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Dpartement Arospatiale et mcanique. Laboratoire de
Thermodynamique Universit de Lige Campus du Sart-Tilman - Btiment
B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0)4 366 48 00 fax
: +32 (0)4 366 48 12 web site :
http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/
Cours de thermodynamique applique.
Laboratoires dtudiants.
Bancs dessai des moteurs combustion interne. Auteur:Bernard
GEORGES tel : +32 (0)4 366 48 18 Dernire mise jour : fvrier 2009
email :[email protected]
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Notes sur moteurs
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Table de matires.
1
INTRODUCTION.................................................................................................
4
2 RAPPEL DU PRINCIPE ET DES PERFORMANCES DU MOTEUR A
COMBUSTION...........................................................................................................
5
2.1 Performances nergtiques
gnrales...............................................................................................6
2.1.1 2.1.1 Les pertes par
refroidissement................................................................................................6
2.1.2 Les pertes
lchappement.............................................................................................................6
2.1.3 Les pertes lambiance.
.................................................................................................................7
2.1.4 Puissance
larbre..........................................................................................................................8
3 DESCRIPTION PHYSIQUE DES BANCS DESSAI MOTEUR.
......................... 8
3.1 Banc dessai du moteur essence Citron XM
injection...............................................................8
3.2 Banc dessai du moteur diesel Mercds.
......................................................................................10
4 INSTRUMENTATION DES BANCS DESSAI.
................................................. 11
4.1 Instrumentation du banc dessai du moteur
essence......................................................................11
5 INSTRUMENTATION DU BANC DESSAI DU MOTEUR DIESEL.
................. 13
6 BILANS THERMIQUES.
...................................................................................
15
6.1 Rappel des principes.
......................................................................................................................15
6.2 Dfinition et critique du choix des volumes de contrle.
................................................................15
6.2.1 Volume
simple.............................................................................................................................15
6.2.2 Volume
global..............................................................................................................................17
6.3 Choix du volume de contrle au niveau de lchappement.
...........................................................17
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Notes sur moteurs
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Table des illustrations. Figure 1:Vue en coupe d'un moteur
explosion.....................................................................
5 Figure 2:Excs d'air en fonction de la puissance du moteur diesel.
........................................ 7 Figure 3: Vue d'ensemble
du banc dessai du moteur XM injection.
................................... 8 Figure 4:Vue du frein
hydraulique du moteur
XM.................................................................
9 Figure 5: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur diesel.
................................................ 10 Figure 6: Vue
du frein hydraulique du moteur Mercds.
.................................................... 10 Figure 7:
Schma dinstrumentation du moteur essence XM injection.
............................. 11 Figure 8: Pertes de charge dans le
circuit d'admission du moteur essence injection. .......... 12
Figure 9: Pese du rservoir de carburant.
...........................................................................
12 Figure 10: Schma dinstrumentation du moteur diesel
Mercedes........................................ 13 Figure 11:
Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel.
............................ 14 Figure 12: Illustration du bilan du
refroidissement
moteur................................................... 15 Figure
13: Volume de contrle du moteur seul.
...................................................................
16 Figure 14: Volume de contrle englobant le circuit
dinjection............................................ 17 Figure
15: Mesures de temprature l'chappement.
........................................................... 18
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Notes sur moteurs
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1 Introduction.
Le principe du moteur combustion interne est de transformer de
lnergie fossile en nergie cintique utilise pour la propulsion de
vhicules, la production dlectricit ou autres utilisations. Pour
pouvoir comprendre et caractriser le fonctionnement du processus
thermique, il est ncessaire de mesurer diffrentes grandeurs
physiques avec le moins derreur possible. Le fascicule Notions de
mesures sur bancs dessais. explique pratiquement les diffrentes
mesures qui sont ralises lors des laboratoires . Pour vrifier le
niveau de prcision de ces mesures, on ralise des bilans thermiques
qui permettent dabord de vrifier que les premiers principes de la
thermodynamique sont respects, ensuite destimer la fiabilit globale
des mesures ralises. En cas de bilans errons, on peut vrifier
quelles sont les mesures incorrectes, aprs avoir toutefois vrifi
les quations utilises pour tablir les bilans.
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Notes sur moteurs
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2 Rappel du principe et des performances du moteur
combustion.
Un mlange de combustible (essence ou diesel dans notre cas) et
de comburant (oxygne de lair ambiant) est ralis dans les
proportions requises pour tre inject dans la chambre de combustion
constitue par les cylindres (cf. Figure 1).. Le mlange est
surchauff par compression des pistons et enflamm, soit par une
tincelle provenant de bougies dans le cas du moteur essence (banc
dessai du Citron XM), soit par autoallumage dans le cas du moteur
diesel (banc dessai Mercds). Lexplosion du mlange entrane le
dplacement des pistons. Un systme de bielles-manivelles transforme
le mouvement de translation des pistons en mouvement de rotation de
larbre moteur Celui-ci entrane une charge rsistante constitue par
linertie du vhicule, les diffrents frottements (par exemple lair
sur la carrosserie) et rsistances au roulement (roues sur le sol,
rotation des engrenages et autres). Dans le cas des bancs dessai,
la charge rsistante est constitue par un frein hydraulique dont le
principe est dcrit dans le fascicule sur les Notions de mesures sur
bancs dessais.
Figure 1:Vue en coupe d'un moteur explosion.
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Notes sur moteurs
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2.1 Performances nergtiques gnrales. La conversion nergtique se
ralise forcment avec des pertes ainsi que lon a vu dans le cours de
thermodynamique. On recense principalement, en rgime tabli,
1 Les pertes par refroidissement, 2 Les pertes lchappement, 3
Les pertes par imbrls, 4 Les pertes lambiance.
On peut considrer que la puissance injecte, soit le maximum de
puissance disponible [W], est le produit du dbit massique de
carburant [kg/s] par son pouvoir calorifique [J/kg].
2.1.1 2.1.1 Les pertes par refroidissement. Le refroidissement
du moteur est indispensable pour viter sa destruction. Quand le
dbit deau est bien ajust, on peut estimer que les pertes sont de
lordre de 30% de la puissance injecte, que ce soit pour le moteur
essence ou le moteur diesel. Comme leau de refroidissement est une
temprature moyenne de 70 90C, on pourrait rcuprer une partie de
cette nergie travers un changeur ( radiateur de chauffage par
exemple).Il en rsulte une augmentation du rendement global du
systme.
2.1.2 Les pertes lchappement. Les gaz dchappement sortent haute
temprature et haute pression pour aller se dtendre latmosphre.
Lnergie libre lors de la dtente et le refroidissement est perdue
pour le cycle. Quand la combustion est bonne, cette perte est aussi
de lordre de 30% de la puissance injecte, pour le moteur essence
comme pour le moteur diesel. On peut, entre autres exemples,
rcuprer une partie de cette nergie lorsquon utilise un
turbo-compresseur pour suralimenter le moteur et injecter plus de
puissance pour la mme cylindre.
2.1.3 Les pertes par imbrls.
Dans le cas du moteur essence, on essaie dobtenir une combustion
proche de la stchiomtrie, avec le risque dobtenir des imbrls. Le
systme dinjection du moteur Renault XM du banc dessai est quip dune
rgulation assez sophistique qui empche, en rgime tabli du moins, la
perte par imbrls. Le rapport air/essence est donc trs proche de la
stchiomtrie ( f stoe =0.068 ) . Lexcs dair en pratique est compris
entre 0.00 < e < 0.02. Dans le cas du moteur Diesel, il est
impratif, si lon veut viter une formation exagre de suies, davoir
un excs dair important. Dans ce cas il na pas de pertes par imbrls.
A vitesse de rotation du moteur Diesel constante, le dbit dair
aspir est identique. La modulation de puissance du moteur est
ralise en modulant le dbit de mazout et lexcs dair va voluer. Cest
ce que montrent les rsultats des tests en laboratoire sur le moteur
Mercds (cf. Figure 2 ), raliss une vitesse quasi-constante de
lordre de 2500 tr/m. Cest
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Notes sur moteurs
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un rgime moteur rencontr rgulirement lorsque le vhicule circule
en en lgre monte 90-100 km/h. Si la pente augmente et quon veut
maintenir la mme vitesse, la pression sur lacclrateur engendre une
augmentation de linjection de carburant. On voit que lexcs dair est
compris entre 1.5 < e < 3.5 , en diminuant quand le dbit de
fuel, donc la puissance injecte, augmente. En pratique, ce moment,
on observe en gnral de ljection de suie lchappement.
0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.0011 0.00120.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
2000
2200
2400
2600
2800
3000
mfuel [kg/s]
e
No
[tr
/min
]
Banc d'essai MercdsExcs d'air en fonction du dbit de fuel
vitesse de rotation quasi-constante
NoNo
2400 < N0 < 2600 tr/min
Figure 2:Excs d'air en fonction de la puissance du moteur
diesel.
2.1.3 Les pertes lambiance. Leau de refroidissement circule
autour des cylindres et du circuit de lubrification. La masse
externe du moteur est porte une temprature moyenne comprise entre
celle de leau et celle de lhuile. On peut mesurer cette dernire
laide dune sonde de temprature plonge dans le carter qui est une
rserve, localise en partie basse du moteur, rcoltant lhuile
revenant des pistons et autres organes. La temprature moyenne
dchange avec lambiance est souvent proche de 80 90C, avec des zones
beaucoup plus chaudes au sommet du moteur autour des cylindres. On
peut considrer que les pertes lambiance sont de lordre de 10% de la
puissance injecte pour les deux types de moteurs.
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Notes sur moteurs
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2.1.4 Puissance larbre. La puissance larbre est donc le solde
disponible soit un ordre de grandeur de 30% de la puissance
injecte. Dans le cadre des bancs dessais Mercds et Renault, elle
est convertie en frottement visqueux dans le frein hydraulique. On
la mesure de deux manires :
1 On mesure le couple et la vitesse de rotation. 2 On calcule la
puissance thermique dissipe dans le frein hydraulique en mesurant
le
dbit deau et les tempratures dentre et sortie.
3 Description physique des bancs dessai moteur.
Les composants principaux des deux bancs dessai sont dcrits
brivement ci-aprs. Ils sont assez similaires.
3.1 Banc dessai du moteur essence Citron XM injection. La Figure
3 montre une vue densemble du banc dessai du moteur essence Citron
XM injection.
Figure 3: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur XM
injection.
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Notes sur moteurs
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La Figure 4 montre un gros plan du frein hydraulique accoupl
larbre du moteur XM..
Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM.
La balance-couplemtre permet de mesurer le couple moteur laide
des effets de contre-raction du frein hydraulique (cf. Notions de
mesures sur bancs dessais. ).
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Notes sur moteurs
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3.2 Banc dessai du moteur diesel Mercds. La Figure 5 montre une
vue densemble du banc dessai du moteur Mercds avec le frein
hydraulique en avant plan.
Figure 5: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur diesel.
La Figure 6 montre le systme permettant de mesurer le couple
moteur laide des effets de contre-raction du frein hydraulique et
du capteur de force. (cf. Notions de mesures sur bancs dessais.
).
Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercds.
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Notes sur moteurs
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4 Instrumentation des bancs dessai.
Elle est constitue de diffrents capteurs dcrits dans le
fascicule des notes de mesures.
4.1 Instrumentation du banc dessai du moteur essence. Le schma
dinstrumentation du banc dessai du moteur essence est montr la
Figure 7.
Figure 7: Schma dinstrumentation du moteur essence XM
injection.
Dans le circuit dinjection, la perte de charge P2 entre la
pression atmosphrique et le collecteur dadmission est due au
laminage de lair dans le papillon de rglage du dbit . Elle est
reporte au tube en U laide dun tuyau souple. (cf. Figure 8).
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Notes sur moteurs
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Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur
essence injection.
Le dbit de carburant est dtermin par pese (cf . Figure 9)
Figure 9: Pese du rservoir de carburant.
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Notes sur moteurs
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5 Instrumentation du banc dessai du moteur diesel.
Le schma dinstrumentation du banc dessai du moteur diesel.est
montr la Figure 10.
Figure 10: Schma dinstrumentation du moteur diesel Mercedes.
La perte de charge P3 entre la pression atmosphrique et le
collecteur dadmission est moindre que dans le cas du moteur essence
car il ny pas de rglage de dbit dair dans le circuit dinjection.
Elle est reporte au tube en U laide dun tuyau souple. (cf. Figure
11).
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Notes sur moteurs
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Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du
moteur diesel.
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6 Bilans thermiques.
6.1 Rappel des principes. Les bilans thermiques et les calculs
divers sont raliss sur base des notes de cours de thermodynamique.
Le choix du volume de contrle peut conduire des erreurs
supplmentaires lies des incertitudes de mesure ou de calcul sur les
variables. On va illustrer la mthode pour le sous-systme constitu
par refroidissement du moteur XM en tenant compte des particularits
du circuit eau. En effet, cest le dbit deau dinjection, la
temprature t8, qui est mesur (cf.Figure 12 )
Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur.
Pour rappel, on exprime le bilan des puissances en tenant compte
du terme inertiel selon lexpression du cours et utilisant les
conventions gostes. On crit lexpression littrale de la puissance de
manire telle que le sens soit positif si le volume reoit cette
puissance. On dtermine par exemple les changes avec lambiance dont
la temprature est tamb.
6.2 Dfinition et critique du choix des volumes de contrle. Deux
volumes de contrle sont possibles.
6.2.1 Volume simple. Le premier (V1) englobe le moteur lui-mme
(cf. Figure 13 ). Pour calculer la puissance du ct eau, on doit
connatre le dbit. Hors comme on a dit prcdemment, il est mesur
ailleurs. On doit alors crire une quation dun nud hydraulique pour
le calculer.
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Notes sur moteurs
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Figure 13: Volume de contrle du moteur seul.
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Notes sur moteurs
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Soit m& w le dbit deau traversant le moteur et m& w,inj
le dbit deau inject dans la boucle et ressortant lgout. On peut
crire, sans tenir compte du lger chauffement apport par la
compression de leau dans la pompe, que :
6.2.2 Volume global. On considre un volume de contrle englobant
le circuit dinjection (volume de contrle V2 de la figure Figure
14)
Figure 14: Volume de contrle englobant le circuit dinjection
Critique de la mthode du volume global. Dans ce cas la puissance
apporte par leau se calcule laide des tempratures t6 et t7. Lerreur
supplmentaire de 700W disparat et lerreur probable sur la puissance
change (image du T eau ) passe de 0.3/ 11 0.3/76 !!!.
6.3 Choix du volume de contrle au niveau de lchappement. Sur le
moteur XM , la temprature des gaz dchappement est mesur la sortie
de chaque cylindre et dans le coude du collecteur gnral (cf. Figure
15). On constate que la temprature de collecteur est
systmatiquement infrieure de prs de 70 80 K de la temprature
moyenne la sortie des cylindres qui est de lordre de 700 750 C.
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Notes sur moteurs
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Figure 15: Mesures de temprature l'chappement.
La temprature du collecteur est beaucoup plus stable et il est
tentant de lutiliser pour calculer les pertes lchappement. Dans ce
cas, on dfinit le volume de contrle du moteur en incluant la
portion du collecteur. Il faut tenir compte alors de limportant
rayonnement du collecteur lextrieur de ce volume de contrle. A
titre dexemple, on peut calculer, en connaissant le dbit de gaz,
que cette puissance change par rayonnement et par convection, peut
atteindre de 1000 1500W ! .