Les moteurs à combustion interne (MCI) sont la forme la plus courante de moteur thermique, car ils sont utilisés dans les véhicules, les bateaux, les navires, les avions et les trains. Ils sont appelés ainsi parce que le carburant est allumé afin d'effectuer un travail à l'intérieur du moteur.[1] Le même mélange de carburant et d'air est alors émis comme échappement. Cela peut se faire à l'aide d'un piston (appelé moteur alternatif), ou avec une turbine.

La loi des gaz idéaux

Les moteurs thermiques à combustion interne fonctionnent selon le principe de la loi des gaz idéaux : [math]\displaystyle{ pV=nRT }[/math]. L'élévation de la température d'un gaz augmente la pression qui fait que le gaz veut se dilater.[1] Un moteur à combustion interne possède une chambre, à laquelle on ajoute du carburant qui s'enflamme afin d'élever la température du gaz.

WLorsque la chaleur est ajoutée au système, elle force le gaz à se dilater. Dans le cas d'un moteur à piston, cela fait monter le piston (voir figure 2), et dans le cas d'une turbine à gaz, l'air chaud est forcé d'entrer dans la chambre de la turbine, ce qui fait tourner la turbine (figure 1). En reliant le piston ou la turbine à un arbre à cames, le moteur est capable de convertir une partie de l'énergie introduite dans le système en travail utile.[2] Pour comprimer le piston dans un moteur à combustion intermittente, le moteur évacue le gaz. Un puits de chaleur est alors utilisé pour maintenir le système à une température constante. Une turbine à gaz, qui utilise la combustion continue, évacue simplement son gaz en continu plutôt que dans un cycle.

Pistons et Turbines

Figure 1. Schéma d'un moteur à turbine à gaz.[3]

Un moteur qui utilise un piston est appelé un moteur à combustion intermittent, tandis qu'un moteur qui utilise une turbine est appelé un moteur à combustion continue. La différence de mécanique est évidente en raison des noms, mais la différence d'utilisation l'est moins.

Un moteur à pistons est extrêmement réactif, par rapport à une turbine, et il est plus efficace à faible puissance. Cela les rend idéaux pour les véhicules, car ils démarrent aussi plus rapidement. À l'inverse, une turbine possède une rapport puissance-poids supérieure à celle d'un moteur à pistons, et sa conception est plus fiable pour les hauts rendements continus. Une turbine fonctionne également mieux qu'un moteur à piston atmosphérique à haute altitude et à basse température. Sa construction légère, sa fiabilité et sa capacité à voler à haute altitude font des turbines le moteur de choix pour les avions. Les turbines sont également couramment utilisées dans les centrales électriques pour la production d'électricité.

Exemples de MCI

Moteur à quatre temps

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Figure 2. Moteur à combustion interne à 4 temps. 1:injection de carburant, 2:allumage, 3:expansion (le travail est fait), 4:échappement.[4]

Il existe de nombreux types de moteurs à combustion interne, mais le moteur à quatre temps (figure 2) est l'un des plus courants. Il est utilisé dans diverses automobiles (qui utilisent spécifiquement l'essence comme carburant) comme les voitures, les camions et certaines motos. Un moteur à quatre temps fournit un coup de puissance pour deux cycles du piston. Vous trouverez à droite une animation d'un moteur à quatre temps, ainsi que des explications supplémentaires sur le processus ci-dessous.

  1. Le carburant est injecté dans la chambre.
  2. Le carburant prend feu (cela se produit différemment dans un moteur diesel et un moteur à essence).
  3. Ce feu pousse le piston qui est le mouvement utile.
  4. Les déchets chimiques, en volume (ou masse) s'agit principalement de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone. Il peut aussi y avoir des polluants comme le monoxyde de carbone provenant d'une combustion incomplète.

Moteur à deux temps

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Figure 3.Moteur à combustion interne à 2 temps[5]

Comme son nom l'indique, ce système ne nécessite que deux mouvements de piston pour générer de la puissance. Le principal facteur de différenciation qui permet au moteur à deux temps de fonctionner avec seulement deux mouvements est que l'échappement et l'admission du gaz se produisent simultanément,[6] comme le montre la figure 3. Le piston lui-même est utilisé comme soupape du système, avec le vilebrequin, pour diriger le flux des gaz. En outre, en raison de son contact fréquent avec les composants mobiles, le carburant est mélangé avec de l'huile pour ajouter une lubrification, permettant des courses plus douces. Dans l'ensemble, le moteur à deux temps contient deux processus :

  1. Le mélange air-carburant est ajouté et le piston se déplace vers le haut (compression). L'orifice d'admission s'ouvre en raison de la position du piston et le mélange air-carburant pénètre dans la chambre de combustion. Une bougie d'allumage enflamme le carburant comprimé et lance la course motrice.
  2. Le gaz chauffé exerce une pression élevée sur le piston, le piston se déplace vers le bas (détente), la chaleur résiduelle est évacuée.

Moteur rotatif (Wankel)

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Figure 4. Le cycle du moteur rotatif. Il prend de l'air/carburant, le comprime, l'allume en fournissant un travail utile, puis évacue le gaz.[7]

Dans ce type de moteur, il y a un rotor (cercle intérieur appelé B dans la Figure 4) qui est contenu dans un boîtier de forme ovale. Il exécute les étapes communes du cycle à quatre temps (admission, compression, allumage, échappement), mais ces étapes se produisent trois fois par rotation du rotor, ce qui crée trois coups de puissance par rotation.

En savoir plus

Références

  1. 1,0 et 1,1 R. D. Knight, "Heat Engines and Refrigerators" in Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach, 3nd ed. San Francisco, U.S.A.: Pearson Addison-Wesley, 2008, ch.19, sec.2, pp.530
  2. R. A. Hinrichs and M. Kleinbach, "Heat and Work," in Energy: Its Use and the Environment, 5th ed. Toronto, Ont. Canada: Brooks/Cole, 2013, ch.4, pp.93-122
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. "File:Two-Stroke Engine.gif - Wikimedia Commons", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[Accessed: 17- May- 2018].
  6. C. Wu, Thermodynamics and heat powered cycles. New York: Nova Science Publishers, 2007
  7. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif