cours machine thermique



 Machines thermiques

1 - Cycle de Beau de Rochas et moteur

d’OttoEn 1862, l’ingénieur français A. Beau de Rochas propose un moteur à combustion interne, travaillant suivant un cycle constitué de deux isentropiques (adiabates) et de deux isochores. 16 ans plus tard, l’ingénieur allemand N. Otto réalise ce moteur. Un cylindre d´elimit´e par un piston forme la chambre de combustion. Le volume de cette chambre change 4 fois entre V1 et V2 par mouvement linéaire du piston. Ce mouvement est traduit par bielle et vile-brequin en mouvement rotatif.


Le cycle est décrit en quatre temps :
I→1 Le cylindre admet le mélange à travers une soupape d’admission dans un volume V1.
1→2 Les soupapes étant fermées, le mélange est comprimé isentropiquement u volume V1 au volume V2.
2→3 Explosion du mélange qui augmente la pression.
3→4 Les soupapes étant toujours fermées, les produits de la combustion se détendent isentropiquement en repoussant fortement le piston jusqu’`
sa position extrême.
4→1 La soupape d’échappement s’ouvre, ce qui diminue brutalement la pression.
1→I Les gaz brulés sont évacués.


Dans la pratique, les moteurs à explosion fonctionnent généralement avec quatre cylindres, ce qui permet de réaliser une rotation quasi uniforme du moteur. Notons que, le moteur à explosion étant un système ouvert, l’étude thermodynamique présente est relative au système fermé constitué par une masse déterminée de fluide au cours d’un cycle.
L’efficacité ηm du moteur à explosion est obtenue en faisant le rapport de l’opposé −W du travail reçu sur la chaleur Qc que le moteur reçoit des sources chaudes, le long de 2-3 :


2- CYCLE DE DIESEL
Moteur à allumage par compression :cycle de Diesel
Le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l’allumage n’est pas assuré par des bougies mais par une compression élevée, ce que l’on réalise sans risque en comprimant l’air seul et en injectant le carburant au point 2 du diagramme. Ce moteur a été mis au point par l’Allemand R.
Diesel en 1893, fortement motivé par la recherche d’un moteur thermique fonctionnant avec un combustible rudimentaire, moins raffiné que l’essence. Le cycle ressemble à celui du moteur à explosion, mais la portion isochore 2−3 est remplacée par une isobare car, dans le moteur Diesel, le combustible est injecté sous pression en 2, de façon assez progressive.

 Le cycle a six étapes et le piston fait deux montées et deux descentes, comme dans le cas précédant on parle d’un moteur `a quatre temps :
I→1 Le cylindre admet l’air seul `a travers une soupape d’admission dans un volume V1.
1→2 Les soupapes étant fermées, l’air est comprimé isentropiquement jusqu’au volume V2.
2→3 Les soupapes étant toujours fermées, on introduit le combustible en 2 et la combustion a lieu.
3→4 Les produits de la réaction se détendent isentropiquement en repoussant fortement le piston jusqu’`a la position extrême.
4→1 La soupape d’échappement s’ouvre, ce qui diminue brutalement la pression.
1→I Les gaz brulés sont évacués.


3-LE MOTEUR DE STIRLING


Dans la pratique, les moteurs Diesel fonctionnent généralement avec quatre cylindres.
On considère le système fermé constitué par une masse déterminée de fluide au cours d’un cycle. Comme pour le moteur `a explosion, l’efficacité ηm du moteur Diesel a pour expression :



Le moteur de Stirling est l’un des moteurs développés dans les laboratoires des constructeurs automobiles pour répondre aux besoins actuels et futurs de moteurs moins polluants, à meilleur rendement, et plus silencieux que les moteurs existants. Dans ce moteur, les mouvements des pistons ne sont pas provoqués par les variations de pression des gaz de combustion, comme dans les moteurs à combustion interne, mais sont entrainés par les variations de pression d’un fluide actif, un gaz tel que l’hélium ou l’hydrogène, qui circule en
circuit fermé : la combustion du carburant s’effectue donc dans une enceinte distincte de celle contenant le fluide actif et les pistons, ce qui permet une combustion continue, et non plus par explosions successives, d’une gamme variée de combustibles (essences traditionnelles, fuels lourds, huile, charbon,biomasse,...). En plus, la source chaude peut être réalisée par d’autre moyen que la combustion, par exemple par la concentration de la radiation solaire.

Le cycle du moteur de Stirling est constitué de deux isochores (volume constant) et de deux isothermes. Dans le plan p − V , ce cycle a l’allure suivante :


Si le cycle est décrit dans le sens ABCDA, le moteur travaille comme pompe de chaleur, quand il est décrit dans le sens inverse c’est un moteur bitherme `a combustion externe. Le bilan d’énergie (voir exercice) donne un rendement équivalent `a celui du cycle Carnot, donc le rendement est maximum.

Réalisation pratique de la machine de Stirling Ce moteur utilise deux pistons. Le piston déplaceur met alternativement le gaz en contact avec la source chaude et la source froide. Le piston de travail opère la détente et la compression. Le gaz se déplace à travers la grille métallique. Le rôle de cette dernière étant de récupérer la chaleur fournie par le système lors du refroidissement isochore et de restituer cette énergie au gaz lors du réchauffement isochore (l’énergie est ”stockée” dans la grille).


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