Comprendre le fonctionnement d'un moteur thermique nécessite l'appréhension des cycles thermodynamiques. Parmi ceux-ci, le cycle de Beau de Rochas, base du moteur à quatre temps, occupe une place centrale. Cet article explore en détail le calcul du cycle PMI (Pression Moyenne Indiquée), sa définition dans le contexte de la thermodynamique, et les différents facteurs qui influencent son rendement.
Introduction au Cycle Thermodynamique
Une machine thermique est un dispositif mécanique qui transforme la chaleur en travail mécanique. Le fluide de travail, évoluant au sein de la machine, revient périodiquement à son état initial après avoir échangé de la chaleur avec des sources externes. Le cycle thermodynamique décrit cette évolution.
Le cycle de Carnot est un cycle théorique idéal où les échanges de chaleur se font uniquement avec deux sources à températures fixes. Cependant, les moteurs réels, comme ceux à vapeur, utilisent des cycles plus complexes, incluant souvent la surchauffe de la vapeur.
Le Cycle de Beau de Rochas
Le cycle de Beau de Rochas, proposé par le français Beau de Rochas en 1862, décrit le processus appliqué à une masse gazeuse emprisonnée dans un moteur à piston. Il est le fondement du moteur à quatre temps.
Ce cycle comprend quatre phases distinctes :
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- Admission : L'entrée des gaz se fait par des orifices à soupapes placés à l'extrémité fermée d'un cylindre.
- Compression : La compression n'est pas adiabatique dans la réalité.
- Détente (Combustion) : La combustion de la charge est l'étape clé.
- Échappement : L'échappement des gaz brûlés se fait en décrivant l'isobare BA.
Dans un moteur réel, l'évolution de la pression relevée ne correspond pas exactement au cycle théorique, et son rendement est inférieur. Le cycle réel a été amélioré pour augmenter son rendement.
La Pression Moyenne Indiquée (PMI)
La Pression Moyenne Indiquée (PMI) est un paramètre important pour évaluer la performance d'un moteur. Elle représente la pression constante qui, agissant sur le piston pendant tout le cycle, produirait le même travail que le cycle réel. La PMI est proportionnelle au couple effectif par unité de cylindrée, ce qui permet de comparer des moteurs de cylindrées différentes.
La PMI est influencée par plusieurs facteurs :
- La masse de gaz admise pendant la phase d'admission : C'est la grandeur prépondérante.
- La position du papillon des gaz : Même grand ouvert, il produit une restriction qui ralentit la veine d'air et diminue la pression d'admission.
- L'état du filtre à air : Un filtre colmaté réduit la pression d'admission.
- Le réglage du jeu aux soupapes : Un jeu incorrect réduit la section de passage entre la soupape d'admission et son siège.
- La vitesse de lancement (démarreur) : Une vitesse faible permet aux gaz de s'échapper pendant la compression.
- La température du moteur : L'augmentation de la température diminue le jeu entre chemise et piston.
Calcul du Travail et du Couple Moteur
Le travail disponible (en Joules) est mesuré par l'aire BCDE sur le diagramme pression-volume. Le couple moteur, exprimé en m.daN ou m.kg, est le moment de la force par rapport à l'axe de rotation.
Lors de la détente, la force engendrée par la pression des gaz brûlés est opposée au sens de déplacement du piston, créant un couple résistant. En revanche, lorsque la force et le déplacement sont dans le même sens, nous avons un couple moteur.
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La puissance (P) est liée au couple (C) par la relation P = C .
Le Rôle des Composants du Moteur
Plusieurs composants du moteur influencent le cycle thermodynamique et le calcul de la PMI :
- Le piston : Monte un piston dans une chemise, c'est un métier. Il doit résister à l'action des gaz, de la bielle et aux réactions des parois du cylindre. Il assure aussi l'échange calorifique entre piston et chemise.
- Le vilebrequin : La répartition angulaire des manetons est fonction du nombre de cylindres.
- Les bielles : Elles sont assemblées aux pistons avec un apairage et une orientation spécifiques.
- La culasse : Son serrage (ordre et couple ou serrage angulaire) est crucial.
Facteurs Affectant le Remplissage du Cylindre
Le remplissage du cylindre est une étape critique du cycle. Plusieurs facteurs peuvent l'affecter :
- La position du papillon des gaz: Même lorsqu'il est grand ouvert, il produit une restriction dans le circuit d'admission, réduisant la pression.
- L'état du filtre à air: Un filtre colmaté diminue la pression d'admission.
- Le réglage du jeu aux soupapes: Un jeu incorrect réduit la section de passage entre la soupape et son siège.
- La vitesse de lancement du moteur: Une vitesse faible permet aux gaz de s'échapper pendant la compression.
- La température du moteur: Une température élevée diminue le jeu entre la chemise et le piston.
Le Cycle Miller
Le cycle Miller, défini par James Atkinson et appliqué au moteur 4 temps par Ralph Miller, vise à abaisser la pression de fin de détente pour récupérer un maximum d'énergie mécanique. Il consiste à maintenir la soupape d'admission ouverte au-delà du point mort bas, éjectant une partie du mélange et réduisant la pression dans le cylindre. C'est un cycle en "5 temps" : admission, refoulement, compression, détente et échappement.
Le rapport volumétrique réel est plus faible que le rapport théorique, mais le taux de détente est inchangé, donc plus élevé que le taux de compression. En allongeant la détente par rapport à la compression, on améliore le rendement, mais on limite la puissance. L'ajout d'un compresseur à l'admission peut compenser cette limitation.
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Maintenance et Réparation des Moteurs
La maintenance et la réparation des moteurs sont essentielles pour garantir un fonctionnement optimal du cycle thermodynamique. Les interventions sur le bas et le haut moteur interviennent généralement lors de bris de courroies de distribution, de problèmes d'étanchéité, de joints de culasse hors d'usage ou de manque d'entretien.
Le marché de l'échange standard et la remise en état des moteurs par des professionnels indépendants connaissent un regain d'intérêt.
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