3.5 Le moteur à combustion interne (cycle d'Otto)

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Sous-sections

3.5.1 Rendement d’un cycle d’Otto idéal
3.5.2 Travail du moteur, taux de travail par unité de flux enthalpique

Le cycle d’Otto est un ensemble de processus utilisés par les moteurs à combustion interne à allumage commandé (cycles à 2 temps ou à 4 temps). Ces moteurs a)ingèrent un mélange de carburant et d’air, b) le compriment, c) le font réagir, ajoutant ainsi effectivement de la chaleur en convertissant l’énergie chimique en énergie thermique, d) dilatent les produits de combustion, puis e) éjectent les produits de combustion et les remplacent par une nouvelle charge de carburant et d’air. Les différents processus sont illustrés dans laFigure 3.8:

Course d’admission, vapeur d’essence et air aspirés dans le moteur ().
Course de compression, , augmentation ().
Combustion (étincelle), temps court, volume essentiellement constant (). Modèle : chaleur absorbée à partir d’une série de réservoirs à des températures à .
Course motrice : expansion ().
Échappement de la soupape : la soupape s’ouvre, le gaz s’échappe.
() Modèle : rejet de la chaleur vers une série de réservoirs à des températures à .
Course d’échappement, le piston pousse les produits de combustion restants hors de la chambre().

Nous modélisons les processus comme agissant tous sur une masse fixe d’air contenue dans un agencement piston-cylindre, comme le montre laFigure 3.10.

Figure 3.8:Le cycle d’Otto idéal

Figure 3.9:Esquisse d’un cycle d’Otto réel

Figure 3.10:Piston et soupapes dans un moteur à combustion interne à quatre temps

Le cycle réel ne présente pas les transitions nettes entre les différents processus que présente le cycle idéal, et pourrait être esquissé dans la figure 3.9.

3.5.1 Rendement d’un cycle d’Otto idéal

Le point de départ est l’expression générale du rendement thermique d’un cycle :

La convention, comme précédemment, est que l’échange de chaleur est positif si de la chaleur circule dans le système ou le moteur, donc est négatif. La chaleur absorbée se produit pendant la combustion lorsque l’étincelle se produit, à peu près à volume constant. La chaleur absorbée peut être reliée au changement de température de l’état 2 à l’état 3 comme :

La chaleur rejetée est donnée par (pour un gaz parfait avec des chaleurs spécifiques constantes)

. En substituant les expressions de la chaleur absorbée et rejetée dans l’expression du rendement thermique, on obtient

On peut simplifier l’expression ci-dessus en utilisant le fait que les processus de 1 à 2 et de 3 à 4 sont isentropiques :

La quantité est appelée taux de compression. En termes de taux de compression, le rendement d’un cycle d’Otto idéal est :

Figure 3.11:Rendement thermique du cycle d’Otto idéal

Le rendement du cycle d’Otto idéal est représenté en fonction du taux de compression dans laFigure 3.11. Lorsque le taux de compression, , augmente, augmente, mais aussi. Si est trop élevé, le mélange s’allumera sans étincelle (au mauvais endroit du cycle).