Moteur alternatif - Reciprocating engine

Moteur à piston à combustion interne
Composants d'un moteur à piston à essence à combustion interne typique à cycle à quatre temps .
  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
  7. W. Chemise d'eau pour l'écoulement du liquide de refroidissement
  8. V. Vannes

Un moteur alternatif , également souvent appelé moteur à pistons , est généralement un moteur thermique (bien qu'il existe également des moteurs alternatifs pneumatiques et hydrauliques ) qui utilise un ou plusieurs pistons alternatifs pour convertir la pression en un mouvement de rotation . Cet article décrit les caractéristiques communes de tous les types. Les principaux types sont : le moteur à combustion interne , largement utilisé dans les véhicules à moteur ; 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 un moteur à allumage commandé (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 .

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 ( moteur à vapeur par exemple ), soit chauffé 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 vers le bas du cylindre. Cette position est également connue sous le nom de point mort bas (BDC), ou où le piston forme le plus grand volume dans le cylindre. Le piston est ramené au sommet du cylindre ( Top Dead Center ) (PMH) par un volant d'inertie , la puissance provenant 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 dans le cylindre. Dans la plupart des types , les gaz expansés ou « épuisés » sont retirés 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 PMH et le PMB, ou la plus grande distance que le piston peut parcourir dans une direction.

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

Moteur à piston à vapeur
Schéma étiqueté d'un moteur à vapeur haute pression monocylindre, simple expansion et 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 vanne excentrique
  7. Volant
  8. Vanne coulissante
  9. Gouverneur centrifuge

Dans la plupart des types, le mouvement linéaire du piston est converti en un mouvement de rotation 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 vibrations (en douceur). La puissance d'un moteur alternatif est proportionnelle au volume de la cylindrée combinée des pistons.

Un joint doit être réalisé entre le piston coulissant et les parois du cylindre afin que le gaz haute pression au-dessus du piston ne s'échappe pas et ne réduise pas l'efficacité du moteur. Cette étanchéité est généralement assurée par un ou plusieurs segments de piston . Il s'agit de bagues en métal dur qui sont montées dans une rainure circulaire dans la tête de piston. Les bagues s'insèrent 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 de tels moteurs par le nombre et l'alignement des cylindres et le volume total de déplacement de gaz par les pistons se déplaçant dans les cylindres habituellement mesurés 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 et deux cylindres sont courantes dans les véhicules plus petits 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 moteurs de modèles réduits jusqu'à des milliers de litres dans les moteurs de navires.

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 la course à l'intérieur du cylindre, ou « course ». Si celui-ci est autour de 1 le moteur est dit "carré", s'il est supérieur à 1, c'est-à-dire que l'alésage est plus grand que la course, il est "surcarré". S'il est inférieur à 1, c'est-à-dire que la course est plus grande que l'alésage, c'est « undersquare ».

Les cylindres peuvent être alignés en ligne , dans une configuration en V , horizontalement opposés les uns aux autres, 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 piston Stirling Rhombic Drive - Beta Stirling Engine Design, montrant le deuxième piston de déplacement (vert) à l'intérieur du cylindre, qui dérive le gaz de travail entre les extrémités chaude et froide, mais ne produit aucune puissance lui-même.
  1.   Paroi du cylindre chaud
  2.   Paroi du cylindre froid
  1.   piston plongeur
  2.   Piston de puissance
  3.   Volants

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 dans le 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 la vanne à piston ou la vanne à clapet . Dans les moteurs à vapeur, le point du cycle du piston auquel la soupape d'admission de vapeur se ferme s'appelle 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 par une séquence de courses qui admettent et éliminent les gaz vers et depuis le cylindre. Ces opérations sont répétées cycliquement et un moteur est dit à 2 temps , 4 temps ou 6 temps selon le nombre de coups qu'il faut pour terminer un cycle.

Dans certains moteurs à vapeur, les cylindres peuvent être de taille variable, le cylindre le plus petit fonctionnant à la vapeur la plus haute pression. Celui-ci est ensuite introduit successivement dans un ou plusieurs cylindres à alésage de plus en plus gros, pour extraire de la puissance de la vapeur à des pressions de plus en plus basses. Ces moteurs sont appelés moteurs composés .

En plus d'examiner 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 de moteurs alternatifs de même taille. La pression effective moyenne est la pression fictive qui produirait la même quantité de travail net qui a été produite pendant le cycle de course de puissance. Ceci est montré par :

où est la surface totale du piston du moteur, est la longueur de course des pistons et est le volume de déplacement total du moteur. Par conséquent:

Quel que soit le moteur avec la plus grande valeur de MEP, produit plus de travail net par cycle et fonctionne plus efficacement.

Histoire

Un premier exemple connu de mouvement rotatif à alternatif est le mécanisme à manivelle . Les premières manivelles manuelles sont apparues en Chine pendant la dynastie Han (202 avant JC-220 après JC). Les Chinois utilisaient la manivelle et la bielle pour faire fonctionner les querns dès la dynastie des Han occidentaux (202 avant JC - 9 après JC). Finalement, des bielles 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 machines à bobiner la soie, les rouets à pédales et les soufflets de four entraînés par des chevaux ou des roues hydrauliques. Plusieurs scieries d' Asie romaine et de Syrie byzantine au cours des IIIe et VIe siècles de notre ère possédaient un mécanisme à manivelle et à bielle qui convertissait le mouvement rotatif d'une roue hydraulique en mouvement linéaire de lames de scie. En 1206, l'ingénieur arabe Al-Jazari inventa un vilebrequin .

Le moteur alternatif s'est développé en Europe au XVIIIe siècle, d'abord comme moteur atmosphérique puis plus tard comme moteur 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 alternatif notable de l'ère de la Seconde Guerre mondiale était le moteur radial Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major 28 cylindres, 3 500  ch (2 600 kW) . Il a propulsé la dernière génération de gros avions 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 (4 360 cu in) et un rapport poids/puissance 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 pi), 27 m (89 pi) de long et pèse plus de 2 300 tonnes métriques (2 500 tonnes courtes) dans sa plus grande version à 14 cylindres produisant plus de 84,42 MW (114 800 ch). Chaque cylindre a une capacité de 1 820 L (64 pi), soit une capacité totale de 25 480 L (900 pi) 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 alternatifs), bien que la puissance et la consommation de carburant soient affectées par de nombreux facteurs en dehors de la cylindrée du moteur.

Puissance

Les moteurs alternatifs peuvent être caractérisés par leur puissance spécifique , qui est généralement exprimée en kilowatts par litre de cylindrée du moteur (aux États-Unis également en chevaux-vapeur par pouce cube). Le résultat offre une approximation de la puissance de crête 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 inférieure. Un moteur de voiture moderne à hautes performances produit plus de 75 kW/L (1,65 ch/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, par exemple pour entraîner de nombreuses torpilles modernes ou comme force motrice sans pollution. 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.

Les torpilles peuvent utiliser un gaz de travail produit par du peroxyde d'essai élevé ou du combustible Otto II , qui se met sous pression 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 s'écoule 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. 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 et pourrait avoir des applications en nanotechnologie .

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 :

Voir également

Remarques

Liens externes