Introduction

Le moteur thermique fonctionne en se basant sur le cycle de Beau de Rochas, encore appelé cycle à quatre temps ou cycle d'Otto. Celui-ci représente un cycle thermodynamique théorique et est très répandu, notamment dans l'automobile. En effet, puisque les moteurs à combustion interne à allumage commandé, plus généralement les moteurs à essence, possède un cycle thermodynamique pratique qui peut donc être représenté de façon approchée par le cycle de Beau de Rochas.

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C'est parti

La naissance de ce cycle de combustion

Ce sera l'Allemand Christian Reithmann qui déposera le brevet du cycle de Beau de Rochas le 26 Octobre 1860 grâce à son inspiration du moteur à deux temps d'Etienne Lenoir. Mais il sera à nouveau breveté par Beau de Rochas, d'où le nom de ce cycle, en 1862 puisqu'en effet le brevet de Reithmann devait expirer en 1861. Il sera mis en œuvre un an plus tard par Etienne Lenoir.

Mais, initialement, ce sera Nikolaus Otto qui décrira en premier, en 1876, la course d'un piston avec un mouvement de haut en bas dans un cylindre. Cependant, le brevet d'Otto sera infirmé en 1886 lorsqu'il sera découvert que Beau de Rochas avait déjà décrit le principe du cycle à quatre temps, rappelons-le en 1862, dans une brochure qui devait être diffusée de façon privée, même si celui-ci avait tout de même déposé le brevet.

Rappel : la combustion

Comment améliorer le rendement de sa cheminée ?
Rien de mieux que la combustion d'une bûche dans une cheminée en plein hiver pour se réchauffer.

Une combustion est un type particulier de transformation chimique qui se distingue :

  • Par les réactifs qui interviennent
  • Par les échanges d'énergie thermiques qui l'accompagnent

Pour aller plus loin dans la réflexion, on peut se demander ce qui pose le plus de problèmes aux élèves avec ce type de réaction :

ce qui pose parfois des problèmes, c'est surtout l'équilibrage des réactions. En effet, une réaction de combustion classique (du moins au niveau collège/lycée) consiste à "brûler" un composé organique (de formule générale CxHyOz) par de l'oxygène pour donner, dans le cas d'une combustion complète (ce qui est le cas dans tous les énoncés d'exercices sauf indication contraire), uniquement de l'eau H2et du dioxyde de carbone CO2.

Une combustion est une transformation chimique entre un combustible et un comburant :

Le combustible est une substance capable de brûler (dite réductrice) comme le dihydrogène, carbone et la plupart des substances organiques (alcools, alcanes, alcènes, alcyne...)

Le comburant est une substance dite oxydante capable de "faire bruler" le combustible, il s'agit en général du dioxygène de l'air mais il peut s'agir d'autres substances comme par exemple le difluor.

Les produits de combustions

La combustion d'une espèce chimique organique dans le dioxygène produit toujours :

  • De l'eau, par combinaison des atome d'oxygène du dioxygène et des atomes d'hydrogène présent dans tous les composés organiques.
  • Du dioxyde de carbone (si la quantité de dioxygène disponible est suffisante et que la combustion est dite complète) ou du monoxyde de carbone (si la combustion est incomplète) par combinaison des oxygène de O2
  • Et du carbone présent dans les composés organique
    des oxydes d'azote si le combustible contient de l'azote, des oxydes de soufre si le combustible contient du soufre, etc

Aspect énergétique des combustions

Les combustions sont des transformations fortement exothermiques, elles s'accompagnent d'une libération d'énergie thermique et lumineuse qui donnent naissance au phénomène de flamme, cette dernière est constituée des gaz de combustion qui sous l'effet de l'énergie thermique reçue émettent de la lumière.

Supplément

Nous allons voir ici comment il faut procéder pour équilibrer une équation (c'est à dire à trouver les coefficients stœchiométriques des réactifs et des produits). On cherche ainsi à écrire que ce qui est à gauche de la flèche de réaction est égal à ce qui est à droite (principe de conservation de la matière). Dans l'ordre, on équilibre d'abord les atomes de carbone, puis les atomes d'hydrogène et enfin les atomes d'oxygène (cette méthodologie est générale pour équilibrer n'importe quelle réaction et elle évite les erreurs lors de réactions plus compliquées à équilibrer)

Essayez de faire attention à ne pas tourner en rond lorsque vous mettez des indices et veillez aussi à ce que ces indices soit les plus petits entiers possibles !

Les dangers de la combustion

Ces intoxications ont souvent lieu l'hiver. Elles sont dues à un mauvais fonctionnement des appareils de chauffage ou à une mauvaise aération. En effet, si un local est trop hermétiquement fermé pour éviter que l'air froid ne rentre, le dioxygène consommé par les combustions n'est pas remplacé. On s'expose alors à deux risques : La quantité de dioxygène dans l'air étant trop faible, les poumons ne peuvent oxygéner suffisamment le sang et donc le cerveau. Ceci peut entraîner une perte de connaissance, voire la mort. La quantité de monoxyde de carbone dans l'air augmente, entraînant une intoxication rapide. Pour supprimer ces deux risques, il faut donc aérer les lieux où sont réalisées des combustions et faire vérifier régulièrement les appareils fonctionnant au gaz.

Les explosions

Comment faire exploser une bouteille de gaz ?
L'un des principaux risque de la combustion, après l'intoxication est le risque d'explosion.

Dans un brûleur de cuisinière fonctionnant au gaz, la réaction de combustion est contrôlée car le butane et le dioxygène de l'air réagissent au fur et à mesure qu'ils se mélangent. La combustion consomme de petites quantités de réactifs. Les explosions arrivent quand de grandes quantités de réactifs sont mélangées, à la suite d'une fuite de gaz par exemple. Au contact d'une source de chaleur comme une étincelle, la réaction de combustion démarre et dégage instantanément beaucoup de chaleur, tous les gaz présents se dilatent en produisant le bruit et le souffle de l'explosion.

Les appareils susceptibles de créer du monoxyde de carbone

Tous les appareils dans lesquels se produisent une combustion incomplète peuvent produire du monoxyde de carbone. Cette réaction peut avoir lieu quel que soit le combustible. Cela peut être :

  • Du pétrole ;
  • Du bois ;
  • De l'essence ;
  • Du fioul ;
  • Du gaz (butane, propane ou autre) ;
  • Du charbon ;
  • Du gasoil.

Le dégagement de monoxyde de carbone peut avoir lieu pour plusieurs raisons. Il peut s'agir de l'évacuation des fumées qui est mauvaise et donc ces dernières refoulent dans la pièce et se retrouvent dans l'air respiré ou alors il peut s'agir d'un manque d'entretient des appareils de chauffage. En effet, ces derniers s'ils ne sont pas régulièrement entretenus peuvent ne pas laisser passer les bonnes quantités d'air ou de combustible et donc causer des combustions incomplètes, génératrices de monoxyde de carbone. Pour finir, le non respect des conditions d'utilisation des appareils peut être la cause d'une intoxication au monoxyde de carbone. Il ne faut jamais utiliser un appareil destiné à chauffer à l'extérieur (chauffage au fioul par exemple) dans un espace confiné ou à l'intérieur. Ces derniers ont été conçus pour fonctionner avec la ventilation naturelle de l'air extérieur. Une fois privé de ce dernier, ils peuvent alors fumer et causer des vapeurs nocives.

Les symptômes de l'intoxication et comment s'en protéger

Lorsque l'on est victime d'une intoxication au monoxyde de carbone, on peut ressentir certains symptômes. Cependant, c'est qu'il est déjà trop tard et que le gaz toxique a déjà pénétré dans notre organisme. Voici les symptômes que l'on peut être amenés à ressentir lors d'une intoxication au monoxyde de carbone :

  • Maux de tête ;
  • Propos incohérents ;
  • Fatigue soudaine ;
  • Nausées ;
  • Vertiges ;
  •  Malaises ;
  • Asthénie.

Dans les cas d'intoxication les plus graves, la personne peut aller jusqu'à se retrouver dans le coma et décéder. Afin de se protéger des intoxications au monoxyde de carbone, divers solutions existent. On peut par exemple s'équiper d'un détecteur de monoxyde de carbone. Ce dernier vous avertira de la présence de monoxyde de carbone dans l'air, comme le ferait un détecteur de fumée avec un départ de feu. Des bonnes pratiques existent aussi concernant vos appareils de chauffage. Faites les réviser régulièrement et effectuez des ramonages des conduits d'évacuation des fumées. De plus, même en plein hiver, aérez bien les espaces dans lesquels fonctionnent des appareils de chauffage à combustion et n'obstruez jamais une aération d'air. Si vous suivez ces bonnes pratiques, vous diminuerez le risque d'intoxication au monoxyde de carbone. Cependant, afin de rendre l'espace encore plus sûr, équipez vos pièces avec des détecteurs de monoxyde de carbone. Faîtes les tester également à intervalles réguliers.

Le fonctionnement d'un cycle à quatre temps

Comment changer une courroie de distribution ?
Le fonctionnement d'un moteur n'est finalement pas si complexe que cela.

Fonctionnement du cycle théorique

Ce cycle est caractérisé par les quatre temps ou encore les quatre mouvements linéaires du piston suivant :

  1. Début du cycle, point mort en position haute
  2. L'admission : la soupape d'échappement est fermée tandis que la soupape d'admission est ouverte. Le piston se met en mouvement et descend ce qui permet l'aspiration et donc l'entrée dans le cylindre d'un mélange d'air et de carburant en provenance du carburateur ou encore de l'injection.
  3. La compression : la soupape d'échappement est toujours fermée et la soupape d'admission se referme. Le piston remonte provoquant la compression du mélange air-carburant.
  4. La combustion-détente : les deux soupapes restent fermées et permettent, lorsque le piston arrive au niveau du deuxième point mort en position haute, l'enflammement du mélange air-carburant, souvent grâce à l'action de la bougie d'allumage. Ainsi, la forte augmentation de pression dans le cylindre, produite grâce à la combustion du mélange d'air et de carburant, provoque une expansion des gaz qui va forcer le piston à redescendre.
  5. L'échappement : La soupape d'échappement va ensuite s'ouvrir afin de permettre l'évacuation des gaz brûlés qui seront poussés par la remontée du piston.

Fonctionnement du cycle réel

Dans la réalité, le cycle décrit précédemment ne se produit pas tel quel. En effet, on peut y trouver d'autres subtilités telles que la présence de transition et de demi-temps, encore appelés retards, entre chaque temps théorique.

Par exemple, on retrouve :

  • Dans un cycle de compression :
    • Des soupapes qui se referment après que le piston commence sa remontée.
  • Dans un cycle d'échappement :
    • Celui-ci débute avant même que le piston ne se retrouve à sa position supérieure et alors que la soupape d'admission est déjà entrouverte.
    • La soupape d'échappement se referme alors que le piston débute seulement sa descente et donc quand de l'air frais se trouve dans le cylindre.

On peut alors remarquer que l'on se trouve en réalité fasse à un cycle qui est très flexible puisqu'il est possible de jouer avec les différents temps d'ouverture des soupapes. Ainsi, chaque moteur a la possibilité de présenter des caractéristiques qui lui sont propres, notamment en termes de pollution. En effet, dans les moteurs modernes, ces paramètres sont très modulés grâce à l'électronique, permettant de les faire varier de façon continue durant le fonctionnement de celui-ci.

L'essentiel du cycle repose sur l'admission et échappement

Comment réparer un pot catalytique ?
On trouve maintenant dans les pots des métaux rares qui permettent de limiter la pollution par les gaz issus de la combustion.

Comme expliqué plus haut dans l'article, l'admission et l'échappement sont gérés grâce à l'action des soupapes même si d'autres système existent pour commander ces cycles tels que la chemise oscillante ou encore les disques de distribution.

Le fonctionnement du moteur atmosphérique

Dans ce type de moteur, l'admission d'air se fait, comme le nom le laisse entendre, à pression ambiante et donc à environ un bar. Cette admission tentera alors de remplir le vide dans le cylindre provoqué lors de la phase d'échappement.

Bien que des pertes de charge permettent de limiter le remplissage du cylindre, il reste possible, du fait de la dynamique des fluides, que le remplissage du cylindre dépasse la pression atmosphérique et cela sans aucune intervention externe.

Le fonctionnement du moteur à essence

Avec ce type de moteur, le volume d'air qui va entrer dans le cylindre sera contrôlé et on y ajoutera une quantité d'essence définie afin d'obtenir un mélange air-essence idéal. De ce fait, lorsque le moteur tourne à faible régime, on peut remarquer une restriction importante dans le but que le moteur se comporte comme une pompe à vide. De ce fait, plus la cylindrée du moteur est importante, plus la perte d'énergie, nécessaire au fonctionnement de cette pompe à vide, sera importante pour un même régime moteur.

Le fonctionnement du moteur diesel

Ce moteur est bien différent des autre puisque le cylindre de ce type de moteur sera toujours rempli au maximum alors qu'il n'y a aucun contrôle du volume d'air entrant. En effet, ce contrôle de volume d'air ne se fait qu'à l'injection où un quantité de carburant y sera injecté afin d'atteindre la puissance souhaitée. Contrairement au moteur à essence, ce moteur ne se comporte beaucoup moins comme une pompe à vide, permettant alors d'obtenir un rendement plus intéressant lorsque le moteur ne se trouve pas à pleine charge.

Puisqu'un moteur à quatre temps exécute son cycle avec deux tours de vilebrequin, il est évident qu'un moteur de un litre ne pourra aspirer au maximum qu'un demi-litre par tour de vilebrequin, alors qu'un moteur à deux temps de un litre de cylindrée aspirera un litre d'air par tour. On retrouvera alors un potentiel, pour une même cylindrée, d'une puissance plus importante.

Le fonctionnement du moteur suralimenté

Lorsqu'un moteur est suralimenté, il ne fonctionne pas à la pression atmosphérique. En effet, un système de sur-alimentation tel qu'un turbo ou un compresseur volumétrique aura pour rôle de gaver le moteur avec un volume d'air équivalent nettement plus important que la cylindrée du moteur.

Grossièrement, on peut comprendre que le but est de faire croire au moteur qu'il est plus gros et plus puissant qu'il ne l'est réellement. De ce fait, si on gave un moteur avec une pression de suralimentation d'environ un bar -donc avec une pression totale d'air dans le cylindre de deux bars soit le double de la pression atmosphérique. On se retrouve alors avec une puissance potentielle qui sera de ce fait deux fois plus élevée même si d'autres facteurs peuvent influencer la puissance du moteur.

La naissance des moteurs à combustion

Lorsque les premiers moteurs à combustion ont vu le jour, l'admission était à tord négligée avec de petites soupapes qui pouvaient même parfois être activée grâce à la dépression produite à l'intérieur du cylindre. Les soupapes d'échappement, quant à elles, étaient nettement plus grande puisqu'on pensait pouvoir compenser l'expansion de l'air provoquée par la combustion du mélange air-carburant.

Heureusement, ces idées ont rapidement changés et on trouve aujourd'hui des soupapes d'admission plus grandes que les soupapes d'échappement.

Le moteur à quatre temps : liste des avantages et des inconvénients d'un tel cycle

Si on se trouve dans le cas d'une admission de carburant avec air, donc avec carburateur ou encore avec une injection directe, on obtient alors un cycle à quatre temps qui possédera un rendement plus intéressant que celui d'un cycle à deux temps même si, à cylindrée égale, la puissance sera moins importante.

Egalement, un moteur à quatre temps demande une distribution complexe avec des soupapes et des arbres à cames, donc plus complexe qu'un moteur à deux temps.

De plus, sur les quatre temps qui constituent le cycle de Beau de Rochas, il n'y a qu'un seul temps qui se trouve être moteur : celui qui suit la combustion. En effet, on se trouvera dans le cas d'un piston qui fournira une énergie mécanique une fois tous les deux tours. On peut alors remarquer des irrégularités en ce qui concerne le couple du moteur.

Il existe un autre inconvénient aux moteurs à quatre temps : ils sont coûteux à réparer. En effet, à cause du nombre important de pièce nécessaire au bon fonctionnement du cycle, les coûts sont plus élevés que dans le cas d'un moteur à deux temps alors que ceux-ci, puisqu'ils possèdent une admission directe de carburant dans le cylindre, présentent alors des gain mécaniques au cycle qui apportent donc un meilleur rendement du fait qu'il n'y ait pas de perte de carburant dans l'échappement. Cependant, les émission de polluants resteront nettement plus importante que dans le cas d'un moteur à deux temps.

Exercice : Analyse mécanique et thermique des gaz

On adopte le modèle de moteur Diesel suivant : une même quantité d’un gaz parfait de coefficient isentropique  γ = 1,4 décrit de manière quasi-statique et mécaniquement réversible un cycle ABCD (cycle d’Otto) : les évolutions AB et CD sont adiabatiques réversibles ; l’évolution BC modélise la phase de combustion provoquée par l’inflammation spontanée du mélange par une évolution isobare au cours de laquelle le gaz reçoit un transfert thermique Qc en provenance d’une source chaude fictive ; l’évolution DA est modélisée par une évolution isochore au contact de l’atmosphère jouant le rôle de source froide. Le tableau ci-après résume les données concernant les différents états du gaz.

 ABCD
Pression en Bar1,00
Température en Kelvin323954
Volume en Litre2,400,242,40
  1. Compléter le tableau en déterminant les volumes, températures et pressions des états A, B, C et D. Tracer l’allure du cycle décrit dans un diagramme de Clapeyron. Calculer le nombre de moles de gaz qui évolue et les capacités thermiques à volume constant e à pression constante.
  2. Calculer les travaux et les transferts thermiques reçus par le gaz au cours de chacune des évolutions AB, BC, CD et DA. Définir le rendement r du moteur Diesel, le calculer et le comparer à celui d’un moteur de Carnot fonctionnant entre deux sources de températures égales à TA et TC.
  3. On suppose désormais que le gaz décrit le cycle de Beau de Rochas AB’CD : les point A, C et D ont été déterminés à la question 1 ; l’évolution AB’ est adiabatique et réversible ; l’évolution B’C est isochore. Calculer la température TB’, les travaux et les transferts thermiques reçus par le gaz au cours des évolutions AB’ et  B’C et le rendement r’ du moteur ; conclure sur l’intérêt du moteur Diesel.
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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.