Introduction

Le cycle de Beau de Rochas, encore appelé cycle à quatre temps ou cycle d'Otto, représente un cycle thermodynamique théorique. Il 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.

Un peu d'histoire

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 oeuvre 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.

Comment réparer un joint de culasse ? Il est possible d'observer sur cette photo le vilebrequin.
Êtes-vous capable d'expliquer son fonctionnement et son rôle dans un moteur à quatre temps ?

Principe du cycle à quatre temps

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.

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.

Admission et échappement : l'essentiel du cycle

Comment économiser du carburant ? La Twingo est un véhicule possédant un moteur essence. Selon vous, à cylindrée équivalente, peut-elle être compétitive par rapport à un véhicule équipé d'un moteur diesel ?

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 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 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 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 cylindreé, d'une puissance plus importante.

Le 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.

Le début 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.

Comment réparer un turbo ? Êtes-vous maintenant capable d'indiquer la quantité d'air aspirée par tour de vilebrequin dans le cas d'une Citroën C4 avec un moteur diesel 1,6L 92 CV équipée d'un turbo et donc d'une suralimentation ?
On va donc se retrouver dans ce cas avec un véhicule plus performant dans les bas régimes.

Les avantages mais aussi les inconvénients des moteurs à cycle de Beau de Rochas

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 : Cycle d'un moteur à combustion

Le cycle Beau de Rochas modélise le cycle d'un moteur à combustion.

Il s'agit d'un cycle pour un gaz parfait, composé de deux isochores et deux adiabatiques quasistatiques.

  1. Représenter le cycle en coordonnées de Clapeyron.
  2. Dans quel sens est décrit ce cycle ?
  3. Calculer le rendement du cycle en fonction du rapport volumétrique  α = Vmax/Vmin et γ coefficient isentropique.
  4. Le cycle est-il réversible ?

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (Aucun vote)
Loading...

Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide