image : isothermes en AB et CD et isentropes en AD et BC
Les moteurs à combustion interne
On sait que le rendement thermique ηth d'un cycle de Carnot augmente si la différence de température Δ T = T2 - T1 augmente, en effet on a :
η th = (T1 - T2) / T1
On en conclut que si on brûlait directement les gaz (air + carburant) dans l'enceinte de la machine ou moteur, on augmenterait sensiblement la température T2 : d'où, un rendement final plus élevé. C'est là, le principe du moteur à combustion interne.
En plus, on aurait intérêt à utiliser un cycle de Carnot car c'est le cycle à rendement maximum.
Mais cette idée n'est pas réalisable dans la pratique, car si la température finale T2 est très élevée, alors la pression correspondante atteint des valeurs trop élevées incompatibles avec la résistance des structures des moteurs.
ex. en effet, si T2 = 1800°C et si on partait de T1 = 15 °C avec p1 = 1bar, alors par calcul, on aurait p2 > 200 bar (avec l'exposant polytropîque γ = 1,33).
Au début de la course de compression, la température de la charge (c'est-à-dire de l'air ou du mélange admis) est inférieure à celle des parois du cylindre et de la chambre de combustion. La température de la charge augmente alors pour deux raisons par la compression en cours et parce que les parois sont plus chaudes et transfèrent de la chaleur à la charge.
A un certain moment, la température de la charge et celle des parois sont égalisées et ensuite la charge commence à rejeter de la chaleur vers les parois, jusqu'à la fin du processus de compression. Ces différences de température entre la charge et les parois durant la compression font que le processus suit une courbe polytropique selon un exposant variable. La température et la pression en fin de compression différent donc de ce qu'elles seraient avec compression adiabatique, c'est-à-dire sans échange de chaleur avec les parois. Pour simplifier, on prend une valeur moyenne de l'exposant polytropique, en général de l'ordre de 1.33, pour lequel la température et la pression en fin de compression sont identiques à ce qu'elles sont en réalité avec un exposant variable.
Il faudrait alors surdimensionner les moteurs pour travailler à ces pressions élevées, – et de toutes façons les températures seraient telles que les matériaux fondraient. Or, les moteurs actuels ont des taux de compression inférieurs (de 15 ou 25), au lieu d'un taux irréalisable de 400 pour le cycle de Carnot.
Par conséquent, il faut donc modifier le cycle de Carnot inutilisable dans les moteurs à combustion : ceci est réalisé de deux façons différentes en supprimant les deux transformations isothermes AB et BC. On obtient alors respectivement :
le cycle à volume constant du moteur à essence, en remplaçant :
- l'isotherme AB par une isochore A1B
- l'isotherme CB par une isochore C1D
le cycle à pression constante du moteur Diesel, en remplaçant :
- l'isotherme AB par une isobare A2B
- l'isotherme CD par une isochore C1D
d'où, les deux cycles A1BC1D à volume constant et A2BC1D à pression constante dont les rendements seront inférieurs au cycle idéal de Carnot.
Dans ces moteurs à combustion interne, l'énergie chimique d'un carburant est convertie par combustion dans une machine à pistons en travail mécanique : ces moteurs sont donc des systèmes ouverts avec combustion interne. Au cours de cette combustion, la composition du mélange air-carburant change et les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère extérieur. On a donc un système ouvert et irréversible ou le mélange change à la fois de masse et de composition.
On idéalise alors ces moteurs en ne considérant qu'un cycle à air dans lequel on négligera la variation de composition et de masse du mélange, d'où un moteur à air correspondant à un cycle idéal et à un système fermé.
Grâce à différentes méthodes de combustion et donc d'apport de chaleur, on distingue différents types de moteurs tels le moteur à essence, le moteur diesel et le moteur diesel mixte de Seiliger.
=> Les rendements de ces cycles à volume ou à pression constante sont bien sûr inférieurs au rendement du cycle de Carnot.
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