IntroductionLes moteurs thermiques ont pour rôle de transformer l’énergie thermique à l’énergie
mécanique. Ils sont encore appelés les moteurs à combustion qui sont généralement
distingués en deux types :
• Les moteurs à combustion interne où le système est renouvelé à chaque cycle.
Le système est en contact avec une seule source de chaleur (l’ atmosphère).
• Les moteurs à combustion externe où le système (air) est recyclé, sans
renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur, entrent par
exemple dans cette dernière catégorie : les machines à vapeur, le moteur
Stirling...
2. Moteurs à combustion interne
2.1 Moteurs alternatifs
La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable
et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d’ un gaz qui remplit cette
chambre (ce gaz est d’ailleurs initialement composé du combustible et du
comburant : air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée
sur un piston, force qui transforme le mouvement de translation du piston en
mouvement de rotation d’arbre -- vilebrequin
mécanique. Ils sont encore appelés les moteurs à combustion qui sont généralement
distingués en deux types :
• Les moteurs à combustion interne où le système est renouvelé à chaque cycle.
Le système est en contact avec une seule source de chaleur (l’ atmosphère).
• Les moteurs à combustion externe où le système (air) est recyclé, sans
renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur, entrent par
exemple dans cette dernière catégorie : les machines à vapeur, le moteur
Stirling...
2. Moteurs à combustion interne
2.1 Moteurs alternatifs
La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable
et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d’ un gaz qui remplit cette
chambre (ce gaz est d’ailleurs initialement composé du combustible et du
comburant : air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée
sur un piston, force qui transforme le mouvement de translation du piston en
mouvement de rotation d’arbre -- vilebrequin
Fig. 1.1 Moteur Renault 1.5l dCi
Les moteurs sont classés en deux catégories suivant la technique d’inflammation
du mélange carburant-air :
- les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)
-les moteurs à allumage par compression (moteur Diesel)
Dans les moteurs à allumage commandé, un mélange convenable essence-air, obtenu à
l’aide d’un carburateur, est admis dans la chambre de combustion du cylindre où
l’inflammation est produite par une étincelle.
Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole. On l’ injecte
sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalablement
comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément. Ces moteurs sont
appelés moteur Diesel.
Les moteurs à allumage, commandé et par compression, sont des moteurs à
combustion interne, car la combustion s’effectue à l’intérieur du moteur.
Ces moteurs constituent actuellement la majorité des unités de production de
puissance mécanique dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports où
ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages : bon rendement,
compacité fiabilité... ; ceci explique l’extension qu’on pris de nos jours l’industrie des
moteurs et l’ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du monde.
Nous traiterons sur ces types de moteurs plus détaillés aux chapitre suivants.
2.2. Turbomachines : (turbine à gaz)
Contrairement aux moteurs précédents, les turbomachines sont des machines à
écoulement continu. Dans ces dernières machines, les évolutions des fluides
moteur ont lieu dans des enceintes successives et juxtaposées, contrairement aux
moteurs alternatifs où ces transformations s’opèrent dans le même espace, le cylindr
du mélange carburant-air :
- les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)
-les moteurs à allumage par compression (moteur Diesel)
Dans les moteurs à allumage commandé, un mélange convenable essence-air, obtenu à
l’aide d’un carburateur, est admis dans la chambre de combustion du cylindre où
l’inflammation est produite par une étincelle.
Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole. On l’ injecte
sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalablement
comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément. Ces moteurs sont
appelés moteur Diesel.
Les moteurs à allumage, commandé et par compression, sont des moteurs à
combustion interne, car la combustion s’effectue à l’intérieur du moteur.
Ces moteurs constituent actuellement la majorité des unités de production de
puissance mécanique dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports où
ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages : bon rendement,
compacité fiabilité... ; ceci explique l’extension qu’on pris de nos jours l’industrie des
moteurs et l’ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du monde.
Nous traiterons sur ces types de moteurs plus détaillés aux chapitre suivants.
2.2. Turbomachines : (turbine à gaz)
Contrairement aux moteurs précédents, les turbomachines sont des machines à
écoulement continu. Dans ces dernières machines, les évolutions des fluides
moteur ont lieu dans des enceintes successives et juxtaposées, contrairement aux
moteurs alternatifs où ces transformations s’opèrent dans le même espace, le cylindr
Fig.1.2.Turbomachine
La chaleur est produite par une combustion dans une chambre de combustion d’un
combustible généralement liquide (kérosène par exemple). Cette combustion
augment la pression du gaz (air + combustible). Ce gaz sous pression traverse une
chambre de détente à volume constant constituée d’un arbre moteur doté d’ailettes
(turbine de détente). De l’énergie est alors fournie à cet arbre sous forme d’un
couple moteur qui sera utilisé d’une part vers les consommateurs, d’autre part vers
un compresseur (turbine de compression) qui permet la puissance fournie. En effet
la pression de l’air augmentant, la masse d’air aspirée augmente, on peut brûler
davantage de kérosène, et la puissance disponible est donc augmenté (par rapport à
une turbine qui ne disposerait pas d’étage compresseur en entrée).
2.3. Moteur WANKEL à piston rotatif
Le moteur rotatif WANKEL est le résultat d’une importante d’étude menée de
1945 à 1954 par l’ingénieur WANKEL sur les différentes solutions de moteur
rotatif. En conclusion, il estima que la meilleure était de faire travailler en moteur,
le compresseur rotatif réalisé par Bernard Maillard en 1943
combustible généralement liquide (kérosène par exemple). Cette combustion
augment la pression du gaz (air + combustible). Ce gaz sous pression traverse une
chambre de détente à volume constant constituée d’un arbre moteur doté d’ailettes
(turbine de détente). De l’énergie est alors fournie à cet arbre sous forme d’un
couple moteur qui sera utilisé d’une part vers les consommateurs, d’autre part vers
un compresseur (turbine de compression) qui permet la puissance fournie. En effet
la pression de l’air augmentant, la masse d’air aspirée augmente, on peut brûler
davantage de kérosène, et la puissance disponible est donc augmenté (par rapport à
une turbine qui ne disposerait pas d’étage compresseur en entrée).
2.3. Moteur WANKEL à piston rotatif
Le moteur rotatif WANKEL est le résultat d’une importante d’étude menée de
1945 à 1954 par l’ingénieur WANKEL sur les différentes solutions de moteur
rotatif. En conclusion, il estima que la meilleure était de faire travailler en moteur,
le compresseur rotatif réalisé par Bernard Maillard en 1943
Fig.1.3.Moteur à piston rotatif
Avantages :
* Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel.
* Du fait qu’il ne transforme pas de mouvement linéaire en rotation, il
déplace moins de pièces, donc moins d’inertie, ce qui lui permet d’atteindre
des régimes très élevées. (En théorie max. 18000 tr/min)
* Moins de pièces permet de faire des montées en régimes très rapide.
*Moins de pièces est égale à moins de poids.
* La plage d’utilisation commence dès les premiers tours et s’étend jusqu’à
la rupture.
Inconvénients :
* Consommation en essence excessive.
* Frein moteur pratiquement inexistant.
* Techniquement perfectible
* Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel.
* Du fait qu’il ne transforme pas de mouvement linéaire en rotation, il
déplace moins de pièces, donc moins d’inertie, ce qui lui permet d’atteindre
des régimes très élevées. (En théorie max. 18000 tr/min)
* Moins de pièces permet de faire des montées en régimes très rapide.
*Moins de pièces est égale à moins de poids.
* La plage d’utilisation commence dès les premiers tours et s’étend jusqu’à
la rupture.
Inconvénients :
* Consommation en essence excessive.
* Frein moteur pratiquement inexistant.
* Techniquement perfectible
Moteurs à combustion externe
Machines à vapeur
Fig.1.4. Machine à vapeur
La chaleur est produite dans une chambre de combustion (chaudière) séparée de la
chambre de détente. Cette chaleur est utilisée pour vaporiser de l’eau. La vapeur
d’eau obtenue par cette vaporisation est alors envoyée dans la chambre de détente
(cylindre) où elle actionne un piston. Un système bielle manivelle permet alors de
récupérer l’énergie mécanique ainsi produite en l’adaptant aux besoins.
L’eau qui est fournie à l’évaporateur est transformée en vapeur d’eau par apport de
chaleur. Ce gaz (vapeur d’eau sous pression) est distribué vers le piston où il
fournit du travail qui sera utilisé par le système bielle manivelle( non représenté
ici). Les distributeurs permettent de mettre chaque face du piston alternativement à
l’admission ou à l’échappement.
3.2.Moteurs Stirling
Le moteur Stirling, appelé parfois moteur à combustion externe ou moteur à air
chaud est inventé en 1816 dont on reparle de plus en plus aujourd’hui. Le moteur
comprendre deux pistons A et B et un régénérateur qui absorbe et restitue de la
chaleur au cours du cycle. Il existe plusieurs types de moteur Stirling ; pour
l’illustration, on ne donne que le schéma d’un moteur alpha Figure 3
chambre de détente. Cette chaleur est utilisée pour vaporiser de l’eau. La vapeur
d’eau obtenue par cette vaporisation est alors envoyée dans la chambre de détente
(cylindre) où elle actionne un piston. Un système bielle manivelle permet alors de
récupérer l’énergie mécanique ainsi produite en l’adaptant aux besoins.
L’eau qui est fournie à l’évaporateur est transformée en vapeur d’eau par apport de
chaleur. Ce gaz (vapeur d’eau sous pression) est distribué vers le piston où il
fournit du travail qui sera utilisé par le système bielle manivelle( non représenté
ici). Les distributeurs permettent de mettre chaque face du piston alternativement à
l’admission ou à l’échappement.
3.2.Moteurs Stirling
Le moteur Stirling, appelé parfois moteur à combustion externe ou moteur à air
chaud est inventé en 1816 dont on reparle de plus en plus aujourd’hui. Le moteur
comprendre deux pistons A et B et un régénérateur qui absorbe et restitue de la
chaleur au cours du cycle. Il existe plusieurs types de moteur Stirling ; pour
l’illustration, on ne donne que le schéma d’un moteur alpha Figure 3
Fig.1.5. Moteur Stirling
Avantages :
− Le silence de fonctionnement : il n’y a pas de détente à l’atmosphère
comme dans le cas d’un moteur à combustion interne, la combustion est
continue à l’extérieur du ou des cylindres. De plus, sa conception est telle
que le moteur est facile à l’équilibrer et engendre peu de vibrations.
− Le rendement élevé : fonction, il est vrai, des températures des sources
chaudes et froides. Comme il est possible de le faire fonctionner en
cogénération (puissance mécanique et calorique),le rendement global peut
être très élevé.
− La multitude de « sources chaudes » possibles : combustible des gaz
divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire ou géothermique....
− L’aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences
environnementales en matière de pollution atmosphérique. Il est plus facile
de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants.
− La fiabilité et la maintenance aisée la relative simplicité technologique
permet d’avoir des moteurs d’une très grande fiabilité et nécessitant peu de
maintenance.
− La durée de vie importante du fait de sa « rusticité ».
− Les utilisations très diverses du fait de son autonomie et son adaptabilité au
besoin et à la nature de la source chaude. --du mW au MW
− Le silence de fonctionnement : il n’y a pas de détente à l’atmosphère
comme dans le cas d’un moteur à combustion interne, la combustion est
continue à l’extérieur du ou des cylindres. De plus, sa conception est telle
que le moteur est facile à l’équilibrer et engendre peu de vibrations.
− Le rendement élevé : fonction, il est vrai, des températures des sources
chaudes et froides. Comme il est possible de le faire fonctionner en
cogénération (puissance mécanique et calorique),le rendement global peut
être très élevé.
− La multitude de « sources chaudes » possibles : combustible des gaz
divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire ou géothermique....
− L’aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences
environnementales en matière de pollution atmosphérique. Il est plus facile
de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants.
− La fiabilité et la maintenance aisée la relative simplicité technologique
permet d’avoir des moteurs d’une très grande fiabilité et nécessitant peu de
maintenance.
− La durée de vie importante du fait de sa « rusticité ».
− Les utilisations très diverses du fait de son autonomie et son adaptabilité au
besoin et à la nature de la source chaude. --du mW au MW
Inconvénients :
− Le prix : le frein à son développement est aujourd’hui probablement
son coût, non encore compétitif par rapport aux autres moyens bien
implantés. Une généralisation de son emploi devrait pallier ce problème
inhérent à toute nouveauté.
− La méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. Seuls
quelques passionnés en connaissent l’existence.
− La variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent
une baisse de prix.
− Les problèmes technologiques à résoudre : les problèmes d’étanchéité
sont difficiles à résoudre dès qu’on souhaite avoir des pressions de
fonctionnement élevées. Le choix du gaz ‘ idéal’, à savoir l’hydrogène
pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, se heurte à sa
faculté de diffuser au travers des matériaux. Les échanges de chaleur
avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils
volumineux
− Le prix : le frein à son développement est aujourd’hui probablement
son coût, non encore compétitif par rapport aux autres moyens bien
implantés. Une généralisation de son emploi devrait pallier ce problème
inhérent à toute nouveauté.
− La méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. Seuls
quelques passionnés en connaissent l’existence.
− La variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent
une baisse de prix.
− Les problèmes technologiques à résoudre : les problèmes d’étanchéité
sont difficiles à résoudre dès qu’on souhaite avoir des pressions de
fonctionnement élevées. Le choix du gaz ‘ idéal’, à savoir l’hydrogène
pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, se heurte à sa
faculté de diffuser au travers des matériaux. Les échanges de chaleur
avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils
volumineux