Moteur à piston

Un moteur à piston , également connu sous le nom de moteur à piston , est généralement un moteur thermique qui utilise un ou plusieurs pistons alternatifs pour convertir une température et une pression élevées en un mouvement rotatif . 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 des applications de niche. Les moteurs à combustion interne sont en outre classés de deux manières : soit un moteur à allumage par étincelle (SI) , où la bougie d'allumage déclenche la combustion ; soit 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 à ce moment-là ou plus tôt .

Caractéristiques communes à tous les types

Il peut y avoir un ou plusieurs pistons. Chaque piston est à l'intérieur d'un cylindre , dans lequel un gaz est introduit, soit déjà sous pression (par exemple, moteur à vapeur ), soit chauffé à l'intérieur du cylindre soit par l'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 (PMB), ou lorsque le piston forme le plus grand volume dans le cylindre. Le piston est ramené au sommet du cylindre (point mort haut) (PMH) par un volant d'inertie , la puissance des autres pistons reliés au même arbre ou (dans un vérin 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 dilatés ou « évacués » sont évacués du cylindre par cette course . L'exception est le moteur Stirling , qui chauffe et refroidit de manière répétée la même quantité de gaz scellée. 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 entraîné dans les deux sens dans le cylindre, auquel cas on dit qu'il est à double effet .

Dans la plupart des types de moteurs, le mouvement linéaire du piston est converti en mouvement rotatif par l' intermédiaire d'une bielle et d'un vilebrequin ou par un plateau oscillant ou un autre mécanisme approprié. Un volant d'inertie est souvent utilisé pour assurer une rotation en douceur ou pour stocker l'énergie nécessaire au fonctionnement du moteur pendant une partie non alimentée du cycle. Plus un moteur à piston possède de cylindres, plus il peut fonctionner sans vibrations (en douceur). La puissance d'un moteur à piston est proportionnelle au volume de déplacement combiné des pistons.

Un joint doit être réalisé entre le piston coulissant et les parois du cylindre afin que le gaz à 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 segments en métal dur, insérés dans une rainure circulaire de la tête du piston. Les segments 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 intérieures.

Il est courant de classer ces moteurs en fonction du nombre et de l'alignement des cylindres et du volume total de déplacement des gaz par les pistons se déplaçant dans les cylindres, généralement mesuré en centimètres cubes (cm3 ^ou cc) ou en litres (l) ou (L) (États-Unis : litre). Par exemple, pour les moteurs à combustion interne, les conceptions à un ou deux cylindres sont courantes dans les véhicules plus petits comme 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 capacités des cylindres peuvent aller de 10 cm3 ^ou moins dans les moteurs miniatures 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 à piston. Il s'agit du 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 entre le diamètre du piston, ou « alésage », et la longueur de course dans le cylindre, ou « course ». Si ce rapport est d'environ 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 dit « sur-carré ». S'il est inférieur à 1, c'est-à-dire que la course est plus grande que l'alésage, il est dit « sous-carré ».

Les cylindres peuvent être alignés en ligne , en configuration en V , horizontalement opposés l'un à l'autre ou radialement autour du vilebrequin. Les moteurs à pistons opposés placent deux pistons travaillant aux extrémités opposées du même cylindre et cela a été étendu aux dispositions triangulaires telles 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 – Conception du moteur Stirling bêta, montrant le deuxième piston déplaceur (vert) à l'intérieur du cylindre, qui dérive le gaz de travail entre les extrémités chaude et froide, mais ne produit aucune puissance elle-même.
Paroi de cylindre chaude
Paroi froide du cylindre
Piston de déplacement
Piston de puissance
Volants d'inertie

Dans certaines machines à vapeur, les cylindres peuvent être de tailles différentes, le cylindre de plus petit alésage produisant la vapeur à la pression la plus élevée. Celle-ci est ensuite acheminée successivement dans un ou plusieurs cylindres de plus en plus grands, pour extraire la puissance de la vapeur à des pressions de plus en plus basses. Ces moteurs sont appelés moteurs composés .

Outre 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 des moteurs à pistons de la même taille. La pression effective moyenne est la pression fictive qui produirait la même quantité de travail net que celle produite pendant le cycle de course motrice. Ceci est illustré par :

{\displaystyle W_{net}={ ext{MEP}}\cdot A_{p}S={ ext{MEP}}\cdot V_{d <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>et</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mtext>Député européen</mtext> </mrow> <mo>⋅</mo> <msub> <mi>UN</mi> <mrow> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mtext>Député européen</mtext> </mrow> <mo>⋅</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle W_{net}={ ext{MEP}}\cdot A_{p}S={ ext{MEP}}\cdot V_{d}}</annotation> </semantics> </math></span><img src=

où est la surface totale des pistons du moteur, est la longueur de la course des pistons et est le volume total de déplacement du moteur. Par conséquent : ${\displaystyle A_{p <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>UN</mi> <mrow> <mi>p</mi> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle A_{p}}</annotation> </semantics> </math></span><img src=$ ${\displaystyle S <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>S</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle S}</annotation> </semantics> </math></span><img src=$ ${\displaystyle V_{d <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle V_{d}}</annotation> </semantics> </math></span><img src=$

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Le moteur avec la valeur MEP la plus élevée produit plus de travail net par cycle et fonctionne plus efficacement.

Opérations

Dans les machines à vapeur et les moteurs à combustion interne, des soupapes sont nécessaires pour permettre l'entrée et la sortie des gaz aux bons moments du cycle du piston. Elles sont actionnées par des cames, des excentriques ou des manivelles entraînées par l'arbre du moteur. Les premières conceptions utilisaient la soupape à tiroir en D , mais celle-ci a été largement remplacée par des conceptions de soupapes à piston ou à champignon . Dans les machines à vapeur, le point du cycle du piston auquel la soupape d'admission de vapeur se ferme est appelé 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 grâce à une séquence de temps qui permet d'introduire et d'extraire les gaz du cylindre. Ces opérations se répètent de manière cyclique et un moteur est dit à 2 temps , 4 temps ou 6 temps selon le nombre de temps nécessaires pour effectuer un cycle.

Le type le plus courant est le 4 temps, qui possède les cycles suivants.

Admission : également appelée induction ou aspiration. Cette course du piston commence au point mort haut (PMH) et se termine au point mort bas (PMB). Dans cette course, la soupape d'admission doit être en position ouverte tandis que le piston aspire un mélange air-carburant dans le cylindre en produisant une pression de vide dans le cylindre par son mouvement vers le bas. Le piston se déplace vers le bas tandis que l'air est aspiré par le mouvement vers le bas contre le piston.
Compression : Cette course commence au PMB, ou juste à la fin de la course d'aspiration, et se termine au PMH. Au cours de cette course, le piston comprime le mélange air-carburant en vue de l'allumage pendant la course de combustion (ci-dessous). Les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées pendant cette étape.
Combustion : également appelée puissance ou allumage. C'est le début de la deuxième révolution du cycle à quatre temps. À ce stade, le vilebrequin a effectué une révolution complète de 360 degrés. Alors que le piston est au PMH (fin de la course de compression), le mélange air-carburant comprimé est enflammé par une bougie d'allumage (dans un moteur à essence) ou par la chaleur générée par une compression élevée (moteurs diesel), ramenant de force le piston au PMB. Cette course produit un travail mécanique du moteur pour faire tourner le vilebrequin.
Échappement : Également appelé sortie. Pendant la course d'échappement , le piston revient une fois de plus du PMB au PMH alors que la soupape d'échappement est ouverte. Cette action expulse le mélange air-carburant usé à travers la soupape d'échappement.

Histoire

Le moteur à piston s'est développé en Europe au XVIIIe siècle, d'abord sous la forme de moteur atmosphérique , puis sous la forme de moteur à vapeur . Ces derniers ont été suivis par le moteur Stirling et le moteur à combustion interne au XIXe siècle. Aujourd'hui, la forme la plus courante de moteur à piston est le moteur à combustion interne fonctionnant à l' essence , au diesel , au gaz de pétrole liquéfié (GPL) ou au gaz naturel comprimé (GNC) et utilisé pour alimenter les véhicules automobiles et les centrales électriques .

Un moteur alternatif remarquable de l'époque de la Seconde Guerre mondiale était le moteur radial Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major de 28 cylindres et 3 500 ch (2 600 kW) . Il a propulsé la dernière génération de gros avions à moteur à pistons avant que les moteurs à réaction et les turbopropulseurs ne prennent le relais à partir de 1944. Il avait une capacité totale de 71,5 L (4 360 pouces cubes) et un rapport puissance/poids élevé .

Le plus gros moteur à piston actuellement en production, mais pas le plus gros jamais construit, est le moteur diesel turbocompressé à deux temps 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 pieds), 27 m (89 pieds) de long et pèse plus de 2 300 tonnes métriques (2 535 tonnes courtes ; 2 264 tonnes longues ) dans sa plus grande version à 14 cylindres produisant plus de 84,42 MW (113 209 ch). Chaque cylindre a une capacité de 1 820 L (64 pieds cubes), soit une capacité totale de 25 480 L (900 pieds cubes) pour les plus grandes versions.

Capacité du moteur

Pour les moteurs à pistons, la cylindrée d'un moteur correspond à sa cylindrée , c'est-à-dire au volume parcouru par tous les pistons d'un moteur en un seul mouvement. Elle est généralement mesurée en litres (l) ou en pouces cubes (cid, cu in ou in ³ ) pour les moteurs de plus grande taille, et en centimètres cubes (abrégé cc) pour les moteurs de plus petite taille. Toutes choses étant égales par ailleurs, les moteurs de plus grande cylindrée sont plus puissants et la consommation de carburant augmente en conséquence (bien que ce ne soit pas le cas de tous les moteurs à pistons), bien que la puissance et la consommation de carburant soient affectées par de nombreux facteurs extérieurs à la cylindrée du moteur.

Pouvoir

Les moteurs à pistons peuvent être caractérisés par leur puissance spécifique , qui est généralement exprimée en kilowatts par litre de cylindrée (aux États-Unis également en chevaux par pouce cube). Le résultat offre une approximation de la puissance de pointe d'un moteur. Il ne faut pas confondre cela avec le rendement énergétique , car un rendement élevé nécessite souvent un rapport air-carburant pauvre, et donc une densité de puissance plus faible. Un moteur de voiture moderne à hautes performances produit plus de 75 kW/L (1,65 ch/pouce ^cube ).

Autres types modernes de combustion non interne

Les moteurs à pistons, alimentés par de l'air comprimé, de la vapeur ou d'autres gaz chauds, sont encore utilisés dans certaines applications, comme pour propulser de nombreuses torpilles modernes ou comme moteur non polluant. 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 à haute teneur ou du carburant Otto II , qui se pressurisent 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 mi/h) 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 circule 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 dispositifs 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 les 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 la thermodynamique endoréversible . Une étude théorique a montré qu'il était possible et pratique de construire un moteur alternatif composé d'un seul atome oscillant. Il s'agit d'un domaine de recherche futur qui 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 ne sont que peu ou pas utilisés actuellement :