Les moteurs à combustion interne

MECA 1855

THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE

Les moteurs à combustion interne

H. Jeanmart

herve.jeanmart@uclouvain.be

Année académique 2011-2012

2

Sommaire

•  Principe de fonctionnement

•  Thermodynamique des moteurs

•  Cycles réels

•  Pression moyenne indiquée

•  La suralimentation

•  Les pertes mécaniques

•  Puissance effective

Principe de fonctionnement : phase motrice

Compression Combustion Détente

4

b

a

Principe de fonctionnement : combustion

Allumage par étincelle Allumage commandé

Moteur à essence Moteur de Otto

Allumage spontané Allumage par compression

Moteur Diesel

bougie Injecteur

5

!

"#$%#&'()*+,-%(#Ͳ .%/&'-%(#

Spark Ignition (SI) engine (Gasoline,

Otto)

Compression Ignition (CI) engine

(Diesel) Homogeneous

Charge Compression Ignition (HCCI)

Diesel PPC

+ High Efficiency + Ultralow NOx & soot - Combustion control - Power density + Clean with 3-way

Catalyst

- Poor low & part load efficiency

+ High efficiency - Emissions of NO_x

and soot

+ Injection controlled - Efficiency at high load Gasoline PPC

+ High Efficiency + Low NOx & soot

0122Ͳ0113

0113Ͳ!223

!223Ͳ!202

!202Ͳ

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Spark Ignition (SI) engine (Gasoline,

Otto)

Compression Ignition (CI) engine

(Diesel) Homogeneous

Charge Compression Ignition (HCCI)

Diesel PPC

+ High Efficiency + Ultralow NOx & soot - Combustion control - Power density + Clean with 3-way

Catalyst

- Poor low & part load efficiency

+ High efficiency - Emissions of NO_x

and soot

+ Injection controlled - Efficiency at high load Gasoline PPC

+ High Efficiency + Low NOx & soot

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!202Ͳ

Evolution du mode de combustion

Source: Bengt Johansson

6

Principe de fonctionnement : phase de respiration

Le moteur à quatre temps

Évacuation des gaz comburés

Admission de la charge fraiche

a b

Principe de fonctionnement : phase de respiration

Le moteur à deux temps

Balayage longitudinal Balayage transversal

8

Cross Loop Uniflow

Source:

Heywood

Principe de fonctionnement : phase de respiration

Le moteur deux temps (suite)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

10 20 30 40 50 p/p₀

V/V_C 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 10 20 30 40 50 p/p₀ bar

V/V_C

Thermodynamique : diagramme indicateur

Moteur à 4 temps Moteur à 2 temps

= ∫ pdV

W

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 500 1000 1500 2000

1 2

3

4 T

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 S

0 10 20 30 40 50 60 70

1 4 V/V_C p/p_{0 3}

2

Q_II Q_I

Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas

1 – 2 Compression adiabatique réversible 2 – 3 Echauffement isochore

3 – 4 Détente adiabatique réversible 4 – 1 Refroidissement isochore

Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas

W

= ! ! p dV

I II I

II I

I th th

Q Q Q

Q Q

Q

W − = −

=

= 1

η

•  Le travail théorique

•  Le rendement théorique

•  Le rapport volumétrique de compression (taux de compression)

3 4 2

1

V V V

V = τ =

D C z V

V

V

4

2 2

1

= π

=

−

12

Thermodynamique : modèle de Beau de Rochas

•  Les effets calorifiques

( T

T

)

mc

Q

=

− Q

= mc

( T

− T

)

1 2

3

1

4

1

1 1

1 = −

−

− −

=

−

=

η τ

T T

T T

Q Q

I th II

•  Transformations isentropiques

1 1

2 1 1

2 −

−

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

γ

V τ V T

T

1 1

4 3 3

4

1

−

−

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

γ

V τ V T

T

•  Expression finale du rendement

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

10 20 30 40 50 60 70

1 4 V/V_C p/p₀

2 3'' 3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 V/V_C

0 10 20 30 40 50 60 70

1 4 2

3

3' p/p₀

Thermodynamique : les autres modèles

14

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

K kJ/kgK

c_vf

c_va

Thermodynamique : propriétés réelles du fluide

Variation des chaleurs massiques avec la température

La chaleur massique moyenne du mélange dépend du taux de compression et de la richesse

Thermodynamique : propriétés réelles du fluide

Nouvelle expression du rendement

1

1 − 1

=

η

τ

th x

η = ¹ − τ ¹

( ^{1 ( 1 0 . 1}

^{)( 1 )}

)

06 . 0 277

.

0 + − φ + − τ − φ

x =

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38

x

Φ τ =10

τ =20

φ = λ ¹

Richesse relative

16

Thermodynamique : propriétés réelles du fluide

Conséquence sur le rendement

Le rendement théorique est fonction

•  croissante du taux de compression

•  décroissante de la richesse

τ η

6 .

= 0 φ

= 1

φ

Les carburants

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 p bar

% vap

V

L

C

t °C

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 p bar

% vap

V L

C

t °C

Carburants légers (essence)

Carburants lourds (Diesel)

18 Carburant Température

d’ébullition (si > 0 °C)

°C

Température Critique

°C

PCI kJ/m³_N

ou kJ/kg

V_a1 m³_N/m³_N

ou m³_N /kg

Gaz naturel L P G Biogaz Gazogène

Gaz Gaz Gaz Gaz

570 480 570 540

35800 105000

23000 5200

27.4 9.5 6.1 1.15

3400 3700 3200 2400 L E

G E R

S Essences Méthanol

Ethanol

50 à 150 65 79

400 à 500 510 490

43500 19900 26900

11.2 5.00 6.94

3880 3995 3890 L

O U R D S

Gazole Ester végétal Fuel moyen Fuel lourd

250 à 350 350 300 à 400 (craquage)

350 à 250

42800 41500 42000 41000

11.0 10.0 10.8 10.6

3880 PCI/V_a1

ou PCI/(1+V_a1)

kJ/m³_N

Les caractéristiques d‘autoimflammabilité sont déterminées par l‘indice de cétane pour le Diesel et l‘indice d‘octane pour l‘essence

Les carburants

Moteurs : Valeurs usuelles

τ φ η

9 1 0.456

10 1 0.471

10 0.6 0.505

11 0.6 0.519

Limitations

Allumage par étincelle

•  auto-allumage pour des rapports de compression trop élevé

•  problèmes de propagation de flamme pour des richesses trop faibles

20

Moteurs : Valeurs usuelles

Allumage spontané

τ φ η

17 0.6 0.578

17 0.5 0.588

17 0.4 0.599

Limitations

•  le taux de compression doit être supérieur à 14

•  la taux de compression doit être inférieur à 20

•  la richesse est limitée supérieurement à 0.6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

10 20 30 40 50 60 70 80

p/p₀

V/V_C a

b c

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

p/p₀

V/V_C a

b c

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 p/p₀

V/V_C échappement

admission

Cycles réels : imperfections majeures

Avance à l‘allumage

Avance ouverture échappement

Travail de pompage

22

Cycles réels : la perte pariétale

C P P

Q

= Q

ε

C E

E

Q

= Q

ε

E P

C

E P

C C

ti i

Q

Q Q

Q Q

W ε ε

η − − = − −

=

= 1

T"

S"

Q

Q

Q

W

La perte pariétale est fonction :

•  décroissante de la dimension du moteur

•  décroissante de la vitesse de piston

•  décroissante de son taux de remplissage

•  coissante de son taux de compression

Cycles réels : la perte pariétale

T

S"

A

C D

B

x

C D 1 A B τ 1

+ =

+ −

x

D 2

C D A B = τ 1 + + + +

x

D 2

B = τ 1 -­‐

Lien entre perte à l‘échappement et perte pariétale

1 2 1

− +

=

E

ε τ

ε τ

1 1 1 1

+

− −

−

=

x x p

ti

τ

ε τ

η τ

24

Cycles réels : la perte pariétale

Illustration

2 . 0 ,

6 .

0 =

= ε

φ φ = ^{1 ,} ε

= ^{0 . 15}

th ti

η η ^,

τ 6

.

= 0

φ ^{φ = 1}

Pression moyenne indiquée : définition

C ti C

ind

ind

Q Q

W = η ≈ η

m PCI PCI m

m Q

a c a

C

1

φ

=

=

C

a

r V

m = ρ

C a

ind

ind

V

m r PCI

W

1

φ ρ η

=

0 1

φ ρ η

a

ind

m

r PCI pmi =

V PCI PCI V

V Q

n a

n a n

c C

, 1

, ,

= φ

=

c n

a

n a C

a

V

V rV V

V = = + φ

, 1

, 1

N a n

a

V

V ρ

ρ

,

=

C n N n

a ind

ind

V

p p T T V

r PCI

W

0 ,

1

φ

η φ

= +

n N n

a

ind

p

p T T V

r PCI

pmi

0 ,

1

φ

η φ

= +

26

Pression moyenne indiquée : valeurs usuelles

•  Allumage par étincelle (conditions nominales)

• η = 0.40

•  PCI = 44000 kJ/kg

•  m_a1 = 14.8 kg/kg

•  r = 0.80

•  Allumage spontané (conditions nominales)

• η = 0.50

•  PCI = 42600 kJ/kg

•  m_a1 = 14.2 kg/kg

•  r = 0.85

kPa pmi ≈ 1200

kPa

pmi ≈ 900

La suralimentation : principe

0

1*

6

5 1

C R

T

Objectif :

Augmenter le coefficient de remplissage, r

28

Les pertes mécaniques : origine

p_g h

D F

p_s

D F_P

U

jD/2

L

U ω jR

R

Types de frottement avec contact sans contact

Les pertes mécaniques : expression pmf

pmi pme = −

pmi pmf pmi

pme

mec

= = 1 −

η

mec ind

C e e

PCI m

W η η

η = =

0 1

φ ρ η

a

e

m

r PCI pme =

n N n

a

e

p

p T T V

r PCI

pme

0 ,

1

φ

η φ

= +

30

Les pertes mécaniques : illustration

0" 2" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20"

0"

0.1"

0.2"

0.3"

0.4"

0.5"

0.6"

0.7"

0.8"

0.9"

1"

PERTE AUX PAROIS

PERTE A L'ECHAPPEMENT

TRAVAIL INDIQUE

τ

PERTE MECANIQUES

TRAVAIL EFFECTIF

31

Bilan énergétique global du moteur

imbrûlés travail utile

circuit de refroidissement

échappement

autres pertes

1

1 pertes pariétales

2 pertes par frottement mécanique

3 fraction des pertes par frottement cédée au circuit de refroidissement

4 transfert entre gaz d‘échappement et circuit de refroidissement (soupape d‘échappement)

2 3

4

Combustible 5

32

Puissance effective : définition

4

2

C z D

pme V

pme

W

π

⋅

=

⋅

=

t π M W

=

t π V M

pme ⋅

=

t V rpm rpm pme

M M

P

⋅ ⋅

⋅ =

=

= 60 30

2 π

ω

Puissance effective : vitesse linéaire du piston

Contraintes sur la vitesse linéaire moyenne du piston

•  limitation du flux dissipatif aux segments

•  limitation des contraintes d’inertie

•  compatibilité avec les processus de combustion

30 C rpm u =

t u z D

pme P

4 π

⋅

=

34

Business-as-usual

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