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Chapitre 10
10.2 Critères d’évaluation des moteurs à
gaz
10.2.1 Le rendement thermique
Il va désormais de soi que nous cherchons toujours à obtenir une grande
efficacité thermique í µí¼ moteur ≡
|
|
|
̇
í µí± net
̇
í µí± in
|
|
|
(6/4) en gardant à l’esprit qu’elle ne peut
excéder son maximum théorique í µí¼ í µí±í µí±í µí±¡í µí±í µí±¢í µí±í µí°¶í µí±í µí±í µí±í µí±í µí±¡ = 1 −
í µí± min.
í µí± max.
(7/6).
Comme nous l’avons déjà suggéré en §9.2, le rendement thermique ne doit
toutefois pas être maximisé au détriment d’autres paramètres importants,
dont nous présentons plus bas les plus notables pour les moteurs à gaz.
10.2.2 La marge de travail
Dans un moteur en fonctionnement, l’irréversibilité des compressions et
détentes n’est pas indépendante de la vitesse. Lorsqu’ils fonctionnent hors
de leur plage de fonctionnement optimale, les moteurs voient ainsi leur
puissance spécifique diminuer. Les irréversibilités peuvent même réduire
le rendement à zéro, le moteur tournant alors sans produire de travail utile
(exactement comme un moteur automobile débrayé). La marge de travail est
un concept qui permet d’évaluer la robustesse d’un cycle à l’augmentation
de ces irréversibilités.
Pour aborder ce concept, étudions premièrement le cas d’un moteur dont
la compression et la détente sont réversibles. Les transferts énergétiques
du cycle sont décrits en figure 10.1. Si au lieu d’être idéale, la turbine
de ce premier moteur se voyait soudainement affublée d’un rendement
isentropique de 95 %, elle ne fournirait plus que 95 W. La puissance effective
du moteur passerait alors de 10 à 5 W – une réduction de 50 %.
Figure 10.1 – Le cycle d’un moteur (hypothétique) à faible marge de travail. La
puissance développée est de ̇
í µí± net = ̇
í µí± compression + ̇
í µí± détente = +90 + (−100) = −10 W,
et le rendement í µí¼ moteur = −
̇
í µí± net
̇
í µí± in
= −
−10
20 = 50 %.
Schéma CC-0 Olivier Cleynen
Comparons maintenant ce cas avec un moteur de même rendement, même
puissance, mais dont le cycle est différent, comme montré en figure 10.2.
Dans ce moteur, si l’efficacité isentropique de la turbine passait de 100 %
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 10
10.2 Critères d’évaluation des moteurs à
gaz
10.2.1 Le rendement thermique
Il va désormais de soi que nous cherchons toujours à obtenir une grande
efficacité thermique í µí¼ moteur ≡
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í µí± net
̇
í µí± in
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(6/4) en gardant à l’esprit qu’elle ne peut
excéder son maximum théorique í µí¼ í µí±í µí±í µí±¡í µí±í µí±¢í µí±í µí°¶í µí±í µí±í µí±í µí±í µí±¡ = 1 −
í µí± min.
í µí± max.
(7/6).
Comme nous l’avons déjà suggéré en §9.2, le rendement thermique ne doit
toutefois pas être maximisé au détriment d’autres paramètres importants,
dont nous présentons plus bas les plus notables pour les moteurs à gaz.
10.2.2 La marge de travail
Dans un moteur en fonctionnement, l’irréversibilité des compressions et
détentes n’est pas indépendante de la vitesse. Lorsqu’ils fonctionnent hors
de leur plage de fonctionnement optimale, les moteurs voient ainsi leur
puissance spécifique diminuer. Les irréversibilités peuvent même réduire
le rendement à zéro, le moteur tournant alors sans produire de travail utile
(exactement comme un moteur automobile débrayé). La marge de travail est
un concept qui permet d’évaluer la robustesse d’un cycle à l’augmentation
de ces irréversibilités.
Pour aborder ce concept, étudions premièrement le cas d’un moteur dont
la compression et la détente sont réversibles. Les transferts énergétiques
du cycle sont décrits en figure 10.1. Si au lieu d’être idéale, la turbine
de ce premier moteur se voyait soudainement affublée d’un rendement
isentropique de 95 %, elle ne fournirait plus que 95 W. La puissance effective
du moteur passerait alors de 10 à 5 W – une réduction de 50 %.
Figure 10.1 – Le cycle d’un moteur (hypothétique) à faible marge de travail. La
puissance développée est de ̇
í µí± net = ̇
í µí± compression + ̇
í µí± détente = +90 + (−100) = −10 W,
et le rendement í µí¼ moteur = −
̇
í µí± net
̇
í µí± in
= −
−10
20 = 50 %.
Schéma CC-0 Olivier Cleynen
Comparons maintenant ce cas avec un moteur de même rendement, même
puissance, mais dont le cycle est différent, comme montré en figure 10.2.
Dans ce moteur, si l’efficacité isentropique de la turbine passait de 100 %
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen