Moteur à quatre temps - Four-stroke engine
A quatre temps (également quatre temps ) du moteur est une combustion interne du moteur (IC) dans laquelle le piston accomplit quatre coups séparés tout en faisant tourner le vilebrequin. Une course fait référence à la course complète du piston le long du cylindre, dans les deux sens. Les quatre traits distincts sont appelés :
- Aspiration : Aussi appelée induction ou aspiration. Cette course du piston commence au point mort haut (PMH) et se termine au point mort bas (PMB). Dans cette course, la soupape d'admission doit être en position ouverte pendant que le piston tire un mélange air-carburant dans le cylindre en produisant une pression de vide dans le cylindre par son mouvement vers le bas. Le piston descend alors que l'air est aspiré par le mouvement descendant contre le piston.
- Compression : Cette course commence au PMB, ou juste à la fin de la course d'aspiration, et se termine au PMH. Dans cette course, le piston comprime le mélange air-carburant en vue de l'allumage pendant la course motrice (ci-dessous). Les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées pendant cette étape.
- Combustion : Aussi appelée puissance ou allumage. C'est le début de la deuxième révolution du cycle à quatre temps. À ce stade, le vilebrequin a effectué une révolution complète de 360 degrés. Pendant que le piston est au PMH (la fin de la course de compression), le mélange air-carburant comprimé est enflammé par une bougie d'allumage (dans un moteur à essence) ou par la chaleur générée par une compression élevée (moteurs diesel), ramenant avec force le piston au PMB Cette course produit un travail mécanique du moteur pour faire tourner le vilebrequin.
- Échappement : Également connu sous le nom de sortie. Pendant la course d' échappement , le piston, à nouveau, revient du PMB au PMH alors que la soupape d'échappement est ouverte. Cette action expulse le mélange air-carburant usé à travers la soupape d'échappement.
Ces quatre coups peuvent également être appelés respectivement « sucer, serrer, frapper, souffler », ce qui peut être plus facile à retenir.
Histoire
Cycle d'Otto
Nikolaus August Otto était vendeur ambulant pour une entreprise d'épicerie. Au cours de ses voyages, il rencontre le moteur à combustion interne construit à Paris par l'expatrié belge Jean Joseph Etienne Lenoir . En 1860, Lenoir a réussi à créer un moteur à double effet fonctionnant au gaz d'éclairage avec un rendement de 4 %. Le moteur Lenoir de 18 litres ne produisait que 2 chevaux. Le moteur Lenoir fonctionnait au gaz d'éclairage à base de charbon, qui avait été développé à Paris par Philip Lebon .
En testant une réplique du moteur Lenoir en 1861, Otto a pris conscience des effets de la compression sur la charge de carburant. En 1862, Otto a tenté de produire un moteur pour améliorer le faible rendement et la fiabilité du moteur Lenoir. Il a essayé de créer un moteur qui comprimerait le mélange de carburant avant l'allumage, mais a échoué car ce moteur ne tournerait pas plus de quelques minutes avant sa destruction. De nombreux autres ingénieurs essayaient de résoudre le problème, sans succès.
En 1864, Otto et Eugen Langen fondent la première entreprise de production de moteurs à combustion interne, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto et Cie ont réussi à créer un moteur atmosphérique à succès la même année. L'usine a manqué d'espace et a été déplacée dans la ville de Deutz , en Allemagne, en 1869, où la société a été renommée Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company). En 1872, Gottlieb Daimler était directeur technique et Wilhelm Maybach était à la tête de la conception des moteurs. Daimler était un armurier qui avait travaillé sur le moteur Lenoir. En 1876, Otto et Langen ont réussi à créer le premier moteur à combustion interne qui comprimait le mélange de carburant avant la combustion pour une efficacité bien supérieure à celle de tout moteur créé à cette époque.
Daimler et Maybach ont quitté leur emploi chez Otto and Cie et ont développé le premier moteur Otto à grande vitesse en 1883. En 1885, ils ont produit la première automobile à être équipée d'un moteur Otto. Le Daimler Reitwagen a utilisé un système d'allumage à tube chaud et le carburant connu sous le nom de Ligroin pour devenir le premier véhicule au monde propulsé par un moteur à combustion interne. Il utilisait un moteur à quatre temps basé sur la conception d'Otto. L'année suivante, Karl Benz a produit une automobile à moteur à quatre temps qui est considérée comme la première voiture.
En 1884, la société d'Otto, alors connue sous le nom de Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), développe l'allumage électrique et le carburateur. En 1890, Daimler et Maybach ont formé une société connue sous le nom de Daimler Motoren Gesellschaft . Aujourd'hui, cette société est Daimler-Benz .
Cycle d'Atkinson
Le moteur à cycle Atkinson est un type de moteur à combustion interne à un temps inventé par James Atkinson en 1882. Le cycle Atkinson est conçu pour offrir une efficacité au détriment de la densité de puissance et est utilisé dans certaines applications électriques hybrides modernes.
Le moteur à pistons à cycle Atkinson d'origine permettait aux courses d'admission, de compression, de puissance et d'échappement du cycle à quatre temps de se produire en un seul tour de vilebrequin et était conçu pour éviter d'enfreindre certains brevets couvrant les moteurs à cycle Otto.
En raison de la conception unique du vilebrequin de l'Atkinson, son taux d'expansion peut différer de son taux de compression et, avec une course de puissance plus longue que sa course de compression, le moteur peut atteindre une efficacité thermique supérieure à celle d'un moteur à piston traditionnel. Alors que la conception originale d'Atkinson n'est rien de plus qu'une curiosité historique, de nombreux moteurs modernes utilisent un calage des soupapes non conventionnel pour produire l'effet d'une course de compression plus courte/d'une course de puissance plus longue, réalisant ainsi les améliorations d' économie de carburant que le cycle Atkinson peut fournir.
Cycle diesel
Le moteur diesel est un raffinement technique du moteur à cycle Otto de 1876. Là où Otto avait réalisé en 1861 que l'efficacité du moteur pouvait être augmentée en comprimant d'abord le mélange de carburant avant son allumage, Rudolf Diesel voulait développer un type de moteur plus efficace qui pourrait fonctionner avec un carburant beaucoup plus lourd. Les moteurs Lenoir , Otto Atmospheric et Otto Compression (1861 et 1876) ont été conçus pour fonctionner au gaz d'éclairage (gaz de charbon) . Avec la même motivation qu'Otto, Diesel voulait créer un moteur qui donnerait aux petites entreprises industrielles leur propre source d'énergie pour leur permettre de rivaliser avec les grandes entreprises et, comme Otto, de s'affranchir de l'obligation d'être lié à un approvisionnement municipal en carburant. . À l'instar d'Otto, il a fallu plus d'une décennie pour produire le moteur à haute compression capable d'auto-enflammer le carburant pulvérisé dans le cylindre. Diesel a utilisé un jet d'air combiné avec du carburant dans son premier moteur.
Au cours du développement initial, l'un des moteurs a éclaté, tuant presque Diesel. Il a persisté et a finalement créé un moteur à succès en 1893. Le moteur à haute compression, qui enflamme son carburant par la chaleur de la compression, est maintenant appelé moteur diesel, qu'il soit à quatre temps ou à deux temps.
Le moteur diesel à quatre temps est utilisé dans la majorité des applications lourdes depuis de nombreuses décennies. Il utilise un fioul lourd contenant plus d'énergie et nécessitant moins de raffinement à produire. Les moteurs à cycle Otto les plus efficaces fonctionnent à près de 30 % d'efficacité thermique.
Analyse thermodynamique
L' analyse thermodynamique des cycles réels à quatre temps et à deux temps n'est pas une tâche simple. Cependant, l'analyse peut être considérablement simplifiée si des hypothèses standard d'air sont utilisées. Le cycle résultant, qui ressemble beaucoup aux conditions de fonctionnement réelles, est le cycle Otto.
Pendant le fonctionnement normal du moteur, lorsque le mélange air/carburant est comprimé, une étincelle électrique est créée pour enflammer le mélange. A bas régime, cela se produit à proximité du PMH (Point Mort Haut). À mesure que le régime du moteur augmente, la vitesse du front de flamme ne change pas, de sorte que le point d'allumage est avancé plus tôt dans le cycle pour permettre à une plus grande proportion du cycle de combustion de la charge avant le début de la course motrice. Cet avantage se reflète dans les différentes conceptions de moteurs Otto ; le moteur atmosphérique (sans compression) fonctionne à un rendement de 12 % tandis que le moteur à charge comprimée a un rendement de fonctionnement d'environ 30 %.
Considérations relatives au carburant
Un problème avec les moteurs à charge comprimée est que l'élévation de température de la charge comprimée peut provoquer un pré-allumage. Si cela se produit au mauvais moment et est trop énergique, cela peut endommager le moteur. Différentes fractions de pétrole ont des points d'éclair très variables (les températures auxquelles le carburant peut s'auto-enflammer). Ceci doit être pris en compte dans la conception du moteur et du carburant.
La tendance du mélange de carburant comprimé à s'enflammer tôt est limitée par la composition chimique du carburant. Il existe plusieurs qualités de carburant pour s'adapter aux différents niveaux de performance des moteurs. Le carburant est modifié pour changer sa température d'auto-inflammation. Il y a plusieurs moyens de le faire. Comme les moteurs sont conçus avec des taux de compression plus élevés, le résultat est que le pré-allumage est beaucoup plus susceptible de se produire puisque le mélange de carburant est comprimé à une température plus élevée avant l'allumage délibéré. La température plus élevée évapore plus efficacement les carburants tels que l'essence, ce qui augmente l'efficacité du moteur à compression. Des taux de compression plus élevés signifient également que la distance que le piston peut pousser pour produire de la puissance est plus grande (ce qu'on appelle le taux d'expansion ).
L'indice d'octane d'un carburant donné est une mesure de la résistance du carburant à l'auto-inflammation. Un carburant avec un indice d'octane numérique plus élevé permet un taux de compression plus élevé, qui extrait plus d'énergie du carburant et convertit plus efficacement cette énergie en travail utile tout en empêchant les dommages au moteur dus au pré-allumage. Le carburant à indice d'octane élevé est également plus cher.
De nombreux moteurs à quatre temps modernes utilisent l'injection directe d'essence ou GDI. Dans un moteur à essence à injection directe, la buse de l'injecteur fait saillie dans la chambre de combustion. L'injecteur direct de carburant injecte de l'essence sous une très haute pression dans le cylindre pendant la course de compression, lorsque le piston est plus près du haut.
Les moteurs diesel, de par leur nature, n'ont pas de problèmes de pré-allumage. Ils se demandent si la combustion peut être démarrée ou non. La description de la probabilité que le carburant diesel s'enflamme s'appelle l'indice de cétane. Étant donné que les carburants diesel sont peu volatils, ils peuvent être très difficiles à démarrer à froid. Différentes techniques sont utilisées pour démarrer un moteur Diesel à froid, la plus courante étant l'utilisation d'une bougie de préchauffage .
Principes de conception et d'ingénierie
Limites de puissance de sortie
La quantité maximale de puissance générée par un moteur est déterminée par la quantité maximale d'air ingéré. La quantité de puissance générée par un moteur à piston est liée à sa taille (volume du cylindre), qu'il s'agisse d'un moteur à deux temps ou à quatre temps, de l' efficacité volumétrique , des pertes, du rapport air-carburant, du pouvoir calorifique du carburant, teneur en oxygène de l'air et vitesse ( RPM ). La vitesse est finalement limitée par la résistance du matériau et la lubrification . Les soupapes, les pistons et les bielles subissent des forces d'accélération importantes. À un régime moteur élevé, une rupture physique et un flottement des segments de piston peuvent se produire, entraînant une perte de puissance ou même la destruction du moteur. Le flottement des segments de piston se produit lorsque les segments oscillent verticalement dans les rainures de piston dans lesquelles ils résident. Le flottement des segments compromet l'étanchéité entre le segment et la paroi du cylindre, ce qui entraîne une perte de pression et de puissance du cylindre. Si un moteur tourne trop vite, les ressorts de soupape ne peuvent pas agir assez rapidement pour fermer les soupapes. Ceci est communément appelé « flotteur de soupape », et cela peut entraîner un contact entre le piston et la soupape, endommageant gravement le moteur. À des vitesses élevées, la lubrification de l'interface de la paroi du cylindre du piston a tendance à se rompre. Cela limite la vitesse du piston pour les moteurs industriels à environ 10 m/s.
Débit de l'orifice d'admission/d'échappement
La puissance de sortie d'un moteur dépend de la capacité des matières d'admission (mélange air-carburant) et d'échappement à se déplacer rapidement à travers les orifices de soupape, généralement situés dans la culasse . Pour augmenter la puissance de sortie d'un moteur, les irrégularités dans les voies d'admission et d'échappement, telles que les défauts de coulée, peuvent être supprimées et, à l'aide d'un banc d'écoulement d'air , les rayons des tours d'orifice de soupape et la configuration du siège de soupape peuvent être modifiés pour réduire la résistance. Ce processus s'appelle le portage et peut être effectué à la main ou avec une machine CNC .
Récupération de la chaleur résiduelle d'un moteur à combustion interne
Un moteur à combustion interne est en moyenne capable de convertir seulement 40 à 45 % de l'énergie fournie en travail mécanique. Une grande partie de l'énergie perdue est sous forme de chaleur qui est libérée dans l'environnement par le liquide de refroidissement, les ailettes, etc. Si la chaleur perdue pouvait être captée et transformée en énergie mécanique, les performances du moteur et/ou l'efficacité énergétique pourraient être améliorées améliorer l'efficacité globale du cycle. Il a été constaté que même si 6 % de la chaleur entièrement perdue est récupérée, cela peut augmenter considérablement l'efficacité du moteur.
De nombreuses méthodes ont été conçues pour extraire la chaleur résiduelle d'un échappement de moteur et l'utiliser davantage pour extraire un travail utile, diminuant en même temps les polluants d'échappement. L'utilisation du cycle de Rankine , de la turbocompression et de la génération thermoélectrique peut être très utile en tant que système de récupération de la chaleur perdue .
Suralimentation
Une façon d'augmenter la puissance du moteur consiste à forcer plus d'air dans le cylindre afin que plus de puissance puisse être produite à partir de chaque course de puissance. Cela peut être fait en utilisant un certain type de dispositif de compression d'air connu sous le nom de compresseur , qui peut être alimenté par le vilebrequin du moteur.
La suralimentation augmente les limites de puissance d'un moteur à combustion interne par rapport à sa cylindrée. Le plus souvent, le compresseur fonctionne toujours, mais il existe des conceptions qui permettent de le couper ou de le faire fonctionner à différentes vitesses (par rapport au régime du moteur). La suralimentation à entraînement mécanique présente l'inconvénient qu'une partie de la puissance de sortie est utilisée pour entraîner le compresseur, tandis que la puissance est gaspillée dans l'échappement haute pression, car l'air a été comprimé deux fois et gagne ensuite plus de volume potentiel dans la combustion, mais il n'est que dilaté. en une seule étape.
Suralimentation
Un turbocompresseur est un compresseur qui est entraîné par les gaz d'échappement du moteur, au moyen d'une turbine . Un turbocompresseur est intégré au système d'échappement d'un véhicule pour utiliser l'échappement expulsé. Il se compose d'un ensemble turbine à grande vitesse en deux parties avec un côté qui comprime l'air d'admission et l'autre côté qui est alimenté par la sortie des gaz d'échappement.
Au ralenti et à des vitesses faibles à modérées, la turbine produit peu de puissance à partir du petit volume d'échappement, le turbocompresseur a peu d'effet et le moteur fonctionne presque de manière à aspiration naturelle. Lorsque beaucoup plus de puissance est requise, la vitesse du moteur et l'ouverture du papillon sont augmentées jusqu'à ce que les gaz d'échappement soient suffisants pour « faire monter » la turbine du turbocompresseur pour commencer à comprimer beaucoup plus d'air que la normale dans le collecteur d'admission. Ainsi, une puissance (et une vitesse) supplémentaire est expulsée grâce à la fonction de cette turbine.
La suralimentation permet un fonctionnement plus efficace du moteur car il est entraîné par la pression d'échappement qui serait autrement (principalement) gaspillée, mais il existe une limitation de conception connue sous le nom de décalage du turbo . L'augmentation de la puissance du moteur n'est pas immédiatement disponible en raison de la nécessité d'augmenter fortement le régime du moteur, d'augmenter la pression et de faire tourner le turbo avant que le turbo ne commence à effectuer une compression d'air utile. L'augmentation du volume d'admission provoque une augmentation des gaz d'échappement et fait tourner le turbo plus rapidement, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'un fonctionnement stable à haute puissance soit atteint. Une autre difficulté est que la pression d'échappement plus élevée amène les gaz d'échappement à transférer une plus grande partie de leur chaleur aux pièces mécaniques du moteur.
Rapport tige et piston/course
Le rapport tige/course est le rapport de la longueur de la bielle à la longueur de la course du piston. Une tige plus longue réduit la pression latérale du piston sur la paroi du cylindre et les forces de contrainte, augmentant ainsi la durée de vie du moteur. Il augmente également le coût et la hauteur et le poids du moteur.
Un "moteur carré" est un moteur dont le diamètre d'alésage est égal à sa longueur de course. Un moteur dont le diamètre d'alésage est supérieur à sa longueur de course est un moteur oversquare , à l'inverse, un moteur dont le diamètre d'alésage est inférieur à sa longueur de course est un moteur undersquare.
Train de soupapes
Les soupapes sont généralement actionnées par un arbre à cames tournant à la moitié de la vitesse du vilebrequin . Il a une série de cames le long de sa longueur, chacune conçue pour ouvrir une soupape pendant la partie appropriée d'une course d'admission ou d'échappement. Un poussoir entre la valve et la came est une surface de contact sur laquelle la came glisse pour ouvrir la valve. De nombreux moteurs utilisent un ou plusieurs arbres à cames "au-dessus" d'une rangée (ou chaque rangée) de cylindres, comme dans l'illustration, dans laquelle chaque came actionne directement une soupape à travers un poussoir plat. Dans d'autres conceptions de moteurs, l'arbre à cames se trouve dans le carter , auquel cas chaque came entre généralement en contact avec une tige de poussée , qui entre en contact avec un culbuteur qui ouvre une soupape, ou dans le cas d'un moteur à tête plate, une tige de poussée n'est pas nécessaire. La conception à arbre à cames en tête permet généralement des vitesses de moteur plus élevées car elle fournit le chemin le plus direct entre la came et la soupape.
Le jeu des soupapes
Le jeu des soupapes fait référence au petit espace entre un poussoir de soupape et une tige de soupape qui garantit la fermeture complète de la soupape. Sur les moteurs à réglage mécanique des soupapes, un jeu excessif provoque un bruit de la commande des soupapes. Un jeu de soupape trop faible peut entraîner une fermeture incorrecte des soupapes. Il en résulte une perte de performance et éventuellement une surchauffe des soupapes d'échappement. En règle générale, le jeu doit être réajusté tous les 20 000 milles (32 000 km) avec une jauge d'épaisseur.
La plupart des moteurs de production modernes utilisent des poussoirs hydrauliques pour compenser automatiquement l'usure des composants de la commande des soupapes. L'huile moteur sale peut provoquer une défaillance du poussoir.
Bilan énergétique
Les moteurs Otto sont efficaces à environ 30 % ; en d'autres termes, 30% de l'énergie générée par la combustion est convertie en énergie de rotation utile à l'arbre de sortie du moteur, tandis que le reste est perdu en raison de la chaleur perdue, des frottements et des accessoires du moteur. Il existe plusieurs façons de récupérer une partie de l'énergie perdue en chaleur perdue. L'utilisation d'un turbocompresseur dans les moteurs diesel est très efficace en augmentant la pression d'air entrant et, en fait, offre la même augmentation des performances qu'une plus grande cylindrée. La société Mack Truck, il y a des décennies, a développé un système de turbine qui convertissait la chaleur perdue en énergie cinétique qu'elle réinjectait dans la transmission du moteur. En 2005, BMW a annoncé le développement du turbosteamer , un système de récupération de chaleur à deux étages similaire au système Mack qui récupère 80% de l'énergie dans les gaz d'échappement et augmente l'efficacité d'un moteur Otto de 15%. En revanche, un moteur à six temps peut réduire la consommation de carburant jusqu'à 40 %.
Les moteurs modernes sont souvent intentionnellement construits pour être légèrement moins efficaces qu'ils ne pourraient l'être autrement. Cela est nécessaire pour les contrôles d'émissions tels que la recirculation des gaz d'échappement et les convertisseurs catalytiques qui réduisent le smog et d'autres polluants atmosphériques. Les réductions d'efficacité peuvent être contrecarrées par une unité de commande du moteur utilisant des techniques de mélange pauvre .
Aux États-Unis, la Corporate Average Fuel Economy stipule que les véhicules doivent atteindre une moyenne de 34,9 mpg ‑US (6,7 L/100 km; 41,9 mpg ‑imp ) par rapport à la norme actuelle de 25 mpg ‑US (9,4 L/100 km ; 30,0 mpg ‑imp ). Alors que les constructeurs automobiles cherchent à respecter ces normes d'ici 2016, de nouvelles façons de concevoir le moteur à combustion interne traditionnel (ICE) doivent être envisagées. Certaines solutions potentielles pour augmenter l'efficacité énergétique afin de répondre aux nouveaux mandats incluent l'allumage après que le piston est le plus éloigné du vilebrequin, connu sous le nom de point mort haut , et l'application du cycle de Miller . Ensemble, cette refonte pourrait réduire considérablement la consommation de carburant et NO
X émissions.
Position de départ, course d'admission et course de compression. Allumage du carburant, course de puissance et course d'échappement.
Voir également
Les références
Sources générales
- Hardenberg, Horst O. (1999). Le Moyen Âge du moteur à combustion interne . Société des ingénieurs automobiles (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8.
- scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
- Cengel, Yunus A; Michael A Boles; Yaling He (2009). Thermodynamique Une approche d'ingénierie. Np . Les sociétés McGraw Hill. ISBN 978-7-121-08478-2.
- Benson, Tom (11 juillet 2008). "Moteur à combustion interne 4 temps" . p. Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace . Récupéré le 5 mai 2011 .
Liens externes
- Brevet américain 194 047
- Animation de moteur à quatre temps
- Animations détaillées du moteur
- Comment fonctionnent les moteurs de voiture
- Moteurs animés, quatre temps , une autre explication du moteur à quatre temps.
- CDX e Textbook , quelques vidéos de composants automobiles en action.
- Nouveau 4 temps
