moteur à combustion

Moteur à combustion (au sens large) est machine, qui en brûlant carburant transforme son énergie chimique en travail mécanique. À combustion du carburant, ou du mélange carburant peut avoir lieu dans moteur, mais aussi en dehors du moteur. Dans un sens plus étroit, le terme moteur à combustion signifie généralement moteur à combustion à pistons.^[1]. L'article traite du moteur à combustion au sens large.

Principe de fonctionnement

Certaines substances, généralement appelées carburants, sont capables réaction chimique de combustion, au cours de laquelle se libère chaleur. Si la chaleur libérée chauffe le fluide gaz, selon l'équation d'état son pression, ou volume, selon qu'il se trouve dans un espace fermé, ou ouvert. Cet état du gaz peut être utilisé pour effectuer un travail mécanique, soit en agissant sur une partie mobile du moteur, soit en utilisant la loi d'action et de réaction lors de l'éjection de la substance de travail du moteur. L'extraction du travail mécanique sous une forme utilisable dépend uniquement d'une solution constructive appropriée. Le processus entier se déroule conformément à la deuxième loi de la thermodynamique avec une certaine rendement.

Certaines variantes du principe général mentionné ci-dessus sont présentes dans la réalisation de chaque moteur à combustion. Il convient de noter:

• les carburants peuvent être solides, liquides ou gazeux,
• l'environnement dans lequel ils brûlent est le plus souvent air mais peut être une autre substance,
• la combustion peut avoir lieu à l'intérieur ou à l'extérieur du moteur,
• le gaz de travail peut être indépendant, ou il peut s'agir directement des gaz d'échappement,
• le gaz de travail est remplacé progressivement, ou est enfermé dans le moteur,
• la partie mobile du moteur sur laquelle agit le gaz de travail peut se déplacer de différentes manières,
• pour obtenir un travail mécanique, on peut utiliser une, deux, ou les deux méthodes ensemble.

Étant donné ce qui précède, il n'est pas surprenant que le groupe des moteurs à combustion comprenne une multitude de types et de constructions différentes, c'est pourquoi il est utile d'utiliser des critères appropriés pour les classer.

Classification

Les moteurs à combustion sont classés selon plusieurs critères. Les critères individuels sont indépendants les uns des autres, c'est pourquoi il n'est pas possible de créer une structure arborescente simple dans ce cas.

Classification de base

Les moteurs à combustion se divisent:

1. selon l'endroit où la combustion a lieu (dans le moteur ou en dehors) en
   • moteurs à combustion interne (la majorité des moteurs à combustion actuels)
   • moteurs à combustion externe, où l'on peut distinguer si l'énergie atteint l'espace de travail
     • par l'apport de gaz de travail (par exemple turbine à gaz)
     • par le transfert de chaleur à travers un chauffage de la substance de travail (par exemple moteur Stirling)
2. selon le cycle de travail en
   • moteurs à cycle de travail continu (par exemple turbine à combustion)
   • moteurs à cycle de travail interrompu
     • moteur à deux temps
     • moteur à quatre temps
3. Par le principe de base de fonctionnement:
   • moteurs à combustion à pistons
     • moteurs avec mouvement linéaire alternatif du piston (la majorité des moteurs à combustion actuels)
     • moteurs avec mouvement circulaire du piston (moteur Wankel)
   • moteurs à aubes (turbines)
   • moteurs à réaction (moteurs à réaction, ou moteurs-fusées)
4. Les moteurs à combustion à pistons se divisent selon la méthode d'initiation de la combustion en:
   • moteurs à allumage commandé - la combustion est déclenchée par l'énergie d'une source externe - l'étincelle bougies d'allumage
   • moteurs à allumage par compression - lorsque la combustion est déclenchée par le chauffage de la mélange comprimé au-dessus de la température d'inflammation
   • moteurs à allumage combiné
   • moteurs à flamme

Dans la pratique courante, on entend aujourd'hui par moteur à combustion moteur à combustion interne.

Classification supplémentaire

Il existe également d'autres critères plus détaillés. La liste suivante de critères n'est pas exhaustive, de plus, les différentes catégories de moteurs à combustion, par exemple les turbines, ont leurs propres catégories spécifiques.

• selon le type de carburant brûlé, les moteurs se divisent en:
  • moteurs à gaz - brûlant des carburants gazeux, par exemple gaz naturel
  • moteurs à carburants liquides - pétroliers (essence, diesel), ou autres (alcool)
  • moteurs à carburants solides - par exemple charbon en poudre
  • moteurs à carburants multiples - capables de passer à la combustion d'un autre carburant, avec ou sans modification du moteur
  • moteurs à deux carburants - brûlant simultanément plusieurs types de carburants
• selon l'endroit de préparation du mélange:
  • avec formation du mélange en dehors de l'espace de travail - par exemple dans carburateur, chambre de combustion
  • avec formation du mélange dans l'espace de travail - par exemple dans le cylindre des moteurs à allumage par compression
• selon la méthode de préparation du mélange:
  • moteurs à carburateur
  • moteurs à injection
• selon la méthode d'approvisionnement en air dans les cylindres:
  • moteurs à remplissage atmosphérique des cylindres (naturel), où l'aspiration est assurée uniquement par la dépression causée par le mouvement du piston dans le cylindre,
  • moteurs suralimentés, où le remplissage du cylindre sous une pression supérieure à celle de l'atmosphère environnante est assuré par un dispositif supplémentaire dans le système de remplissage. Les dispositifs de remplissage peuvent être mécaniques soufflantes ou des compresseurs, par exemple dans l'automobile VW Corrado (G-Lader), ou des compresseurs utilisés dans les automobiles Bentley (Bentley Blower) turbocompresseurs, par exemple dans les moteurs TDI de la société VW.
• selon l'utilisation en: moteurs stationnaires, mobiles, industriels, électriques, moteurs de bateau, ferroviaires, moteurs de véhicules, agricoles, spéciaux et autres.

Moteur à combustion à pistons

Plus d'informations dans l'article principal: Moteur à combustion à pistons

Ces moteurs sont le représentant le plus nombreux des moteurs à combustion dans les installations techniques. Ils sont presque exclusivement utilisés pour le moteur véhicule motorisé. Leur composant principal est piston, qui effectue un mouvement linéaire ou mouvement rotatif et médie la conversion de l'énergie de pression du gaz en énergie mécanique d'un arbre à came tournant.

Moteur à allumage commandé

Plus d'informations dans l'article principal: Moteur à combustion à allumage commandé

La caractéristique principale des moteurs à allumage commandé est que le mélange au-dessus du piston est allumé le plus souvent par une étincelle entre les électrodes de la bougie. Le mélange nécessite une source d'énergie externe pour l'allumage. Le moteur à allumage commandé peut fonctionner comme à deux temps, ou à quatre temps.

Moteur à allumage par compression

Plus d'informations dans l'article principal: Moteur à allumage par compression

La caractéristique principale des moteurs à allumage par compression est que le mélange, qui se forme directement dans l'espace de combustion, s'enflamme grâce à la chaleur de compression. Ces moteurs ont un tel rapport de compression élevé que lors de la compression de l'air aspiré dans le cylindre, la température est supérieure à la température d'inflammation du carburant au moment de l'injection dans l'espace de combustion. Le moteur à allumage par compression peut également fonctionner comme à deux temps, ou à quatre temps.

Moteur-fusée

Plus d'informations dans l'article principal: Moteur-fusée

Le moteur-fusée a une position spéciale parmi les autres moteurs à combustion:

• il ne prélève pas la substance de travail pendant le fonctionnement de l'atmosphère, mais en plus du carburant, il doit disposer d'une quantité suffisante de oxydant
• la sortie utile du moteur n'est pas un travail mécanique, mais l'effet réactionnel des gaz d'échappement
• en plus des systèmes auxiliaires (par exemple pompes, orientation des buses) ne contient pas dans le système principal de conversion d'énergie des pièces mobiles.

En tenant compte des différences fondamentales mentionnées ci-dessus, certaines parties du texte inférieur ne s'appliquent pas aux moteurs-fusées.

Histoire

Les premières propositions d'utilisation de la poudre à canon, comme source d'énergie mécanique ont apparu dès le 17e siècle. En la France se sont occupés Hautefeuille et Denis Papin, en les Pays-Bas Christian Huygens. À la fin du 18e siècle a proposé Street dans la Grande-Bretagne d'utiliser un mélange de carburant liquide avec de l'air et Barber a proposé la première turbine à combustion. Au 19e siècle a breveté Lebon un moteur à gaz à double action, S. Brown a construit un moteur à gaz et en 1826 l'a monté sur un véhicule. Étienne Lenoir a construit en 1860 un moteur à double action à piston sur le gaz d'éclairage. En 1867 Nikolaus Otto et Langen ont construit un moteur à gaz atmosphérique, en 1873 Reithmann un moteur à gaz à quatre temps, en 1878 encore Otto un moteur à gaz à quatre temps horizontal. En 1879 a construit Kostovič un moteur à allumage commandé avec une puissance allant jusqu'à 60 kW pour le moteur d'aéronef. En 1884 Gottlieb Daimler a construit le premier moteur à quatre temps à allumage commandé à haute vitesse. En 1893 a décrit Rudolf Diesel le cycle de travail pour l'utilisation de charbon en poudre charbon, ou d'autres carburants lourds. Au années 1910 des essais ont été effectués pour injecter le carburant par pompe et non par l'air comprimé. La production en série d'automobiles, et donc de leurs moteurs a commencé en 1908 par la firme Ford. En 1912 la firme suisse Sulzer a construit les premières locomotives, actionnées par un moteur diesel.

Avantages et inconvénients des moteurs à combustion

Chaque type de moteur à combustion a ses avantages et inconvénients, c'est pourquoi il convient plus ou moins bien pour le moteur d'équipements individuels.

Les principaux avantages des moteurs à combustion sont:

• dans la version à pistons, ils atteignent des rendements élevés de conversion d'énergie. Les turbines à combustion atteignent un rendement élevé uniquement dans des unités à haute puissance
• ils peuvent être mis en service rapidement (à l'exception des moteurs à grande puissance)
• ils peuvent être construits pour différents carburants, objectifs et tailles
• surtout avec des carburants liquides, ils permettent d'atteindre des consommations de carburant faibles, des rayons d'action élevés, des masses de puissance faibles, c'est-à-dire qu'ils sont adaptés pour le moteur de véhicules de transport.

Les principaux inconvénients des moteurs à combustion sont:

• un effet négatif sur l'environnement
• ils nécessitent une source d'énergie externe pour le démarrage (à l'exception des moteurs-fusées)
• les moteurs à pistons ont un comportement défavorable des caractéristiques de puissance
• ils n'atteignent pas une longue durée de vie

Sous-systèmes

 

Démarrage électrique

Le moteur pour son travail réel a besoin de sous-systèmes supplémentaires.

• Système de carburant assure le stockage, la distribution et le filtrage du carburant.
• Système de préparation du mélange assure la préparation du mélange de combustion d'air et de carburant en quantité suffisante, de qualité et de composition appropriée.
• Système de refroidissement assure l'évacuation de la chaleur résiduelle et le fonctionnement du moteur dans un régime thermique optimal.
• Système de lubrification assure la lubrification des parties mobiles du moteur.
• Système de commande (aujourd'hui presque exclusivement électronique) assure la régulation du fonctionnement du moteur en fonction des conditions externes et de l'état du moteur lui-même.
• Système électrique assure une quantité suffisante d'énergie pour les systèmes alimentés par l'énergie électrique.
• Système d'allumage (pour les moteurs à allumage commandé) assure un allumage fiable du mélange dans l'espace de combustion.

Régulation de la puissance

La puissance d'un moteur à combustion dépend principalement de la quantité d'énergie libérée par la combustion du carburant. La quantité d'énergie libérée peut être régulée de deux manières.

1. Régulation de la quantité de mélange, aussi appelée régulation quantitative. Avec une quantité moindre de mélange, moins d'énergie est libérée et donc le moteur délivre une puissance moindre. Cette régulation est utilisée par les moteurs à allumage commandé ne fonctionnant pas avec un mélange homogène. Le plus souvent, cette régulation est réalisée par une vanne papillon dans le conduit d'aspiration.
2. Régulation de la composition du mélange, aussi appelée régulation qualitative. La même quantité de mélange contenant moins de carburant libère moins d'énergie. Cette régulation est utilisée principalement par les moteurs à allumage par compression fonctionnant avec un mélange hétérogène. Le plus souvent, cette régulation est représentée par la modification de la durée d'injection du carburant.

Composants du mélange

Carburants

Les carburants les plus couramment utilisés sont les hydrocarbures: légers (essence), lourds (diesel), compressé gaz naturel (CNG), propane-butane liquéfié (GPL), des alcools (méthanol, éthanol).

Des mélanges variés sont également utilisés, ou le moteur est utilisé comme à carburants multiples avec un changement de carburant pendant la conduite. Récemment, des additifs biologiques sont ajoutés aux carburants, comme par exemple l'estér de colza (MERO).

On travaille intensément à remplacer les carburants pétroliers par l'hydrogène.

Air

En plus du carburant, une composante nécessaire du mélange pour la plupart des moteurs à combustion est l'air, car il contient l'oxygène nécessaire à la combustion.

Bilan énergétique

La chaleur apportée par le carburant se divise dans le moteur à combustion comme suit:

Q_d = Q_e + Q_ch + Q_v + Q_ns + Q_ol + Q_zv

• Q_d - chaleur apportée par le carburant
• Q_e - chaleur équivalente au travail utile du moteur
• Q_ch - chaleur évacuée dans le système de refroidissement
• Q_v - chaleur évacuée par les gaz d'échappement
• Q_ns - chaleur non utilisée en raison d'une combustion imparfaite du carburant, appelée aussi pertes chimiques
• Q_ol - chaleur évacuée par l'huile de lubrification
• Q_zv - chaleur non incluse dans les éléments précédents (autres pertes)

La part des composantes les plus significatives de l'équation est indiquée dans le tableau, où Q_d correspond à 100 %.

L'énergie thermique qui cause le chauffage du moteur et des gaz d'échappement (Q_ch, Q_v, Q_ol) est inutilisable et s'appelle l'énergie perdue.

D'après la comparaison ci-dessus, le moteur à allumage par compression utilise l'énergie apportée plus efficacement, donc il fonctionne avec un rendement plus élevé.

Du chauffage équivalent au travail utile Q_e une partie est encore consommée pour les pertes mécaniques (frottement et le fonctionnement des groupes auxiliaires).

Émissions

 

Les moteurs à combustion sont une source importante d'émissions

Plus d'informations dans l'article principal: Émissions des véhicules

En raison de son extension massive, le moteur à combustion appartient aux sources importantes de pollution de l'environnement. Le produit naturel de la combustion parfaite du carburant hydrocarbure est

• CO₂ - dioxyde de carbone.
• H₂O - eau.

En plus de ceux-ci, d'autres substances nocives se forment:

• NO_x - oxydes d'azote, principalement représentés par le dioxyde d'azote. Ils se forment par dissociation de l'azote à haute température et son oxydation ultérieure.
• NH₃ - ammoniac. Ils se forment par combustion insuffisante du carburant.
• CO - monoxyde de carbone. Il se forme par combustion incomplète sans un accès suffisant d'air (d'oxygène).
• CH_x - hydrocarbures non brûlés. Ils se forment par combustion insuffisante du carburant.
• SO₂ - dioxyde de soufre. Il se forme par la combustion des impuretés de soufre dans le carburant.
• O₃ - ozone. Il se forme lors des réactions de NO_x et CH_x.
• particules - solubles, ou insolubles (suie) - principalement dans les moteurs brûlant des carburants difficilement volatils (moteurs diesel).
• aldéhydes - hydrocarbures partiellement oxydés.

Le moteur à combustion est également une source importante d'émissions de bruit.

Réduction des émissions

Avec le niveau actuel des connaissances, il n'est pas possible de remplacer massivement le moteur à combustion par un autre type de propulsion alternatif, adapté pour le transport automobile, qui conserverait les avantages du moteur à combustion et n'aurait pas ses inconvénients. Par conséquent, les fabricants de moteurs et de véhicules motorisés travaillent intensément à réduire les effets néfastes de l'utilisation des moteurs à combustion.

Pour réduire les émissions, on peut utiliser certaines des techniques suivantes:

• Augmentation de l'efficacité du moteur. Cette technique apporte une réduction de la consommation de carburant, ce qui entraîne une réduction proportionnelle du volume des émissions produites par le moteur dans les mêmes conditions. Pour réduire les émissions de C0₂ cette technique est la seule possible, car le dioxyde de carbone est le produit de la combustion (et donc propre).
• Utilisation d'équipements supplémentaires. Le rôle de ces équipements est d'améliorer la pureté des gaz d'échappement avant leur rejet dans l'atmosphère. La réalisation technique est des catalyseurs (à trois voies, ou réagissant uniquement sur une certaine composante) ou la filtration des gaz d'échappement.
• Modifications constructives du moteur. Il s'agit principalement de modifications du rapport de compression, du timing des soupapes, de la taille et de la forme des orifices d'injection, d'augmenter le nombre de soupapes, de modifier la forme des espaces de combustion, de réduire les pertes par frottement.
• Influence sur le déroulement de la combustion. Cela se réalise en modifiant les comportements temporels et volumétriques d'injection, en utilisant des bougies allumantes même à faible charge, en modifiant le flux de charge dans le cylindre.
• Modification des carburants. Les carburants souhaités ont une plus grande proportion d'hydrogène, un faible taux de soufre et d'hydrocarbures polycycliques, avec un numéro de cétane et numéro d'octane élevés.
• Changement du cycle de travail. Pour les moteurs à régulation quantitative, on peut utiliser la technique d'arrêt des cylindres CDA (Cylinder DeActivation).
• Influence sur le remplissage des cylindres. En cas de charges partielles, on peut utiliser la technique de recirculation des gaz d'échappement - EGR (Exhaust Gas Recirculation).