Nature Humaine (amocalypse)
Théorie>Automobile>Moteur
Première version: 31/12/2000
Dernière version: 2019-01-21
Une des caractéristiques importantes des moteurs ou de toute forme de transformation d'énergie, c'est le rendement, exprimant l'efficacité de cette transformation.
Cette page est un peu en vrac, j'y jette dedans des pensées mais jamais eu le temps de mettre en forme ou d'y réfléchir dessus.
Sommaire de la page
Nous avons vu dans la page du rendement qu'une grosse partie de l'énergie mise dans le moteur ne va pas dans les roues.
Mais où va l'énergie perdue? Celle qui nous empêche d'approcher du
rendement de 50%:
- Une partie dans le fait que toute l'énergie chimique n'est pas transformée
(combustion non parfaite (conditions de température et de pression mal
respectées, pas le temps de tout brûler, extinction du front de flamme quand
il rencontre les parois "froides" du cylindre (environ 200°C pour que l'huile
ne soit pas brulée), etc.) entraînant la présence d'essence imbrulée dans
le pot d'échappement, polluants, qui sont relâchés dans l'atmosphère. Les
pertes dans la combustion incomplète sont prises en compte dans le rendement
de combustion.
Le rendement de combustion est voisin de 1 en mélange pauvre (énergie
libérée par l'explosion divisée par l'énergie contenue dans le
combustible). Sur cette énergie, seulement la moitié est transformée en
énergie mécanique dans le cycle de Beau de Rochas.
- Une partie de la chaleur de la combustion est évacuée par le
refroidissement du moteur, sans lequel les matériaux employés pour fabriquer
le piston, le cylindre, la culasse et les têtes de soupapes fondraient sous la
chaleur de 2500 °C provoquée par l'explosion au PMH. Cette chaleur en moins
se traduit par une baisse de la pression qui fait bouger le cylindre.
- Il y a beaucoup de pièces en mouvement, ce qui se traduit par des
frottements dispersant des calories sous forme de chaleur et générant des
forces s'opposant au mouvement.
- 40% de l'énergie de l'explosion est dissipée dans l'échappement (à la fin
de la détente, la pression dans le cylindre est encore de 5 bars, et la
chaleur des gaz d'échappement est à 800-900°C).
Si un moteur à un rendement de 30% (rendement = puissance transmise à la boite de vitesse / puissance apportée par le carburant), cela signifie que sur une consommation de 10 litres, seuls 3 litres sont réellement utilisés pour faire avancer la voiture, les 7 litres restants servant uniquement à "chauffer l'atmosphère ". A noter que sur les 30% d'énergie transformée, 25% est ensuite perdue dans la boite de vitesse, les transmissions, le frottement route/pneu et la résistance à l'avancement de l'air.
Attention, cette page sur le rendement s'oppose à celle sur le couple & puissance. En effet, en règle général l'augmentation du travail spécifique (énergie récupérée par cm3 de cylindrée) se traduit par une baisse du rendement. Suivant ce que l'on recherche, un moteur est souvent un compromis entre les deux notions.
Il reste du blabla à mettre avant d'arriver à rendement global = rendement de combustion * rendement du moteur à explosion * rendement de transmission.
Si l'on considère le rendement sur toute la filière, il faut faire le rendement d'un litre d'essence = 0,0xx de l'énergie contenue dans un litre de pétrole * 0,80? de transport ...
Axes de réflexion:
Quand on regarde l'avance à l'allumage sur un graphe pression-volume, on voit que ça limite l'aire de la courbe, donc le rendement (voir le pavé du marathon shell, partie memento Bosch).
Chercher si le fait d'avancer l'allumage n'a pas le même effet que d'augmenter le taux de compression, ce qui revient à avoir un mélange à exploser dans de meilleures conditions de chaleur et de pression. Vérifier dans quelle mesure ce phénomène intervient par rapport au fait de la vitesse de combustion.
Une puissance est un travail fourni par unité de temps. Donc en une seconde, le moteur arrive à délivrer 20 kJ. Un couple c'est le nombre de joules nécessaires pour faire tourner le moteur de 1 radians. Si on tourne à 20 radians /secondes, on doit donc fournir le couple multiplié par 20, le nombre de radians, pour avoir la puissance.
Pourquoi peut-on enclencher la quatrième à 60km/h et pas démarrer
avec?
C'est comme en vélo. Quand on met un grand plateau, les muscles forcent. Ces
forces se retrouvent tout le long du système de transmission, engendrant des
efforts néfastes à la longévité de la chaîne.
Pour une voiture, c'est pareil. A faible vitesse avec des efforts demandés
(soit parce que la voiture monte une côte, soit parce que l'on veut
accélérer rapidement depuis une vitesse trop basse pour le rapport de boite
enclenché) il se produit des efforts très importants au niveau de la chaîne
cinématique de transmission de la puissance.
Quelques réflexions sur la puissance: Si pour avancer on a besoin de fournir 10 J par secondes, soit on les fournit d'un coup sur un tour en une seconde, soit on en fournit que 5 J par tour, ce qui nous oblige à donner 2 tour par seconde. C'est pourquoi, pour une même puissance libérée par l'explosion, si l'on augmente le régime, on augmente l'énergie injectée à la voiture pour une seconde, donc la puissance. Par contre, si on diminue l'énergie part explosion (petite cylindrée), il nous faut tourner à des hauts régimes pour avoir une même puissance. Théoriquement, la consommation d'essence est la même à 2000 tr et à 6000tr/min si l'effort fournit est identique. C'est une quantité d'énergie libérée qu'il fautr regarder. Les hauts régimes entraînent une augmentation des frottements, un étranglement de l'air admis, et une usure du moteur.
Jusqu'au couple optimal, c'est l'augmentation de l'air introduit dans le cylindre qui augmente la puissance. Au régime de remplissage max, l'air admis est optimal, on ne peut plus en rentrer plus. C'est l'augmentation de régime qui permet à la puissance de monter, bien que le couple (énergie libérée par l'explosion) continue à rester constant (air maxi dans cylindre. Mais je ne sais toujours pas pourquoi le régime continue d'augmenter au delà de 4000 tr/min, quand on ouvre en grand le papillon.
J'ai lu dans un manuel du mécanicien automobile, de 1928, que plus on
augmentait le nombre de cylindre, plus le rendement augmentait. Comme ce n'est
pas expliqué pourquoi, je ne peux faire que des théories sur cette
affirmation. Comme le nombre d'explosions par tour est réduit, pour augmenter
la puissance il faut soit augmenter la force d'une explosion unitaire (taux de
compression supérieur, turbo, ou cylindrée supérieure), ce qui risque de
diminuer le rendement de l'explosion, soit augmenter le régime du moteur
(frottements plus importants). Je pense aussi que peuvent y jouer les pertes de
conversion de l'énergie chimique en énergie inertielle mise dans le volant
moteur, car contrairement à un 4 cylindres, où il y a tout le temps un temps
moteur pour faire tourner l'ensemble, dans le moteur de la deuche il y a une
moitié de tour moteur où aucune explosion n'est disponible pour continuer à
faire tourner le vilebrequin. Il faut donc emmagasiner de l'énergie dans le
volant moteur, plus lourd qu'un 4 cylindre, lors de la phase d'explosion, pour
que cette énergie soit ensuite restituée lors de la phase de compression du
cylindre en face. Je pense que cette conversion d'énergie n'est pas gratuite
(transfert dans le volant, puis ensuite retransfert dans la roue).
Une autre chose peut y jouer, le fait que pour obtenir la suralimentation
naturelle, comme il y a un temps entier où il n'y a pas d'explosion, les
tubulures d'admission doivent être deux fois plus longues pour que la pression
arrive sur le cylindre en face lorsqu'il ouvre sa soupapes d'admission, ce qui
entraîne des pertes de charges deux fois plus importantes.
une fois mis en forme, mettre ce qui est en dessous dans le site.
Le moteur n'est à son fonctionnement optimal que sur une plage de régime restreinte. La boite de vitesse ne permet qu'une seule vitesse. Si on veut une large utilisation optimale du moteur, il faut soit employer un variateur (la démultiplication varie en fonction de la vitesse mais le régime moteur reste le même, soit un moteur à configuration variable, qui permet de faire varier le régime moteur en fonction de la vitesse alors que la démultiplication reste la même.
Au niveau du moteur, la puissance est régulée par le taux de remplissage
(accroissement de la vitesse de propagation de la flamme si le remplissage est
supérieur). Le remplissage meilleur augmente le rendement.
Le taux de remplissage est la quantité de mélange introduite dans le cylindre
en fonction de la quantité qui peut se trouver à l'intérieur pour une
température de 20°C et une pression de 1bar. On divise donc la masse du
mélange qui se trouve réellement dans le cylindre par celle que l'on devrait
avoir en théorie. Un turbo nous permet d'avoir un taux de remplissage
supérieur à 1, et une admission où les pertes de charges sont trop
importantes nous donne un taux de remplissage inférieur à 1. Sur le moteur de
la deuche, il est possible de dépasser un taux de remplissage de 1, via le
biais de la suralimentation naturelle. Malheureusement, cela ne peut être
programmé qu'à un régime moteur donné.
Il y a beaucoup de pertes de charge au niveau du papillon d'admission. Une
idée est de piloter la soupape d'admission pour ne l'ouvrir qu'un certain
moment de la descente, afin de contrôler la quantité du mélange admis, donc
la charge (les admissions variables des mobylettes Peugeot de 1902, les
admissions variables par décalage de l'arbre à cames ou les soupape
électromagnétique prévue pour 2002 et qui finalement est sortie en 2009 sur
la fiat multiair). La perte d'énergie due à la dépression lorsque le piston
et que la soupape reste fermée est rattrapée lors de l'aspiration facilitée
des gaz frais et de la remontée du piston pour comprimer le mélange.
Pourquoi cette solution augmente le rendement de l'aspiration? Dans le
papillon, il y a de l'air en mouvement, devant passé dans une faible section,
il frotte et s'échauffe, augmentant son entropie (pertes non récupérables
par la suite en travail). Dans le cas de la soupape, il y a juste une
dépression s'exerçant sur le piston, et s'opposant au mouvement, mais il n'y
a pas augmentation de l'entropie, car lors du passage des gaz la soupape est
largement ouverte, diminuant les pertes de charge. Enfin, le gain ne doit quand
même pas être énorme.
On peut aussi fonctionner en mélange stratifié, à savoir que si le mélange est trop pauvre l'essence ne s'enflamme pas. Si l'on s'arrange pour avoir de l'air uniquement de partout dans le cylindre, sauf autour de la bougie où l'on aura un mélange stoechiométrique, cela permet de n'avoir que l'énergie souhaitée libérée par l'explosion (en fonction de la charge demandée) sans utiliser de limitation de l'air en entrée.
L'avance à l'allumage nous permet de régler le rendement.
Le rendement augmente avec le taux de compression (appelé aussi rapport
volumétrique). Le taux de compression nous permet de diminuer la consommation
et d'augmenter le couple. Par contre, il accroit l'apparition du cliquetis,
donc capteur de cliquetis afin que le calculateur modifie les paramètres
d'apparition du cliquetis (la richesse et l'avance principalement) . Le
rendement augmenté par le taux de compression s'explique sur le diagramme PV,
il augmente l'aire de la courbe en augmentant le pic de pression lors de
l'explosion. Ce paramètre est bridé pour des raisons mécaniques (auto
inflammation ou cliquetis, résistance des pièces aux fortes pressions,
étanchéité des assemblages (bougies, joint de culasse, soupapes et leur
siège, ...), bielles et attelages mobiles supportant plus d'efforts, etc..)
Il faut savoir que le retard à l'allumage diminue le rendement (dans le sens
ou tout le mélange n'a pas le temps de brûler lorsque les conditions sont
encore bonnes, je pense), mais permet une marge de sécurité vis à vis du
cliquetis. en réduisant cette marge, il faut utiliser le capteur de
cliquetis.
Le fonctionnement en régime pauvre augmente le rendement en vitesse de croisière, en fonctionnement riche augmente les polluants mais augmente la puissance en phase d'accélération.
Quand on augmente le régime moteur, il y a augmentation des frottements et
baisse du remplissage par étranglement, ce qui fait que le couple chute. La
puissance continue à monter par l'effet de la vitesse angulaire qui augmente.
La puissance dissipée par frottement évolue avec le cube de la vitesse.
Au delà du régime de couple maxi, seule l'enrichissement progressif du
mélange (étranglement de la veine d'air, mais comme sa vitesse augmente dans
le passage du venturi la quantité d'essence aspirée est de plus en plus
importante, alors que l'air aspiré diminue) permet l'augmentation de régime.
D'où l'accroissement considérable sur ces plages de régime de la
consommation d'essence.
La consommation diminue avec le régime moteur. Il faut donc, à une vitesse donnée, avoir le régime de rotation le plus bas possible (sans faire forcer le moteur). Mais le couple chute d'une part parce que le calage de distribution est prévu pour un régime intermédiaire, d'autre part du fait des pertes thermiques par effet paroi qui sont plus importantes, les temps d'absorption à haute température (après explosion ) qui sont plus long, donc essayer de ne pas libérer toute l'énergie d'un coup, et utiliser des matériaux à plus faible coeff de conductivité thermique. Accroissement des fuites à la segmentation (fuites de gaz entre piston et cylindre, due au fait que les segments ne se touchent pas à leur extrémité. En les tierçant (décalage des extrémités des trois segments de 120°), on obtient juste une augmentation de la longueur du chemin pour rejoindre le carter d'huile). Le fait que la jonction cylindre / carter possède un petit passage très étroit, il y aura plus de fuites si l'écoulement à plus de temps pour se faire quand la pression dans le cylindre est élevée.
On remarque également que la consommation minimum est obtenue au couple maximum (3 000 tr/min, pleine charge) c'est à dire au point de meilleur remplissage (rendement de cycle max.).
Pour augmenter la vitesse de combustion en régime pauvre, il faut augmenter la turbulence.
Si l'on fait passer le flux de carburant dans un fort champ magnétique, on ionise ce carburant, ce qui facilite la combustion du mélange, donc augmente le rendement.
Le rendement du cycle (on s'approche du cycle thermodynamique du cycle de Rochas) augmente quand le remplissage augmente. Parce que les pertes d'admission (poche négative sous la courbe du diagramme PV) diminuent.
Le rendement mécanique diminue avec le régime de rotation qui augmente (frottements au cube du régime).
une bougie placée au centre de la chambre de combustion autorise une combustion plus rapide et plus complète, et permet en outre d'augmenter le rapport volumétrique. Gain supplémentaire en performances mais aussi en rendement thermodynamique théorique et donc en consommation.
La suralimentation par compresseur permet de trouver la puissance par le couple, une culasse multisoupape, en repoussant le régime d'affolement (les soupapes sont plus petites donc plus légères) permet de trouver la puissance par le régime.
Si l'on fait un mélange trop pauvre, il y a une valeur en dessous de laquelle le fonctionnement deviendras instable, car la combustion sera mauvaise. Cette valeur peut-être diminuée en travaillant sur l'aérodynamisme interne.
Je suis contre la puissance par le régime, car cela augmente la consommation ainsi que l'usure du moteur. C'est aller vers la solution de facilité. Je préfère la puissance par le couple, comme l'on fait les ex ingénieurs de Simca à Poissy avec la Samba (puissance max à 4800 tr/min, couple max à 2800 tr/min). Mais en fait c'est pas si con que ca d'augmenter le régime pour en tirer de la puissance. Peut-être que les pertes de la deuche s'explique par la chemise en fonte de même que le piston, ainsi que les tolérances de fabrications supérieures.
Nous avons vu précédemment que la puissance P s'exprime comme le produit du couple C par le régime de rotation N, ou encore en introduisant la cylindrée Cg et la pression moyenne effective PME: P=K . Cg . PME . N avec : K: coefficient de proportionnalité On pourra donc augmenter la puissance d'un moteur en augmentant l'un de ces trois facteurs.
On a vu dans les turbomachines que le travail spécifique qui augmente
entraîne une baisse du rendement. Pour augmenter le rendement, il faut donc
augmenter le débit, donc augmenter la taille de la machine pour une même
machine.
Si l'on prend la puissance DIN des derniers 602, cela nous donne une puissance
spécifique de 50 ch/l(29*(1/0.602)=48.17). Si l'on se base sur la samba, 50 cv
DIN pour 1124 cm3, cela nous donne 50*(1-1.124)=44.48 ch/l de cylindrée.
La deuche à donc un grand travail spécifique (à l'époque, les plus sportives atteignaient 60ch/l). Donc, si l'on prend un moteur de Visa, et que l'on reste à 30 ch DIN, l'on obtient 46 ch/l. On est encore au dessus de la samba. j'avais lu quelque part que la cylindrée unitaire idéale était supérieure à 350 cm3. Ce qui nous donnerait pour la deuche une cylindrée de 702 cm3. Ce qui donnerait, pour avoir une puissance de même rapport que celle de la samba, c'est à dire 44,5 => puissance de 0.702*44.5=31.24 ch DIN. Il faudrait donc avoir un moteur de 700 cm3 de cylindrée avec une puissance de 31 ch DIN pour voir les consommations baisser. Surtout que pour une méhari, 31 ch DIN c'est déjà pas mal. De plus, l'augmentation de cylindrée fournit plus de couple à bas et moyens régimes, ce qui m'intéresse pour mon style de conduite.
A noter qu'il faudrait raisonner en puissance brute fournie par le moteur, donc une puissance SAE. Il faudrait reprendre les calculs avec les puissances SAE quand je les auraient. En effet, la consommation énergétique des moteurs n'entre pas ensuite en considération pour le calcul initial.
Pour augmenter le rendement il faut :
- optimiser la combustion
- améliorer le rendement mécanique
- augmenter la quantité de mélange introduite dans la chambre de combustion
par unité de temps, en augmentant l'efficacité du remplissage, ce qui
augmente en fait le taux de compression. Ça peur aussi être satisfait en
changeant le diagramme de l'arbre à cames.
Dans ce document :
http://www.hkw-aero.fr/pdf/rendement_voiture.pdf
on apprend que le rendement réel d'une diesel annoncée à 30% de rendement est en fait de 19%, 16 % pour une essence (les 30% pour les avoir il faudrait toujours rouler à vitesse constante de 70 km/h et moteur chaud, le problème c'est qu'il faut s'arrêter de temps en temps pour remettre de l'essence ou réparer les pannes).
Si l'on compare avec d'autres moteurs caractéristiques :
- Monocylindre 600 (Honda XL LM) de moto: AOA : 5°, RFA : 40°, AOE : 45°,
RFE : 5°.
- 1100 cm3 4 cylindres (Talbot Samba) rapport puissance/conso élevé : AOA :
2°, RFA : 23°, AOE : 36°, RFE : -11°.
- Pour un moteur avec du couple (remplissage élevé) à bas régime : AOA :
12°, RFA : 48°, AOE : 52°, RFE : 8°. croisement RFE + AOA : 20°
- Pour un moteur avec du couple (remplissage élevé) à haut régime (vocation
sportive): AOA : 30°, RFA : 72°, AOE : 72°, RFE : 30°. croisement RFE + AOA
: 60°
à suivre...