Pour déplacer un avion dans les airs, une poussée est générée par un système de propulsion. Depuis le premier vol des frères Wright, de nombreux avions ont utilisé des moteurs à combustion interne pour faire tourner des hélices et générer une poussée.Aujourd’hui, la plupart des avions de l’aviation générale ou privée sont propulsés par des moteurs à combustion interne (IC), un peu comme le moteur de votre voiture familiale.Lorsque nous parlons de moteurs, nous devons considérer à la fois le fonctionnement mécanique de la machine et les processus thermodynamiques qui permettent à la machine de produire un travail utile.Sur cette page, nous examinons la thermodynamique d’un moteur IC à quatre temps.
Pour comprendre comment fonctionne un système de propulsion, nous devons étudier la thermodynamique de base des gaz.Les gaz ont diverses propriétés que nous pouvons observer avec nos sens, y compris la pression du gaz p, la température T, la masse et le volume V qui contient le gaz.Une observation scientifique minutieuse a permis de déterminer que ces variables sont liées les unes aux autres et que les valeurs de ces propriétés déterminent l’état du gaz. Un processus thermodynamique, tel que le chauffage ou la compression du gaz, modifie les valeurs des variables d’état d’une manière décrite par les lois de la thermodynamique. Le travail effectué par un gaz et la chaleur transférée à un gaz dépendent de l’état initial et de l’état final du gaz, ainsi que du processus utilisé pour changer l’état.Il est possible d’effectuer une série de processus, dans lesquels l’état est modifié au cours de chaque processus, mais le gaz revient finalement à son état initial. Une telle série de processus s’appelle un cycle et constitue la base de la compréhension du fonctionnement du moteur.
Sur cette page, nous discutons du cycle thermodynamique d’Otto qui est utilisé dans tous les moteurs à combustion interne.La figure montre un diagramme en V du cycle d’Otto. En utilisant le système de numérotation des étapes du moteur, nous commençons en bas à gauche, l’étape 1 étant le début de la course d’admission du moteur. La pression est proche de la pression atmosphérique et le volume de gaz est minimal.Entre le stade 1 et le stade 2, le piston est tiré hors du cylindre avec la soupape d’admission ouverte.La pression reste constante et le volume de gaz augmente car le mélange air/carburant est aspiré dans le cylindre par la soupape d’admission.Le stade 2 commence la course de compression du moteur avec la fermeture de la soupape d’admission. Entre les phases 2 et 3, le piston revient dans le cylindre, le volume de gaz diminue et la pression augmente car le piston fait travailler le gaz. La phase 3 est le début de la combustion du mélange air-carburant. La combustion se produit très rapidement et le volume reste constant.La chaleur dégagée pendant la combustion augmente la température et la pression, conformément à l’équation d’état.L’étape 4 marque le début de la course motrice du moteur.Entre l’étape 4 et l’étape 5,le piston est entraîné vers le vilebrequin,le volume augmente et la pression diminue car le gaz travaille sur le piston. Au stade 5, la soupape d’échappement est ouverte et la chaleur résiduelle du gaz est échangée avec l’environnement. La phase 6 marque le début de la course d’échappement du moteur, au cours de laquelle le piston retourne dans le cylindre, le volume diminue et la pression reste constante. A la fin de la course d’échappement, les conditions sont revenues à l’étape 1 et le processus se répète.
Pendant le cycle, un travail est effectué sur le gaz par le piston entre les étapes 2 et 3. Un travail est effectué par le gaz sur le piston entre les étapes 4 et 5. La différence entre le travail effectué par le gaz et le travail effectué sur le gaz est l’aire délimitée par la courbe du cycle et est le travail produit par le cycle. Le travail multiplié par la vitesse du cycle (cycles par seconde) est égal à la puissance produite par le moteur.
L’aire délimitée par le cycle sur un diagramme p-V est proportionnelle au travail produit par le cycle. Sur cette page, nous avons montré un cycle d’Otto idéal dans lequel il n’y a pas de chaleur entrant (ou sortant) du gaz pendant les temps de compression et de puissance, pas de pertes par frottement, et une combustion instantanée se produisant à volume constant. En réalité, le cycle idéal ne se produit pas et de nombreuses pertes sont associées à chaque processus. Ces pertes sont normalement prises en compte par des facteurs d’efficacité qui multiplient et modifient le résultat idéal. Pour un cycle réel, la forme du diagramme p-V est similaire à l’idéal, mais la surface (travail) est toujours inférieure à la valeur idéale.
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