Moteur à quatre temps
Le moteur à quatre temps est le type le plus commun de moteur à combustion interne et est utilisé dans diverses automobiles (qui utilisent spécifiquement l'essence comme carburant) comme les voitures, les camions, et certaines motos (beaucoup de motos utilisent un moteur à deux temps). Un moteur à quatre temps fournit un coup de puissance pour chaque deux cycles du piston (ou quatre coups de piston). Vous trouverez à droite (Figure 1) une animation d'un moteur à quatre temps et plus d'explications sur le processus ci-dessous.
- Course d'admission : Le piston se déplace vers le bas, ce qui augmente le volume pour permettre à un mélange air-carburant d'entrer dans la chambre.
- Coup de compression : La soupape d'admission est fermée et le piston se déplace dans la chambre jusqu'au sommet. Cela comprime le mélange air-carburant. À la fin de cette course, une bougie d'allumage fournit au carburant comprimé l'énergie d'activation nécessaire pour amorcer la combustion.
- Coup de puissance : Lorsque le carburant atteint la fin de sa combustion, la chaleur dégagée par la combustion des hydrocarbures augmente la pression qui fait que le gaz pousse le piston et crée la puissance.
- Exhaust stroke: Lorsque le piston atteint le fond, la soupape d'échappement s'ouvre. Les gaz d'échappement restants sont expulsés par le piston lorsqu'il remonte vers le haut.
Le rendement thermique de ces moteurs à essence varie en fonction du modèle et de la conception du véhicule. Cependant, en général, les moteurs à essence convertissent 20 % du carburant (énergie chimique) en énergie mécanique-dont seulement 15 % seront utilisés pour faire bouger les roues (le reste est perdu à cause de la friction et d'autres éléments mécaniques).[2] L'une des façons d'améliorer l'efficacité thermodynamique des moteurs est d'augmenter le taux de compression. Ce taux est la différence entre le volume minimum et maximum de la chambre du moteur (représenté par le PMH et le PMB sur la figure 2). Un rapport plus élevé permet à un mélange air-carburant plus important de pénétrer dans la chambre, ce qui entraîne une pression plus élevée, et donc une chambre plus chaude, ce qui augmente le rendement thermique.[2]
Le cycle d'Otto
Le diagramme pression-volume (diagramme PV) qui modélise les changements de pression et de volume subis par le mélange air-carburant dans un moteur à quatre temps s'appelle le cycle d'Otto. Ces changements vont créer de la chaleur, et utiliser cette chaleur pour déplacer le véhicule ou la machine (d'où la raison pour laquelle il s'agit d'un type de moteur thermique). Le cycle d'Otto est illustré à la figure 2 (cycle d'Otto réel) et à la figure 3 (cycle d'Otto idéal). Le composant de tout moteur qui utilise ce cycle comporte un piston pour modifier le volume et la pression du mélange air-carburant (voir figure 1). Le piston est mis en mouvement par la combustion du carburant (l'endroit où cela se produit est expliqué ci-dessous) et par une impulsion électrique au démarrage du moteur.
TCe qui suit décrit ce qui se passe à chaque étape du diagramme PV, au cours de laquelle la combustion du fluide de travail - essence et air (oxygène), et parfois de l'électricité, modifie le mouvement du piston :
Cycle réel - étape 0 à 1 (cycle idéal - ligne verte) Dans la phase d'admission, le piston est tiré vers le bas pour permettre au volume de la chambre d'augmenter afin d'aspirer un mélange air-carburant. En termes de thermodynamique, on parle d'un processus isobare.
Étape 1 à 2: Pendant cette phase, le piston est tiré vers le haut afin de comprimer le mélange air-carburant qui est entré dans la chambre. La compression entraîne une légère augmentation de la pression et température du mélange, mais aucun échange de chaleur n'a lieu. En termes de thermodynamique, on parle de processus adiabatique. Lorsque le cycle atteint le point 2, c'est le moment où le carburant est rencontré par la bougie d'allumage pour être allumé.
Étape 2 à 3: C'est là que la combustion se produit grâce à l'allumage du carburant par la bougie d'allumage. La combustion du gaz est terminée au point 3, ce qui donne une chambre hautement pressurisée qui contient beaucoup de chaleur (énergie thermique). En termes de thermodynamique, on parle d'un processus isochorique.
Étape 3 à 4: L'énergie thermique qui se trouve dans la chambre à la suite de la combustion est utilisée pour faire travailler le piston, ce qui pousse le piston vers le bas et augmente le volume de la chambre. C'est ce que l'on appelle le coup de puissance, car c'est à ce moment-là que l'énergie thermique est transformée en mouvement pour faire avancer la machine ou le véhicule.
Ligne violette (étape 4 à 1 et phase d'échappement) : De l'étape 4 à 1, la soupape d'échappement s'ouvre et toute la chaleur perdue est expulsée de la chambre du moteur. Lorsque la chaleur quitte le gaz, les molécules perdent leur énergie cinétique, ce qui entraîne une diminution de la pression.[5] Ensuite, la phase d'échappement (étape 0 à 1) se produit lorsque le mélange restant dans la chambre est comprimé par le piston pour être évacué, sans changement de pression.
En savoir plus
- Moteur à combustion interne
- Cycle d'Otto
- Moteur à deux temps
- Rendement thermique
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Références
- ↑ Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
- ↑ 2,0 et 2,1 R. Wolfson, Energy, environment, and climate. New York: W.W. Norton & Company, 2012, p. 106.
- ↑ Actual and Ideal Otto Cycle - Nuclear Power", Nuclear Power, 2018. [Online]. Available: https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/thermodynamics/thermodynamic-cycles/otto-cycle-otto-engine/actual-and-ideal-otto-cycle/. [Accessed: 22- Jun- 2018].
- ↑ Wikimedia Commons [Online], Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
- ↑ I. Dinçer and C. Zamfirescu, Advanced power generation systems. London, UK: Academic Press is an imprint of Elsevier, 2014, p. 266.
