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- 1 -EPFL – STI – ISE – LENI

Hiver 2007-2008

Irwin GAFNER

Energétique avancée et moteurs

Généralités

� Introduction

� Description des principaux composants

� Principe de fonctionnement

� Mécanique du moteur alternatif

� Cycles moteur

� Flux dans les moteurs à piston

� Classification

� Familles de moteurs

� Cinématique du piston

Plan


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Généralités

RAPPEL : Moteurs = Générateurs d’énergie mécanique

� Entrée du système : 1 source énergétique

Exemple :

⇒ Thermiques

⇒ Electriques

⇒ Hydrauliques

⇒ Pneumatiques

� Sortie ⇒ 1 travail mécanique (Eméc) ⇒ Force ou Couple

Introduction

N2

10 kg

Énergie thermique

Énergie électrique

Énergie hydraulique

Énergie pneumatique

Moteur rotatif

Moteur linéaire

Couple

Force x déplacement Conversion en

travail mécanique

Système « Moteur »


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Généralités

� Cadre du cours :Moteurs thermiques alternatifs à combustion interne ou Moteurs à piston

Introduction

SOURCE ENERGETIQUE

Hydraulique Electrique Thermique Pneumatique

Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteur Moteurliéaire rotatif linéaire rotatif (linéaire) rotatif linéaire rotatif

Alternatifs Flux continu (Turbomachines)

Combustioninterne

Combustionexterne- Machines à vapeur- Moteur Stirling

- Moteursà piston

- Turboréacteurs- Turbines à gaz

Machine Machinesynchrone asynchrone


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Généralités Introduction

� Gamme :

� Application :⇒ Transport

- Véhicules 2 roues, automobiles, routier, transport maritime, aéronautique

⇒ Production d’énergie- Génératrices, groupes de cogénération (chaleur-force)

⇒ Machines- Machines de chantier, machines agricoles

⇒ Autres- Modélisme, …

Nb. cyl Alésage Cyl unit. Peff [kW] N [rpm] Lmot Masse

Min 1 6 mm 0.16 cm3 0.02 ≈ 60 ≈ 4 cm 14 g

Max ≈ 27 > 1 m > 2 m3 75’000 > 30’000 > 20 m > 2000 T


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Généralités Introduction

� Application : exemple

4 cm4 cm

20 m20 m

Moteur SULZER-WARTSILA

(12 cylindres, 2-Temps, 21845L, 89640 cv en continu)

Moteur DUCATI 996R

(2 cylindres, 996 cm3, 123 cv)

Moteur BMW 318i (4 cylindres, 1.8L, 125 cv) Moteur LMB D9408 (V8, 16L, 440 kW @ 2100 1/min)

Moteur Pratt & Whitney

(18 cylindres, 45.9 L, 2500 cv)


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Généralités Description des composants

� Carter cylindre (bloc moteur)� Relie l’ensemble des composants !

� Fixation des organes auxiliaires

� Fixation de la boîte à vitesse

� Fixation des supports moteurs

� Cylindre (fût)� Rôle : Guidage du piston� Alésé dans le bloc moteur

ou pièce rapportée� Evacuation de la chaleur

CylindreCylindre

CarterCartercylindrecylindre


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� Piston� Transmet les efforts des gaz

� Efforts mécaniques & thermiquesPmax : ⇒ ≈ 70 bars (moteurs à essence atmosphériques)

⇒ ≈ 200 bars (moteurs Diesel suralimentés)

� Contients les segments

Piston de moteur Wankel


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� Bielle� Liaison entre le piston et le vilebrequin

� Fatigue mécanique cyclique alternée

– σcompression (dû à la pression des gaz Pgaz)

– σ traction (dû aux forces d’inerties FInertie)

� Pied de bielle : lié à l’axe du piston

� Tête de bielle : lié au vilebrequin

Ensemble Piston – Segments – Bielle

Tête de bielle

Pied de bielle


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� Vilebrequin� Assure la transformation du mouvement linéaire du piston

en un mouvement rotatif sur l’arbre de sortie

� Paliers ⇒ tourillons (A)

� Portée de la bielle ⇒ manetons (C)

� Equilibrage du moteur ⇒ contrepoids (B)

� Couple moteur de sortie ⇒ Arbre (D)

� Volant moteur (ou volant d’inertie)� Réduire les acyclismes et assurer le démarrage


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� Bas moteur� Carter cylindre

� Piston

� Bielle

� Vilebrequin

� ( Arbre d’équilibrage )

� Volant moteur

� Pompe à huile

� Haut moteur� Culasse

� Système de distribution

BMW 318iBMW 318i


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� Culasse� Conduits d’admission et d’échappement

� Système de distribution

� Système d’injection

� Système d’allumage

� Refroidissement des parties chaudes

� Géométrie de la chambre de combustion

� Joint de culasse (étanchéité aux gaz, à l’eau et à l’huile)


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� Système de distribution� Arbre à cames

� Soupapes & ressorts, lumières

� Commande de distribution

� Entraînement des auxiliaires & accessoires

� ( Systèmes de distribution variable )


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Généralités

Came

Soupape

Ressort de soupape

Culasse

Description des composants

� Arbre à cames� Admission de l’air frais (soupape adm.)

� Evacuation des gaz brûlés (soupape éch.)

⇒ Imposé par le profil de came

� Disposition de l’AAC :– Latéral : (1)– En tête (commande par linguet) : (2)– En tête (commande par culbuteur) : (3)– En tête (attaque directe) : (4)


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� Soupapes� Rôle : assurer le transfert des fluides

� Etanchéité aux gaz (portée & siège)

� Rappel mécanique– Ressort

– Came (desmodromique)

� Rappel pneumatique

� Lumières� Remplace le système de distribution

� Orifices d’ouverture dans le cylindre

� Uniquement sur les moteurs 2 Temps

Soupape Lumière

Moteur 2T à compression dans le carter


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� Commande de distribution� Entraînement du système de distribution

⇒ Par chaîne ou courroie (incl. tendeurs)

⇒ Par pignon

� Entraînement des auxiliaires et accessoires

⇒Pompes : eau, huile, carburant

⇒Alternateurs

⇒Compresseurs : air, climatisation

⇒Prises de force (entraînement mécanique)

� Système de distribution variable� Déphasage des profils de cames� Levée de soupape variable

� Déphasage + levée

αvil [°]

L [mm]

αvil [°]

L [mm]

0°PMH540°PMB 180°PMB

R1

E

M : arbre vilebrequin AAC : arbre à cames R1 : Alternateur R2 : Compresseur E : Galet enrouleur T : Galet tendeur

AAC

M

R2

T

AAC

AACM ωω ⋅= 2


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� Système de distribution variable (suite)

Variable Valve Timing Valvetronic

Moteur Audi 2.0 FSIMoteur Audi 2.0 FSI

Moteur BMW 318ti Moteur BMW 318ti ValvetronicValvetronic


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� Système de distribution variable : Valvetronic


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Généralités

� Introduction




� Cycles moteur


� Classification



Plan


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Généralités Principe de fonctionnement

� Définition & NotationD : Alésage

L : Course

R : Rayon de manivelle ⇒

PMH : Point mort haut

PMB : Point mort bas

V0 : Volume mort ⇒

VU : Cylindrée unitaire ⇒ = Volume balayé par le piston

VC : Volume total maximal ⇒

n : Nombre de cylindres

Vcyl : Cylindrée totale du moteur ⇒

ε : Rapport volumétrique de compression ⇒

L

L

D

V0

Vu

PMB

PMH

R

2

4u

DV L

π ⋅= ⋅

cyl uV n V= ⋅u o

o

V V

Vε +=

2

LR =

PMHVV =0

UPMBC VVVV +== 0


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ϕ : Angle de manivelle ou angle vilebrequin (αvil )

l : Longueur de bielle

λ : Coefficient de bielle ⇒ (Rapport manivelle / bielle)

x = f (ϕ ) : Equation du mouvement du piston ⇒

ω : Vitesse angulaire ⇒ N en [1/min]

c : Vitesse du piston ⇒

cmoy : Vitesse moyenne du piston ⇒

a : Accélération du piston ⇒

ϕ

PMBx=L

PMHx=0 x

l

R

2

60

Nt avec

πϕ ω ω ⋅ ⋅= ⋅ =

⋅−+−⋅=

⋅+−⋅= )2cos(44

)cos(1)(sin2

)cos(1 2 ϕλλϕϕλϕ RRx

2

30moy

R L L Nc

ω ωπ π

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = =

( )2 cos( ) cos(2 )x a R t tω ω λ ω= = ⋅ ⋅ + ⋅&&

⋅+⋅⋅== )2sin(2

)sin( ttRcx ωλωω&

l

R=λ


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x, c et a dépendent de λ !!!

Exemple : L = 77 mm

λA = 0.3 ⇒ lA = 128 mm

λB = 0.2 ⇒ lB = 192 mm

PMH PMB

Efforts + dans la bielle : TRACTION

Efforts - dans la bielle : COMPRESSION


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� Cycles dans les moteurs à pistonFonctionnement cyclique nécessite le renouvellement de la charge

⇒ séquence d’événements consécutifs appelés phase

1) Admission du mélange : Phase d’admission

– Remplissage du cylindre

– Fluide admis : air ou mélange inflammable (air + carburant)

– Début : Chambre de combustion = système ouvert par les orifices d’admission

– Fin : Chambre de combustion = système fermé étanche

2) Compression des gaz : Phase de compression

– Compression par la remontée du piston

– Elévation de la pression et de la température du fluide

– Si le fluide admis est uniquement de l’air, alors l’injection de carburant se fait en fin de compression (exemple : cycle DIESEL)


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� Cycles dans les moteurs à piston

3) Combustion du mélange : Phase de combustion - détente

– Début de la combustion lorsque le mélange à les conditions propices àl’inflammation. Peut être commandé par un arc électrique (cycle OTTO)

– Energie calorifique dégagée ⇒⇒⇒⇒ augmentation de P (dépend du ∆u et MF )

– L’augmentation de pression des gaz va exercer une force sur la tête du

piston et repousser ce dernier vers le bas ⇒ Phase de détente

– Cette phase est la seule qui procure un travail moteur (Ee+) sur le vilebrequin

4) Echappement des gaz brûlés : Phase d’échappement

– Evacuation des gaz brûlés pour le renouvelement de l a charge fraîche

– Début : Chambre de comb. = système ouvert par les orifices d’échappement

– Fin : Fermeture des orifices d’échappement (mais système encore ouvert!)

– Renouvellement du prochain cycle ⇒ Phase d’admission, compression, etc..


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� Cycles 4-temps� Fonctionnement selon ces 4 précédentes phases bien distinctes et

consécutives :

Admission Compression Combustion + Détente Echappement

– Déroulement du cycle complet sur 2 tours moteurs– 1er tour = Admission (descente du piston) + compression (remontée du piston)

– 2ème tour = Détente (descente du piston) + échappement (remontée du piston)

� Utilisation d’un système de distribution indispensable ( ωAAC = 0.5 ⋅ ωMot )


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� Cycles 2-temps� Fonctionnement sur 1 seul tour vilebrequin

– Phase de compression ⇒ Lors de la remontée du piston !!!

– Phase de combustion et détente ⇒ Lors de la descente du piston !!!

� Renouvellement de la charge fraîche possible uniquement vers le PMB

� Condition indispensable au fonctionnement : Padm > Péch


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� Cycles 2-temps� Nécessite un processus de balayage afin de transférer les gaz frais de

l’admission à l’échappement :

� Possibilité d’utiliser des clapets

pour éviter le refoulement des gaz :

à courant opposé unidirectionnel tangentiel transversal

Type de

balayage :


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� Résumé : Cycles des moteurs à piston

4-Temps : 2-Temps :

1 2 3 4

PMB

PMH

1 : Admission 2 : Compression 3 : Détente 4 : Echappement

Cycle 4 Temps : 4 ππππ

PMB

PMH

1 : Transfert - Balayage 2 : Compression 3 : Détente 4 : Echappement

2

3

1 4

Cycle 2 Temps : 2 ππππ

- : Faible puissance spécifique(1 combustion sur 2 tours)

+ : Souplesse � , Fiabilité �, Pollution �

Compromis entre évacuation des gaz etdéperdition du mélange frais à l’éch.

- : Pollution �, Plage d’utilisation �+ : Puissance spécifique �

360360 +<<°− ϕ 180180 +<<°− ϕ


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� Flux dans les moteurs à piston– Circuit d’admission ⇒ AIR

– Circuit de carburant ⇒ CARBURANT GAZEUX ou LIQUIDE– Circuit d’échappement ⇒ GAZ DE COMBUSTION– Circuit de lubrification ⇒ HUILE

– Circuit de refroidissement ⇒ EAU (interne) ou AIR (externe)

� Circuit d’admission– Prise d’air assurée par les orifices d’admission– Éventuellement couplé à un système de suralimentation (1 ou 2 étages)

Filtre à air

Répartiteur

Conduit d’admissionBoîtier papillon

Résonateur

Filtre à air

Echangeur

Compresseur

Conduit d’admission

Répartiteur

Boîtier papillon

Résonateur


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� Circuit de carburant1. Admission d’un mélange air + carburant

⇒ Injection indirecte (à la chambre de comb.) dans le circuit d’admission

2. Admisison d’air uniquement dans le cylindre

⇒ Injection du carburant directement dans la chambre de combustion

Injection indirectemonopoint

Injection indirectemultipoint

Injection directedans le cylindre

Injecteur monopointou carburateur

Filtre àessence

Pompe àessence

Réservoir

Injecteurmultipoint

Filtre àessence

Pompe àessence

Réservoir

Ramped’injection

Injecteurs

Pompe àessence HP Réservoir

Ramped’injection

Pompe de gavageFiltre

Retour carburant


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� Circuit d’échappement

En général, il peut comporter :

– Système d’atténuation de bruit (� dB)

– Système de dépollution

– Système de suralimentation (Turbo)

� Circuit de lubrification– Réservoir d’huile ou carter

– Pompe d’alimentation

– Clapet de décharge

– Circuits d’huile internes

– Conduits externes

– Filtre(s) à huile

– Echangeurs (eau-huile)Moteur Diesel : doc RSA

Collecteur

Turbine Système de dépollution

Silencieux

Ligned’échappement


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� Circuit de refroidissement interne ⇒ EAU– Eau + Additifs anti-corrosion & antigel (ex: eau glycolée)

– Réservoir externe au moteur

– Pompe à eau

– Noyau d’eau (circuit d’eau interne)

– Thermostat (rôle de régulateur)

– Echangeur externe

⇒ Air-Eau ou Eau-Eau

� Circuit de refroidissement externe ⇒ AIR– Suppression des composants du circuit d’eau

– Evacuation de la chaleur assurée par :

1. Ailettes de refroidissement situées sur la culasse et le bloc moteur

2. Circulation d’air externe au moteur

⇒ Utilisation réservée aux applications des véhicules (avion, scooters, auto)

Moteur

Pompe à eau

Radiateur

Thermostat


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Généralités

� Introduction




� Cycles moteur


� Classification



Plan


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Généralités Classification

� Familles de moteurs alternatifs� Cycles thermodynamiques

– Cycle 2-Temps / Cycle 4-Temps

� Mode de combustion– Allumage commandé : OTTO ou SI Engine (Spark Ignition)

– Allumage par compression : DIESEL ou CI Engine (Compression Ignition)

– Allumage à charge stratifié ou SC Engine (Stratified Charge), FSI, GDI…

– Allumage par injection de carburant : Dual-Fuel

� Nature du carburant– Moteurs à essence, Diesel, GNC, GPL, GNL, Fuel Lourd..

– Carburants spéciaux : Alcools (Méthanol, Ethanol), huiles végétales, H2, …

� Alimentation en carburant / Système d’injection– Carburateur : mono ou multi-corps

– Injection : mono ou multipoint, injection directe / indirecte

– Système d’injection haute pression : Common rail, pompe unitaire, Inj. pompe


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� Familles de moteurs alternatifs (suite)� Alimentation en air

– Moteurs à aspiration naturelle : atmosphériques

– Moteurs suralimentés : turbocompresseur, compresseur mécanique, …

� Mode de refroidissement

– Liquide / Air

� Mode de lubrification

– Carter d’huile / Carter sec

� Caractéristiques géométriques

– Nombre de cylindre : monocylindre, multicylindres

– Disposition des cylindres : L, V, B, W, X, U, O

– Système de distribution : Nombre de soupape

Type de l’arbre à came


Hiver 2007-2008

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� Familles de moteurs alternatifs (suite)� Disposition des cylindres ( ou types d’architecture )

En ligne : L A plat (Boxer) à cylindres opposés : B En V

En étoile : X

A plat à pistons opposés : O

En U


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� Jusqu’à présent ⇒ Moteur à piston alternatif

Mais, ne pas oublier...

� Moteur à piston rotatif (ex : Wankel) : une seule pièce en mouvement !

� Moteur à barilletou moteur axial :

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