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30 T E C H N O L O G I E 1 7 7 J A N V I E R - F É V R I E R 2 0 12 es moteurs

30 T E C H N O L O G I E 1 7 7 J A N V I E R - F É V R I E R 2 0 12 es moteurs à combustion interne progressent sans cesse par adjonction de nouvelles fonctions visant à améliorer leurs performances ou leur efficacité énergétique : l’injection directe, la suralimentation par turbocompresseur, les filtres à catalyse, etc. Les normes Euro 6 imposent de nouveaux progrès aux moteurs à essence, qui doivent réduire la consommation et les émissions de CO2, et aux moteurs Diesel, qui doivent réduire leurs émissions de polluants. Le downsizing, réduction de la cylindrée avec maintien des performances, les nouveaux procédés de combustion, l’optimisation des formes de chambre de combustion, des points et systèmes d’injection, les systèmes de posttraitement des gaz sont des voies prometteuses. La société lyonnaise MCE-5 Development (www.mce-5 .com) avec son moteur VCRi (Variable Compression Ratio intelligent) propose une autre solution, décisive, capable de coopérer avec l’ensemble des technologies actuellement disponibles pour les moteurs à essence : le contrôle du taux de compression. Pourquoi faire varier le taux de compression ? Lors du cycle de fonctionnement du moteur, le piston se déplace entre deux positions extrêmes : le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) (lire les « Rappels sur le fonctionnement d’un moteur thermique à combustion interne » en encadré). Le taux de compression volumétrique (ou rapport volumétrique) correspond au rapport entre le volume V + v de la chambre de combustion quand le piston est au PMB et le volume v de cette même chambre quand il est au PMH. Le taux de compression résulte d’un calcul fait à partir de ce rapport volumétrique et des lois de comportements des LE MOTEUR VCRI DE MCE-5 Une compression intelligente WILLIAM FOURMENTAL, LUC NADALON [1] mots-clés composants, semi-conducteurs Les émissions produites par les moteurs représentent environ 1/4 des émissions des gaz à effet de serre. Augmenter le rendement des moteurs à combustion est donc l’un des défis que devront relever les constructeurs automobiles. Voici la solution d’un fabricant, basée sur la variation du taux de compression. [1] ] Enseignants, respectivement en génie mécanique au lycée Gustave-Eiffel de Cachan (94) et en sciences industrielles au lycée Le Corbusier d’Aubervilliers (93). Rappels c Le cycle thermodynamique des moteurs à essence à combustion interne J A N V I E R - F É V R I E R 2 0 12 T E C H N O L O G I E 1 7 7 31 sur le fonctionnement d’un moteur thermique à combustion interne Un moteur transforme l’énergie d’une source en énergie mécanique. Un moteur thermique reçoit de l’énergie chimique, la transforme en chaleur au cours de la combustion et la restitue sous forme de travail mécanique a . Ce dernier est ensuite appliqué aux roues motrices par l’intermédiaire de la transmission. La transformation en chaleur se produisant à l’intérieur même du moteur, celui-ci est appelé moteur thermique à combustion interne. Le cycle thermodynamique pratique des moteurs d’automobile à combustion interne à allumage commandé à quatre temps peut être représenté de manière approchée par le cycle théorique défini par Beau de Rochas en 1862. Ce cycle est caractérisé par quatre temps liés aux mouvements de translation du piston : admission, compression, combustion-détente et échappement b . Description du diagramme théorique du moteur à 4 temps c ● Lors de l’admission (OA) , la chambre de combustion est ouverte, le piston descend du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB), ce qui augmente le volume de la chambre. Le mélange air + carburant est admis dans la chambre de combustion à une pression constante ; on parle de transformation isobare (p = Cte). ● Lors de la compression (AB), la chambre est fermée, le piston monte du PMB au PMH, le volume de chambre diminue, la pression et la température augmentent ; on parle de transformation adiabatique (loi de Poisson : p Vg = Cte). ● Lors de l’inflammation et durant la combustion (BC), la chambre reste fermée, et le piston ne se déplace pas. La transformation de l’énergie contenue dans le carburant provoque une forte augmentation de température et de pression, c’est l’explosion ; on parle de transformation isochore (V = Cte). ● Lors de la détente du gaz enflammé (CD), le piston se déplace de nouveau vers le PMB, la pression chute selon une nouvelle transformation adiabatique. ● Lors du quatrième temps, l’échappement, les gaz brûlés sont évacués du cylindre par la remontée du piston selon une nouvelle transformation isobare (AO). L’aire de la surface ABCD représente le travail mécanique fourni par le cycle moteur. Les écarts entre le modèle et le réel Au cours de l’admission, l’augmentation de volume s’accompagne d’une légère chute de température, selon la loi de Gay-Lussac VA = VO [1 – (t / 273)] , et de pression (c’est la dépression qui permet d’admettre le fluide). De plus, l’entrée des gaz n’est pas instantanée (inertie des gaz, pertes de charge) et le temps d’ouverture de la soupape est trop court, ce qui fait que le remplissage du cylindre est inférieur à V. Il faut ouvrir la soupape plus longtemps. Durant la compression, la température augmente légèrement, selon la loi de Charles : pC = pB [1 + (t / 273)] . En raison de l’insuffisant remplissage du cylindre, la pression maximale est inférieure à celle du diagramme théorique. L’inflammation des gaz ne se fait pas à volume constant. Elle n’est pas instantanée (la vitesse de combustion est de 20 à 30 m/s), et, la pression maximale sur la tête du piston devant avoir lieu juste après le PMH, il faut que l’étincelle ait lieu avant le PMH. La soupape d’échappement ne s’ouvre pas assez longtemps pour évacuer tous les gaz brûlés. La pression résiduelle des gaz brûlés s’oppose à la remontée du piston (CPE, Contre-Pression Échappement), et fournit un travail résistant (négatif). La cinématique du piston conditionne le remplissage du cylindre, mais aussi la turbulence dont la flamme a besoin pour se propager rapidement dans le volume de la chambre de combustion. Le temps passé par le piston au point mort haut détermine le développement de la combustion avant que les gaz ne soient détendus. Celui passé au point mort bas permet de laisser les gaz brûlés sortir du cylindre (échappement) en produisant le minimum de contre- pression (travail négatif indésirable). Oxygène de l’air (comburant) Énergie chimique (carburant) Énergie thermique (carburant) Énergie calorifique (pertes) Énergie mécanique de translation Énergie mécanique de rotation Admission Compression Combustion- détente Échappement 1er tour 2e tour a La transformation de l’énergie d’un moteur à combustion interne b Le cycle à 4 temps 32 T E C H N O L O G I E 1 7 7 J A N V I E R - F É V R I E R 2 0 12 gaz (lire « Taux de compression et rapport volumétrique » en encadré). Il conditionne directement le rendement énergétique, les émissions polluantes et les performances en couple et en puissance des moteurs à combustion interne. Le rendement thermodynamique d’un moteur s’améliore avec l’élévation de son taux de compression : plus forte est la pression du mélange air-essence, plus grande est la force qu’il produit lors de sa détente. La variabilisation du taux de compression se justifie par la recherche d’un fonctionnement optimal du moteur : schématiquement, la combustion dans les chambres se déroule d’autant mieux qu’elles sont « bien remplies », et il faut que la compression du gaz emprisonné dans le cylindre apporte suffisamment de chaleur pour préparer l’explosion. Si l’on démarre la compression avec un cylindre rempli à la moitié de sa capacité (cas d’une faible demande de puissance), il faut doubler le taux de compression pour se retrouver dans des conditions optimales de combustion en fin de compression. Sur un moteur « standard », le volume est déterminé pour un bon fonctionnement à pleine charge (de manière à éviter le cliquetis) ; ce volume est fixe. Or, la très grande majorité des conducteurs utilisent leur moteur à environ 40 % de sa puissance sur autoroute et 15 % en ville (cas de véhicules de milieu de gamme). La chambre de combustion du moteur à taux fixe ne présente donc pas Taux de compression et rapport volumétrique La course c est la distance comprise entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) a . La cylindrée V est le volume balayé par les pistons d’un moteur exprimé en centimètres cubes ; c’est le produit de la section de l’alésage du carter cylindre, de la course du piston dans le cylindre et du nombre n de cylindres du moteur : Vt = n p (D2 / 4) c . Le taux de compression correspond au rapport des pressions en fin et en début de phase de compression : ep = pB /pA . Dans le cadre d’une compression adiabatique parfaite, on peut écrire que ep = (pB /pA)g = VA / uploads/Industriel/ moteur-vcri.pdf