Chapitre 10
281
nir par les moyens les plus faciles au meilleur résultat, tel doit
être le principal talent de l’homme [ou de la femme] appelé à
diriger, à coordonner entre eux les travaux de ses semblables, à
les faire concourir vers un but utile de quelque genre qu’il soit.
Sadi Carnot, 1824 [4]
10.3 Moteurs alternatifs
Les moteurs à mouvement alternatif (souvent dits « à pistons-cylindres »)
admettent une quantité d’air finie et effectuent leur cycle thermodynamique
sur cette masse. Le cycle peut être effectué de multiples fois en parallèle, et
est répété plusieurs fois dans le temps pour fournir une puissance continue
(un moteur automobile effectue usuellement une cinquantaine de cycles par
seconde).
10.3.1 Intérêt des moteurs à pistons
D’un point de vue thermodynamique, le principal avantage de ces moteurs
est que la manipulation d’une masse fixe d’air est beaucoup plus aisée
que celle d’un flux continu. Il est possible, par exemple, d’effectuer une
combustion à température constante (telle que le préconise Carnot) en
faisant varier le volume pendant la combustion. La même opération en
régime continu requerrait que la combustion s’effectue au sein d’une turbine
(§4.4.4 p. 98), ce que l’on ne sait pas encore faire à échelle industrielle.
Un second avantage des moteurs à pistons est que la température maximale
du cycle n’y est atteinte que sporadiquement (périodiquement, mais toujours
brièvement). Il est ainsi possible, lors de la combustion, de faire atteindre au
gaz des températures qui dépassent les limites métallurgiques du moteur,
avec les avantages pour le rendement que nous avons abordés au chapitre 7
(le second principe).
Le poids et la complexité de leurs mécanismes (bielles, vilebrequin, soupapes,
circuits divers), en revanche, défavorisent les moteurs à pistons lorsque de
très grandes puissances et vitesses de rotation sont requises.
10.3.2 Le cycle d’Otto
On doit à l’ingénieur allemand Nikolaus Otto, en 1864, la mise au point du
moteur que l’on connaît aujourd’hui sous le nom de « moteur à essence ».
Le cycle de principe de ce moteur, appelé cycle d’Otto, est constitué de deux
phases isentropiques encadrées par deux phases isochores ; il est décrit en
figure 10.3.
Le cycle d’Otto est conçu pour permettre une mise en œuvre simple de
la phase d’apport de chaleur. Le carburant est mélangé à l’air avant son
insertion dans le moteur, et une combustion très rapide est provoquée avec
une étincelle lorsque le volume dans le cylindre est minimal : c’est ce que l’on
nomme l’allumage commandé. Otto destine son moteur à des applications
statiques, mais sa simplicité relative et sa réactivité assureront son succès
dans les transports (notamment avec son fils Gustav Otto, avionneur dont
l’entreprise donnera naissance à bmw).
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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nir par les moyens les plus faciles au meilleur résultat, tel doit
être le principal talent de l’homme [ou de la femme] appelé à
diriger, à coordonner entre eux les travaux de ses semblables, à
les faire concourir vers un but utile de quelque genre qu’il soit.
Sadi Carnot, 1824 [4]
10.3 Moteurs alternatifs
Les moteurs à mouvement alternatif (souvent dits « à pistons-cylindres »)
admettent une quantité d’air finie et effectuent leur cycle thermodynamique
sur cette masse. Le cycle peut être effectué de multiples fois en parallèle, et
est répété plusieurs fois dans le temps pour fournir une puissance continue
(un moteur automobile effectue usuellement une cinquantaine de cycles par
seconde).
10.3.1 Intérêt des moteurs à pistons
D’un point de vue thermodynamique, le principal avantage de ces moteurs
est que la manipulation d’une masse fixe d’air est beaucoup plus aisée
que celle d’un flux continu. Il est possible, par exemple, d’effectuer une
combustion à température constante (telle que le préconise Carnot) en
faisant varier le volume pendant la combustion. La même opération en
régime continu requerrait que la combustion s’effectue au sein d’une turbine
(§4.4.4 p. 98), ce que l’on ne sait pas encore faire à échelle industrielle.
Un second avantage des moteurs à pistons est que la température maximale
du cycle n’y est atteinte que sporadiquement (périodiquement, mais toujours
brièvement). Il est ainsi possible, lors de la combustion, de faire atteindre au
gaz des températures qui dépassent les limites métallurgiques du moteur,
avec les avantages pour le rendement que nous avons abordés au chapitre 7
(le second principe).
Le poids et la complexité de leurs mécanismes (bielles, vilebrequin, soupapes,
circuits divers), en revanche, défavorisent les moteurs à pistons lorsque de
très grandes puissances et vitesses de rotation sont requises.
10.3.2 Le cycle d’Otto
On doit à l’ingénieur allemand Nikolaus Otto, en 1864, la mise au point du
moteur que l’on connaît aujourd’hui sous le nom de « moteur à essence ».
Le cycle de principe de ce moteur, appelé cycle d’Otto, est constitué de deux
phases isentropiques encadrées par deux phases isochores ; il est décrit en
figure 10.3.
Le cycle d’Otto est conçu pour permettre une mise en œuvre simple de
la phase d’apport de chaleur. Le carburant est mélangé à l’air avant son
insertion dans le moteur, et une combustion très rapide est provoquée avec
une étincelle lorsque le volume dans le cylindre est minimal : c’est ce que l’on
nomme l’allumage commandé. Otto destine son moteur à des applications
statiques, mais sa simplicité relative et sa réactivité assureront son succès
dans les transports (notamment avec son fils Gustav Otto, avionneur dont
l’entreprise donnera naissance à bmw).
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen