Chapitre 6
165
Un peu d’histoire :
le nombre de temps moteur
*
Historiquement, nous avons appris à transformer
de la chaleur en travail en manipulant des quantités
fixes de fluide emprisonné dans des enclaves. Ces
enclaves ont toujours été de géométrie cylindrique,
ce qui facilite grandement la fabrication des pistons
qui exploitent les variations de volume du fluide
pour en extraire du travail.
Lorsque le fluide est de l’eau, l’apport de chaleur se
fait dans une chaudière et la vapeur est ensuite transférée dans le ou les cylindres pour y être détendue
(§9.4). À la fin du xix e siècle toutefois, on commence
à utiliser de l’air, un fluide à l’intérieur duquel on
peut directement créer la chaleur par combustion.
Le processus complexe consistant jusqu’alors à effectuer une combustion séparée pour chauffer une
chaudière métallique qui elle-même chauffe enfin
l’eau du moteur est éliminé avec toutes les pertes
de chaleur et de température qu’il engendre. C’est
la naissance du moteur à combustion interne, dont
le développement sera notamment porté par les ingénieurs allemands Nikolaus Otto et Rudolf Diesel
(§10.3). On réalise désormais la combustion et la
détente au même endroit, directement dans le cylindre.
Cependant, pour effectuer une combustion interne,
il faut résoudre un nouveau problème : comme l’oxygène de l’air est utilisé pendant la combustion, celleci ne peut être effectuée qu’une seule fois. Après
chaque combustion, il est donc indispensable de
rejeter hors du cylindre les produits de réaction
(CO 2 et H 2 O essentiellement) et d’y ré-insérer de
l’air « frais » contenant l’oxygène O 2 nécessaire à la
rupture des molécules d’hydrocarbures C í µí±¥ H í µí±¦ produisant la chaleur. Deux solutions différentes sont
alors adoptées.
La méthode la plus courante est de consacrer un
mouvement de piston à chaque étape : le premier
pour la compression, le second pour la détente
(après ou pendant la combustion), le troisième pour
rejeter les gaz brûlés (échappement), et le dernier
pour admettre de l’air frais (aspiration). Les moteurs suivant ce procédé sont dits à quatre temps
(figure 6.14), et ils ont toujours été les plus utilisés.
Figure 6.14 – Les quatre étapes d’un moteur à quatre
temps. Le piston descend pour admettre de l’air frais
arrivant de la droite (admission, 1) ; il monte ensuite
pour augmenter la température de l’air (compression,
2) ; la production de travail utile a lieu pendant une descente (détente, 3) ; enfin l’air est rejeté à l’extérieur lors
d’un quatrième et dernier mouvement (échappement), 4)
avant de recommencer le cycle. La plupart des moteurs à
pistons-cylindres actuels suivent ce procédé.
schémas 1 2 3 4 CC-by par Eric Pierce
La seconde méthode ne manquera pas de surprendre
les puristes : il s’agit d’effectuer ces quatre opérations en deux temps seulement. Dans ces moteurs,
une partie de l’expansion des gaz est consacrée à
leur échappement, qui est effectué simultanément
à l’admission d’air (figures 6.15 et 6.16). Assurément, aucune des quatre étapes ne peut être effectuée de façon optimale : les phases de compression
et détente ne sont effectuées que sur une partie
du débattement, et la vidange est nécessairement
incomplète à cause du mélange des gaz frais et usagés. Par contre, les combustions sont deux fois plus
fréquentes, puisqu’on se dispense des temps d’admission et d’échappement pendant lesquels aucune
opération thermodynamique n’a lieu. Ainsi, à cylindrée et vitesse de rotation égales, les moteurs à
deux temps sont beaucoup plus puissants que leurs
homologues à quatre temps, même s’ils sont aussi
nettement moins efficaces.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
165
Un peu d’histoire :
le nombre de temps moteur
*
Historiquement, nous avons appris à transformer
de la chaleur en travail en manipulant des quantités
fixes de fluide emprisonné dans des enclaves. Ces
enclaves ont toujours été de géométrie cylindrique,
ce qui facilite grandement la fabrication des pistons
qui exploitent les variations de volume du fluide
pour en extraire du travail.
Lorsque le fluide est de l’eau, l’apport de chaleur se
fait dans une chaudière et la vapeur est ensuite transférée dans le ou les cylindres pour y être détendue
(§9.4). À la fin du xix e siècle toutefois, on commence
à utiliser de l’air, un fluide à l’intérieur duquel on
peut directement créer la chaleur par combustion.
Le processus complexe consistant jusqu’alors à effectuer une combustion séparée pour chauffer une
chaudière métallique qui elle-même chauffe enfin
l’eau du moteur est éliminé avec toutes les pertes
de chaleur et de température qu’il engendre. C’est
la naissance du moteur à combustion interne, dont
le développement sera notamment porté par les ingénieurs allemands Nikolaus Otto et Rudolf Diesel
(§10.3). On réalise désormais la combustion et la
détente au même endroit, directement dans le cylindre.
Cependant, pour effectuer une combustion interne,
il faut résoudre un nouveau problème : comme l’oxygène de l’air est utilisé pendant la combustion, celleci ne peut être effectuée qu’une seule fois. Après
chaque combustion, il est donc indispensable de
rejeter hors du cylindre les produits de réaction
(CO 2 et H 2 O essentiellement) et d’y ré-insérer de
l’air « frais » contenant l’oxygène O 2 nécessaire à la
rupture des molécules d’hydrocarbures C í µí±¥ H í µí±¦ produisant la chaleur. Deux solutions différentes sont
alors adoptées.
La méthode la plus courante est de consacrer un
mouvement de piston à chaque étape : le premier
pour la compression, le second pour la détente
(après ou pendant la combustion), le troisième pour
rejeter les gaz brûlés (échappement), et le dernier
pour admettre de l’air frais (aspiration). Les moteurs suivant ce procédé sont dits à quatre temps
(figure 6.14), et ils ont toujours été les plus utilisés.
Figure 6.14 – Les quatre étapes d’un moteur à quatre
temps. Le piston descend pour admettre de l’air frais
arrivant de la droite (admission, 1) ; il monte ensuite
pour augmenter la température de l’air (compression,
2) ; la production de travail utile a lieu pendant une descente (détente, 3) ; enfin l’air est rejeté à l’extérieur lors
d’un quatrième et dernier mouvement (échappement), 4)
avant de recommencer le cycle. La plupart des moteurs à
pistons-cylindres actuels suivent ce procédé.
schémas 1 2 3 4 CC-by par Eric Pierce
La seconde méthode ne manquera pas de surprendre
les puristes : il s’agit d’effectuer ces quatre opérations en deux temps seulement. Dans ces moteurs,
une partie de l’expansion des gaz est consacrée à
leur échappement, qui est effectué simultanément
à l’admission d’air (figures 6.15 et 6.16). Assurément, aucune des quatre étapes ne peut être effectuée de façon optimale : les phases de compression
et détente ne sont effectuées que sur une partie
du débattement, et la vidange est nécessairement
incomplète à cause du mélange des gaz frais et usagés. Par contre, les combustions sont deux fois plus
fréquentes, puisqu’on se dispense des temps d’admission et d’échappement pendant lesquels aucune
opération thermodynamique n’a lieu. Ainsi, à cylindrée et vitesse de rotation égales, les moteurs à
deux temps sont beaucoup plus puissants que leurs
homologues à quatre temps, même s’ils sont aussi
nettement moins efficaces.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen