soit réintroduite dans la chaudière, marquant ainsi la fin du cycle.

Cependant, il est important de se rappeler que le rendement d'un moteur à combustion externe n'est pas aussi élevé que celui d'un moteur à combustion interne, principalement parce qu'il y a deux fois plus de pièces mobiles en jeu, ce qui entraîne une augmentation des pertes par frottement. De plus, l'entretien des moteurs à vapeur à tempérament peut être une affaire complexe, la sécurité étant une préoccupation majeure en raison des niveaux de pression élevés en jeu.

Étapes du processus du moteur à combustion

Le processus du moteur à combustion, qu'il soit interne ou externe, implique généralement une séquence d'étapes qui, ensemble, forment un cycle. Pour un moteur à combustion interne, le cycle comprend les phases d'admission, de compression, de puissance et d'échappement. Dans le cas d'un moteur à combustion externe, le cycle comprend le chauffage, la dilatation, le refroidissement et le réchauffage du fluide de travail.

Les deux types de moteurs reposent sur des cycles répétés de ces étapes pour effectuer un travail continu. Le but du processus est de convertir efficacement l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique, qui peut alimenter une voiture, faire fonctionner des machines ou produire de l'électricité.

Au cours de chaque étape, différentes transformations thermodynamiques se produisent, entraînant des conversions d'énergie importantes. Une compréhension de base de ces étapes et de leurs interrelations est cruciale pour saisir la dynamique complexe des moteurs à combustion.

Efficacité des moteurs à combustion interne : Un regard détaillé

Approfondissons les aspects cruciaux de l'efficacité énergétique d'un moteur à combustion interne. La complexité et la myriade de variables jouent un rôle clé dans le façonnement de l'efficacité de ces moteurs, mais la compréhension de leurs rouages peut conduire à des améliorations substantielles de la performance globale.

Analyse de l'efficacité énergétique d'un moteur à combustion interne

Un moteur à combustion interne est un moteur thermique qui fonctionne en brûlant un mélange air-carburant dans ses cylindres. Mais toute l'énergie générée par le processus de combustion n'est pas utilisée pour propulser le véhicule - la majeure partie est convertie en chaleur, en bruit, etc. qui ne contribue pas à effectuer un travail utile. En fait, le rendement énergétique d'un moteur à combustion interne, qui se définit comme le rapport entre l'énergie utile produite et l'énergie totale absorbée, est assez faible par rapport à d'autres procédés de conversion de l'énergie.

L'efficacité énergétique d'un moteur à combustion peut être analysée sur la base de ce bilan énergétique. Décortiquons les pertes d'énergie typiques d'un moteur à combustion interne :

• Pertes thermiques : La majeure partie de l'énergie (près de 60 %) contenue dans le carburant est perdue sous forme de chaleur en raison des températures de fonctionnement du moteur. Une partie de cette chaleur est emportée par les gaz d'échappement et le reste est absorbé par les pièces du moteur comme le cylindre, le piston et le système de refroidissement.
• Pertes par frottement : Le frottement des pièces mobiles du moteur entraîne une perte d'énergie sous forme de chaleur. L'usure des pièces due au frottement peut également entraîner une perte d'efficacité énergétique au fil du temps.

En outre,

• Pertes de gaz de combustion : Les gaz qui sortent de l'échappement ont à la fois une température élevée et une énergie cinétique considérable. Cela représente une source importante de gaspillage d'énergie.
• Pertes de pompage : Une certaine énergie est utilisée pour faire fonctionner la pompe à carburant du moteur, la pompe à huile et d'autres services auxiliaires. C'est ce que l'on appelle la charge parasite, qui réduit le travail utile.
• Pertes de temps : Le temps nécessaire aux coups d'admission et d'échappement, pendant lesquels aucune puissance n'est produite, peut également être considéré comme une perte d'énergie.

Le rendement effectif total d'un moteur à combustion interne est déterminé par la somme de ces pertes. Il pourrait être représenté quantitativement par le \N< \Nbackslash begin{{align*}} \ texte{{Rendement}} &= 1 - \ texte{{Perte thermique}} - \ text{{Perte de pompage}} - \ texte{{Perte de temps}} \N- barre oblique inversée end{{align*}} \>

Façons d'améliorer le rendement d'un moteur à combustion interne

Pour améliorer le rendement d'un moteur à combustion interne, il faut minimiser les pertes d'énergie mentionnées ci-dessus. Nous résumons ici les principaux moyens d'y parvenir :

Améliorer le mélange air-carburant : En améliorant le mélange de l'air et du carburant, on peut rendre le processus de combustion plus complet, ce qui réduit la quantité de carburant non brûlé. Cela peut être réalisé grâce à une carburation efficace dans les moteurs à essence et à une atomisation dans les moteurs diesel.

Augmenter le taux de compression : Selon le cycle d'Otto, plus le taux de compression est élevé, plus l'efficacité est grande. Cependant, dans la pratique, l'augmentation du taux de compression entraîne le problème du "cliquetis" et doit donc être équilibrée.

Réduction des frottements du moteur : Minimiser les frottements dans le moteur en améliorant la conception des composants, la qualité des matériaux utilisés et la lubrification permet d'obtenir un meilleur rendement.

Gestion de la chaleur : Récupérer et réutiliser la chaleur perdue peut être un autre moyen d'améliorer l'efficacité. Les moteurs modernes utilisent des turbocompresseurs pour utiliser la chaleur perdue afin de comprimer l'air d'admission, compensant ainsi une partie de la perte d'énergie.

Optimiser l'injection de carburant : L'optimisation du moment et de la quantité de carburant injecté dans les moteurs diesel peut améliorer considérablement l'efficacité de la combustion, ce qui améliore encore les performances du moteur.

Grâce à d'importantes avancées technologiques et à une meilleure compréhension de la dynamique complexe des moteurs, l'efficacité énergétique des moteurs à combustion interne s'est considérablement améliorée. Cependant, compte tenu de la pression croissante en faveur de sources d'énergie plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement, la tendance s'oriente désormais vers les véhicules hybrides, électriques et à pile à hydrogène.

Exemples de moteurs à combustion dans des applications réelles

Sans aucun doute, les moteurs à combustion ont joué un rôle crucial dans le façonnement du monde moderne tel que nous le connaissons. Ils sont au cœur de divers systèmes mécanisés dans toutes les industries, garantissant que les services et les biens peuvent être déplacés de manière efficace et efficiente. Grâce à cette influence profondément enracinée, tu peux voir des exemples clairs de moteurs à combustion dans tous les domaines, des véhicules aux navires, en passant par les générateurs d'énergie et les avions. Voyons plus en détail quelques applications réelles des moteurs à combustion interne et externe.

Exemples de moteurs à combustion interne

Les automobiles : L'application la plus courante des moteurs à combustion interne se trouve dans les véhicules à usage personnel et commercial. Ici, les moteurs à essence et diesel alimentent une large gamme de véhicules, des vélos aux bus, en passant par les voitures et les camions. Ils transforment l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique grâce à des cycles complexes de mouvements de piston.

Navires : Les navires utilisent principalement de gros moteurs à combustion interne qui brûlent du pétrole lourd. Étant donné la nécessité d'une puissance et d'une fiabilité élevées, ainsi que l'avantage d'une source d'énergie autonome, les moteurs diesel sont le premier choix pour la plupart des applications marines.

Générateurs d'électricité : Les générateurs à base de diesel sont largement utilisés pour la production d'énergie d'urgence, primaire ou continue. C'est leur fiabilité, leur facilité d'entretien, leur densité de puissance élevée et leur capacité à fonctionner avec une variété de carburants qui en font un choix privilégié.

Avions : De nombreux petits avions sont propulsés par des moteurs à combustion interne. Il s'agit généralement de moteurs à pistons opposés horizontalement et refroidis par air.

Matériel agricole : Une série d'équipements agricoles tels que les tracteurs, les moissonneuses-batteuses et les systèmes d'irrigation sont alimentés par des moteurs à combustion interne, en raison de leur rapport poids/puissance élevé et de leur adaptabilité dans des conditions d'utilisation variées.

Exemples pratiques de moteurs à combustion externe

Locomotives à vapeur : Les moteurs à vapeur sont la quintessence des moteurs à combustion externe, et ont été principalement utilisés dans les locomotives de chemin de fer au cours du 19ème et au début du 20ème siècle. Le processus de combustion se déroule dans un four externe, où la chaleur produite permet de faire bouillir l'eau et de créer de la vapeur. La vapeur s'écoule ensuite dans les cylindres pour actionner les pistons et, en fin de compte, faire bouger les roues.

Navires à vapeur : Jusqu'au 20ème siècle, de nombreux navires étaient propulsés par des moteurs à combustion externe sous forme de turbines à vapeur. La vapeur était générée dans une chaudière en brûlant du charbon, et la vapeur générée faisait à son tour tourner la turbine et propulsait le navire.

Générateurs de vapeur : Dans les centrales électriques, on utilise l'équivalent moderne d'un moteur à vapeur, à savoir la turbine à vapeur. Le charbon, le gaz naturel, l'énergie nucléaire ou les sources d'énergie renouvelables servent à chauffer l'eau dans une chaudière, générant ainsi de la vapeur qui fait tourner des turbines reliées à des générateurs électriques.

Importance des moteurs à combustion dans les mécanismes modernes

Évolution des transports : Les moteurs à combustion interne et externe ont considérablement influencé le développement et l'évolution de divers mécanismes de transport. Les moteurs constituent une source d'énergie pratique et fiable, qui permet d'effectuer des déplacements sur de longues distances et à grande vitesse. Leur adaptabilité aux différents types de carburant et environnements de fonctionnement a également joué un rôle essentiel pour permettre la diversité des transports.

L'industrialisation : Les moteurs à combustion ont largement contribué à la révolution industrielle, en jouant un rôle clé dans l'industrialisation. Les moteurs ont alimenté divers processus de fabrication et machines dans les usines. La machine à vapeur, par exemple, a joué un rôle déterminant dans la mécanisation de la production textile, les premiers transports ferroviaires et la création de centrales électriques.

L'électrification : L'utilisation de moteurs à combustion pour la production d'électricité a eu un impact significatif sur la croissance et le développement de l'électricité dans le monde entier. Des générateurs diesel décentralisés aux centrales électriques à grande échelle utilisant des turbines à vapeur, les moteurs à combustion ont joué un rôle déterminant dans l'électrification de la planète.

Progrès technologiques : La recherche continuelle d'amélioration de l'efficacité, des émissions et de l'adaptabilité des moteurs à combustion a suscité d'importantes innovations technologiques. Des innovations telles que les groupes motopropulseurs hybrides, la gestion efficace de la chaleur et de la récupération des gaz d'échappement, et l'utilisation de matériaux avancés sont quelques-unes des retombées de ce voyage.

Il est indéniable que l'importance des moteurs à combustion a été primordiale pour façonner le monde mécanisé moderne. Cependant, la nature même de leur fonctionnement, qui implique la combustion de carburant et l'émission de gaz à effet de serre, a soulevé de graves préoccupations environnementales. Cela a conduit à une réorientation vers des modes de production d'énergie et de propulsion plus durables, comme les piles à combustible électriques et à hydrogène. Mais, compte tenu de leur polyvalence, de leur fiabilité et de leurs puissants attributs, les moteurs à combustion continueront d'occuper une place prépondérante dans un avenir prévisible.