Moteur alternatif

Cet article décrit principalement le moteur alternatif comme un moteur thermique . Voir également les types de moteurs non thermiques : moteurs pneumatiques et hydrauliques .

Moteur à pistons à combustion interne Composants d’un moteur à piston à essence à Cycle à quatre temps typique.

1. C. Vilebrequin
2. E. Arbre à cames d’échappement
3. I. Arbre à cames d’admission
4. P.Piston _
5. R. Bielle
6. S. Bougie d’allumage
7. W. Chemise d’eau pour circulation du liquide de refroidissement
8. V. Vannes

Un moteur alternatif , également souvent appelé moteur à piston , est généralement un moteur thermique qui utilise un ou plusieurs pistons alternatifs pour convertir une température et une pression élevées en un mouvement de rotation . Cet article décrit les fonctionnalités communes à tous les types. Les principaux types sont : le moteur à combustion interne , largement utilisé dans les véhicules automobiles ; la machine à vapeur , pilier de la révolution industrielle ; et le moteur Stirling pour les applications de niche. Les moteurs à combustion interne sont en outre classés de deux manières : soit unmoteur à allumage par étincelle (SI) , où la bougie d’allumage initie la combustion ; ou un Moteur à allumage par compression (CI) , où l’air à l’intérieur du cylindre est comprimé, le chauffant ainsi , de sorte que l’air chauffé enflamme le carburant qui est injecté alors ou plus tôt . ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

Caractéristiques communes à tous les types

Image par lancer de rayons d’un moteur à pistons

Il peut y avoir un ou plusieurs pistons. Chaque piston est à l’intérieur d’un cylindre , dans lequel est introduit un gaz, soit déjà sous pression (par exemple machine à vapeur ), soit réchauffé à l’intérieur du cylindre soit par allumage d’un mélange air carburant ( moteur à combustion interne ) soit par contact avec un échangeur de chaleur chaud dans le cylindre ( moteur Stirling ). Les gaz chauds se dilatent, poussant le piston au fond du cylindre. Cette position est également connue sous le nom de point mort bas (BDC), ou là où le piston forme le plus grand volume du cylindre. Le piston est ramené vers le haut du cylindre ( Point mort haut ) (PMH) par un volant d’inertie, la puissance d’autres pistons reliés au même arbre ou (dans un cylindre à double effet ) par le même processus agissant de l’autre côté du piston. C’est là que le piston forme le plus petit volume du cylindre. Dans la plupart des types, les gaz détendus ou ” épuisés ” sont évacués du cylindre par cette course . L’exception est le moteur Stirling , qui chauffe et refroidit à plusieurs reprises la même quantité scellée de gaz. La course est simplement la distance entre le TDC et le BDC, ou la plus grande distance que le piston peut parcourir dans une direction.

Dans certaines conceptions, le piston peut être alimenté dans les deux sens dans le cylindre, auquel cas il est dit à double effet .

Moteur à piston à vapeur
Un diagramme schématique étiqueté d’un moteur à vapeur haute pression typique à un seul cylindre, à simple expansion et à double effet. La prise de force du moteur se fait au moyen d’une courroie.

1. Piston
2. Tige de piston
3. Palier de traverse
4. Bielle
5. Manivelle
6. Mouvement de soupape excentrique
7. Volant
8. Vanne coulissante
9. Régulateur centrifuge

Dans la plupart des types, le mouvement linéaire du piston est converti en un mouvement rotatif via une bielle et un vilebrequin ou par un plateau cyclique ou un autre mécanisme approprié. Un volant d’inertie est souvent utilisé pour assurer une rotation en douceur ou pour stocker de l’énergie pour transporter le moteur à travers une partie non alimentée du cycle. Plus un moteur alternatif a de cylindres, généralement, plus il peut fonctionner sans vibration (en douceur). La puissance d’un moteur alternatif est proportionnelle au volume de déplacement des pistons combinés.

Un joint doit être réalisé entre le piston coulissant et les parois du cylindre afin que le gaz à haute pression au-dessus du piston ne fuie pas et ne réduise pas l’efficacité du moteur. Cette étanchéité est généralement assurée par un ou plusieurs segments de piston . Ce sont des anneaux en métal dur et sont suspendus dans une rainure circulaire dans la tête du piston. Les anneaux s’emboîtent étroitement dans la rainure et appuient légèrement contre la paroi du cylindre pour former un joint, et plus fortement lorsque la pression de combustion plus élevée se déplace vers leurs surfaces internes.

Il est courant de classer ces moteurs en fonction du nombre et de l’alignement des cylindres et du volume total de déplacement de gaz par les pistons se déplaçant dans les cylindres, généralement mesuré en centimètres cubes (cm3 ou cc) ou en litres (l) ou (L) (US : litre). Par exemple, pour les moteurs à combustion interne, les conceptions à un ou deux cylindres sont courantes dans les petits véhicules tels que les motos , tandis que les automobiles en ont généralement entre quatre et huit, et les locomotives , et les Navires peuvent avoir une douzaine de cylindres ou plus. Les cylindrées peuvent aller de 10 cm3 ou moins dans les modèles de moteurs jusqu’à des milliers de litres dans les moteurs de Navires. ^[6]

Le taux de compression affecte les performances de la plupart des types de moteurs alternatifs. C’est le rapport entre le volume du cylindre, lorsque le piston est en bas de sa course, et le volume lorsque le piston est en haut de sa course.

Le rapport alésage / course est le rapport du diamètre du piston, ou «alésage», à la longueur de déplacement dans le cylindre, ou «course». S’il est autour de 1, le moteur est dit “carré”, s’il est supérieur à 1, c’est-à-dire que l’alésage est supérieur à la course, il est “surcarré”. S’il est inférieur à 1, c’est-à-dire que la course est supérieure à l’alésage, il s’agit d’un “undersquare”.

Les cylindres peuvent être alignés en ligne , dans une configuration en V , horizontalement opposés l’un à l’autre, ou radialement autour du vilebrequin. Les moteurs à pistons opposés mettent deux pistons travaillant aux extrémités opposées du même cylindre et cela a été étendu à des arrangements triangulaires tels que le Napier Deltic . Certaines conceptions ont mis les cylindres en mouvement autour de l’arbre, comme le moteur rotatif .

Moteur à pistons Stirling Rhombic Drive – Beta Stirling Engine Design, montrant le deuxième piston plongeur (vert) dans le cylindre, qui dérive le gaz de travail entre les extrémités chaude et froide, mais ne produit aucune puissance elle-même.

1. Paroi du cylindre chaud
2. Paroi froide du cylindre

1. Piston plongeur
2. Piston de puissance
3. Volants

Dans certaines machines à vapeur, les cylindres peuvent être de taille variable, le plus petit cylindre d’alésage travaillant la vapeur à la pression la plus élevée. Celle-ci est ensuite alimentée successivement par un ou plusieurs cylindres à alésage de plus en plus grand, pour extraire de la puissance de la vapeur à des pressions de plus en plus basses. Ces moteurs sont appelés moteurs composés .

En plus de regarder la puissance que le moteur peut produire, la pression effective moyenne (MEP) peut également être utilisée pour comparer la puissance de sortie et les performances des moteurs alternatifs de même taille. La pression effective moyenne est la pression fictive qui produirait la même quantité de travail net que celle produite pendant le cycle de course motrice. Ceci est montré par :

O n e t = député européen ⋅ UN p S = député européen ⋅ V ré {displaystyle W_{net}={text{MEP}}cdot A_{p}S={text{MEP}}cdot V_{d}}

où UN p {displaystyle A_{p}} est la surface totale du piston du moteur, S {displaystyle S} est la longueur de course des pistons, et V ré {displaystyle V_{d}} est la cylindrée totale du moteur. Donc:

député européen = O n e t V d {displaystyle {text{MEP}}={frac {W_{net}}{V_{d}}}}

Le moteur avec la plus grande valeur de MEP produit plus de travail net par cycle et fonctionne plus efficacement. ^[1]

Opérations

Dans les moteurs à vapeur et les moteurs à combustion interne, les soupapes sont nécessaires pour permettre l’entrée et la sortie des gaz aux bons moments du cycle du piston. Ceux-ci sont actionnés par des cames, des excentriques ou des manivelles entraînées par l’arbre du moteur. Les premières conceptions utilisaient la Vanne à tiroir D , mais celle-ci a été largement remplacée par les conceptions de vanne à piston ou de vanne à clapet . Dans les moteurs à vapeur, le point du cycle du piston auquel la soupape d’admission de vapeur se ferme est appelé la coupure et cela peut souvent être contrôlé pour ajuster le couple fourni par le moteur et améliorer l’efficacité. Dans certaines machines à vapeur, l’action des soupapes peut être remplacée par un Cylindre oscillant .

Les moteurs à combustion interne fonctionnent selon une séquence de courses qui admettent et éliminent les gaz vers et depuis le cylindre. Ces opérations se répètent cycliquement et un moteur est dit 2 temps , 4 temps ou 6 temps selon le nombre de temps nécessaires pour effectuer un cycle.

Le type le plus courant est le 4 temps, qui a des cycles suivants.

1. 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 tandis que le piston aspire un mélange air-carburant dans le cylindre en produisant une dépression dans le cylindre par son mouvement vers le bas. Le piston se déplace vers le bas lorsque l’air est aspiré par le mouvement vers le bas contre le piston.
2. 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.
3. 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. Alors 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.
4. Échappement : Aussi appelé sortie. Pendant la course d’échappement , le piston, une fois de plus, 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.

Histoire

Un des premiers exemples connus de mouvement rotatif à alternatif est le mécanisme à manivelle . Les premières manivelles manuelles sont apparues en Chine sous La dynastie Han (202 avant JC-220 après JC). ^[7] Les Chinois utilisaient la manivelle et la bielle pour faire fonctionner les meules dès la dynastie des Han occidentaux (202 avant JC – 9 après JC). Finalement, des manivelles et des bielles ont été utilisées dans l’inter-conversion du mouvement rotatif et alternatif pour d’autres applications telles que le tamisage de la farine, les dévidoirs de soie, les rouets à pédale et les soufflets de four entraînés soit par des chevaux, soit par des roues hydrauliques. ^{[8] [7]} Plusieurs scieries en Asie romaine et en Syrie byzantineau cours des 3e et 6e siècles après JC, il y avait un mécanisme à manivelle et bielle qui convertissait le mouvement rotatif d’une roue à eau en mouvement linéaire des lames de scie. ^[9] En 1206, l’ingénieur arabe Al-Jazari a inventé un vilebrequin . ^[dix]

Le moteur alternatif s’est développé en Europe au XVIIIe siècle, d’abord comme Moteur atmosphérique puis plus tard comme machine à vapeur . Ceux-ci ont été suivis par le moteur Stirling et le moteur à combustion interne au 19ème siècle. Aujourd’hui, la forme la plus courante de moteur alternatif est le moteur à combustion interne fonctionnant à la combustion d’ essence , de diesel , de gaz de pétrole liquéfié (GPL) ou de gaz naturel comprimé (GNC) et utilisé pour alimenter les véhicules à moteur et les centrales électriques .

Un moteur à piston notable de la Seconde Guerre mondiale était le moteur radial Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major de 28 cylindres et 3500 ch (2600 kW) . Il a propulsé la dernière génération de gros avions à moteur à pistons avant que les moteurs à réaction et les turbopropulseurs ne prennent le relais à partir de 1944. Il avait une cylindrée totale de 71,5 L (4360 pouces cubes) et un rapport puissance / poids élevé.

Le plus gros moteur alternatif en production à l’heure actuelle, mais pas le plus gros jamais construit, est le moteur diesel à deux temps turbocompressé Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006 construit par Wärtsilä . Il est utilisé pour propulser les plus grands porte-conteneurs modernes tels que l’ Emma Mærsk . Il mesure cinq étages (13,5 m ou 44 pieds), 27 m (89 pieds) de long et pèse plus de 2300 tonnes métriques (2500 tonnes courtes) dans sa plus grande version à 14 cylindres produisant plus de 84,42 MW (114800 ch). Chaque cylindre a une capacité de 1 820 L (64 pi3), soit une capacité totale de 25 480 L (900 pi3) pour les plus grandes versions.

Capacité moteur

Pour les moteurs à pistons, la cylindrée d’un moteur est la cylindrée du moteur , c’est-à-dire le volume balayé par tous les pistons d’un moteur en un seul mouvement. Il est généralement mesuré en litres (l) ou en pouces cubes (cid, cu in ou in3) pour les gros moteurs, et en centimètres cubes (en abrégé cc) pour les petits moteurs. Toutes choses étant égales par ailleurs, les moteurs de plus grande capacité sont plus puissants et la consommation de carburant augmente en conséquence (bien que ce ne soit pas le cas de tous les moteurs à piston), bien que la puissance et la consommation de carburant soient affectées par de nombreux facteurs en dehors de la cylindrée du moteur.

Pouvoir

Les moteurs alternatifs peuvent être caractérisés par leur puissance spécifique , qui est généralement donnée en kilowatts par litre de cylindrée du moteur (aux États-Unis également en chevaux par pouce cube). Le résultat offre une approximation de la puissance de pointe d’un moteur. Cela ne doit pas être confondu avec le rendement énergétique , car un rendement élevé nécessite souvent un rapport carburant-air pauvre, et donc une densité de puissance plus faible. Un moteur de Voiture moderne à hautes performances produit plus de 75 kW/L (1,65 hp/in ³ ).

Autres types modernes de combustion non interne

Les moteurs alternatifs alimentés par de l’air comprimé, de la vapeur ou d’autres gaz chauds sont encore utilisés dans certaines applications, telles que la propulsion de nombreuses torpilles modernes ou comme force motrice non polluante. La plupart des applications à vapeur utilisent des turbines à vapeur , qui sont plus efficaces que les moteurs à pistons.

Les véhicules FlowAIR de conception française utilisent de l’air comprimé stocké dans un cylindre pour entraîner un moteur alternatif dans un véhicule urbain sans pollution locale. ^[11]

Les torpilles peuvent utiliser un gaz de travail produit par du peroxyde à haut test ou du carburant Otto II , qui se pressurise sans combustion. La torpille Mark 46 de 230 kg (510 lb) , par exemple, peut parcourir 11 km (6,8 mi) sous l’eau à 74 km/h (46 mph) alimentée par du carburant Otto sans oxydant .

Moteur thermique quantique alternatif

Les moteurs thermiques quantiques sont des dispositifs qui génèrent de l’énergie à partir de la chaleur qui circule d’un réservoir chaud vers un réservoir froid. Le mécanisme de fonctionnement du moteur peut être décrit par les lois de la mécanique quantique . Les réfrigérateurs quantiques sont des appareils qui consomment de l’énergie dans le but de pomper la chaleur d’un réservoir froid vers un réservoir chaud.

Dans un moteur thermique quantique alternatif, le milieu de travail est un système quantique tel que des systèmes de spin ou un oscillateur harmonique. Le cycle de Carnot et le cycle d’ Otto sont les plus étudiés. ^[12] Les versions quantiques obéissent aux lois de la thermodynamique . De plus, ces modèles peuvent justifier les hypothèses de thermodynamique endoréversible . Une étude théorique a montré qu’il est possible et pratique de construire un moteur alternatif composé d’un seul atome oscillant. Il s’agit d’un domaine de recherche future qui pourrait avoir des applications en nanotechnologie . ^[13]

Moteurs divers

Il existe un grand nombre de variétés inhabituelles de moteurs à pistons qui présentent divers avantages revendiqués, dont beaucoup sont peu ou pas utilisés actuellement :

• Moteur à piston libre
• Moteur à pistons opposés
• Moteur à piston oscillant
• Moteur IRIS
• Moteur Bourke
• Moteur thermomagnétique

Voir également

• Moteur thermique pour une vision de la thermodynamique mise en jeu dans ces moteurs.
• Pour une approche contrastée sans pistons, voir le moteur rotatif sans piston .
• Pour une perspective historique, voir Chronologie de la technologie des moteurs thermiques .
• Machine à vapeur
  • Locomotive à vapeur
• Moteur Stirling
• Moteur à combustion interne
  • Cycle d’Otto
  • Cycle diesel
  • Configuration du moteur pour une discussion de la disposition des principaux composants d’un moteur à combustion interne à piston alternatif.
  • Moteur diesel
  • Moteur à essence

Remarques

1. ^ ^{a b} Thermodynamique: une approche d’ingénierie par Yunus A. Cengal et Michael A. Boles
2. ^ “Les bases du moteur à piston” . 4 février 2016.
3. ^ “Qu’est-ce qu’un moteur à piston? (Avec des images)” .
4. ^ “Guide du débutant : qu’est-ce qu’un piston (et qu’est-ce qu’il fait) ?” . 16 mars 2018.
5. ^ “Les bases du fonctionnement d’un moteur à piston” .
6. ^ Hanlon, Mike. Le moteur diesel le plus puissant au monde GizMag . Consulté : 14 avril 2017.
7. ^ ^{un b} Needham, Joseph. (1986). Science et civilisation en Chine : volume 4, partie 2, génie mécanique. Taipei: Caves Books, Ltd. Pages 118–119.
8. ^ Hong-Sen Yan, Marco Ceccarelli (2009). Symposium international sur l’histoire des machines et des mécanismes . Springer Science et médias d’affaires. p. 235–249. ISBN 978-1-4020-9484-2.
9. ^ Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), “Un soulagement d’une Scierie à eau sur un sarcophage à Hiérapolis et ses implications”, Journal of Roman Archaeology , 20 : 138–163, doi : 10.1017/S1047759400005341 , S2CID 161937987
10. ^ Sally Ganchy, Sarah Gancher (2009), Islam et Science, Médecine et Technologie , The Rosen Publishing Group, p. 41 , ISBN 978-1-4358-5066-8
11. ^ AIRPod fabriqué par MDI SA. Consulté le 19 février 2015
12. ^ [1] Performance irréversible d’un moteur thermique harmonique quantique, Rezek et Kosloff, New J. Phys. 8 (2006) 83
13. ^ Un moteur de Voiture peut-il être construit à partir d’une seule particule ? Physorg, 30 novembre 2012 par Lisa Zyga. Consulté le 01-12-12

Liens externes

• Vidéo sur la combustion – combustion dans le cylindre d’un moteur à deux temps optiquement accessible
• HowStuffWorks : comment fonctionnent les moteurs de Voiture
• Moteurs alternatifs sur InfoPlease.
• Moteurs à pistons à la US Centennial of Flight Commission.