moteur thermique (suite)

• Le diagramme théorique est celui que l’on obtient en supposant réversible et complète, pour une même valeur de Q₁, la détente du fluide entre T₁ et T₂. Sa forme diffère suivant le type de moteur. Pour la machine alternative à vapeur, c’est le cycle de Rankine. En coordonnées de Clapeyron (fig. 2), il comprend : l’isotherme AB qui correspond à l’admission de la vapeur saturante dans le cylindre, l’adiabatique BC correspondant à la détente de T₁ à T₂ de la vapeur, l’isotherme CD correspondant à la liquéfaction dans le condenseur de la vapeur non condensée dans le cylindre ; le cycle se ferme par la réintroduction du liquide dans la chaudière, pratiquement suivant la verticale DA.

• Le diagramme indiqué (fig. 3) diffère du diagramme théorique : par une détente raccourcie qui permet une évacuation plus rapide de la vapeur ; par des arrondis remplaçant les angles vifs et traduisant le laminage de la vapeur par les soupapes ; ces causes, et quelques autres, font que, pour une même valeur de Q₁, le travail indiqué est inférieur au travail théorique, d’où ρ_i < ρ_th.

remarque. Il est également commode de traduire un cycle théorique par son diagramme* entropique ; ou encore par un diagramme de Mollier, en portant l’entropie S en abscisses et l’enthalpie H en ordonnées ; l’un et l’autre permettent une évaluation rapide des quantités de chaleur.

Surchauffe, cycle de Hirn

Le fonctionnement de la machine à vapeur suivant le cycle de Rankine s’accompagne d’une condensation de la vapeur dans le cylindre lors de la détente ; cette condensation, en facilitant les échanges de chaleur à travers les parois, diminue le rendement. On élimine cet inconvénient par emploi de la surchauffe : le trajet de la vapeur de la chaudière au cylindre s’effectue dans des tubes en contact direct avec les gaz du foyer ; on élève ainsi la température de la vapeur et on la rend sèche ; si la surchauffe est suffisante, la vapeur restera sèche jusqu’en fin de détente, comme l’indique le diagramme entropique de Hirn (fig. 4), où BC correspond à la surchauffe. Il en résulte un accroissement notable du rendement. Malgré les difficultés qu’entraîne l’élévation de la température et de la pression de la vapeur, la surchauffe est maintenant d’un emploi général et même, dans les turbines à vapeur, on fractionne souvent la détente en pratiquant deux ou plusieurs surchauffes (cycle à resurchauffe, fig. 5).

Moteurs à combustion interne

La chaleur dégagée par la réaction du combustible avec l’oxygène de l’air est produite dans le cylindre, ce qui supprime une cause importante de perte de chaleur. La réaction de combustion est commandée de l’extérieur par un dispositif d’allumage dans les moteurs à explosion ; elle est spontanée dans les moteurs Diesel. Les uns et les autres fonctionnent ordinairement suivant un cycle à quatre temps (fig. 6), correspondant à deux allers et retours du piston, c’est-à-dire à deux tours du vilebrequin.

Le cycle théorique du moteur à explosion à quatre temps est celui de Beau de Rochas (v. cycle). Il comporte : l’admission (1^er temps) du mélange air-combustible sous pression constante ; la compression adiabatique de ce mélange (2^e temps) ; l’explosion par allumage commandé, qui élève brusquement la pression, suivie de la détente (3^e temps) des produits de combustion, détente tronquée par l’ouverture de la soupape d’échappement ; l’échappement à l’air libre des gaz brûlés (4^e temps). Un calcul montre que ρ_th ne dépend que du rapport volumétrique de compression et croît avec lui.

Le cycle indiqué (v. cycle) est un peu différent, à cause de la durée non négligeable de la combustion, des pertes de chaleur par les parois et du laminage des gaz par les soupapes, qui empêche en particulier la pression de tomber brutalement en fin de détente ; le travail produit s’en trouve diminué, et avec lui le rendement, en particulier parce que l’aire de la boucle inférieure parcourue en sens inverse doit, dans le calcul du travail, être retranchée de l’aire de la boucle supérieure. L’avance à l’allumage améliore le rendement en combattant les effets de la lenteur de la combustion.

Dans les moteurs à deux temps, l’échappement est avancé, et d’ailleurs accéléré par un balayage au moyen des gaz frais, de sorte que la compression de ces derniers suit immédiatement la détente des gaz brûlés, et qu’un temps sur deux est moteur ; d’où accroissement de la puissance massique, au détriment de la consommation spécifique et du rendement.

Le cycle théorique du moteur Diesel est celui de Joule (fig. 7) : AB correspond à l’admission de l’air, BC à sa compression, CD à la combustion spontanée du combustible injecté ; DE est la détente, tronquée en E, où commence l’échappement EBA. Le diagramme indiqué diffère du diagramme théorique pour des raisons analogues à celles qui ont été invoquées pour le moteur à explosion.

Le cycle théorique d’une turbine à gaz ne diffère du précédent que par la détente complète du mélange issu de la combustion.

Dans les moteurs à réaction, le cycle théorique fictif associé aux transformations du fluide moteur est encore celui de Joule ; ainsi, dans le turboréacteur, l’air qui s’engouffre à l’avant est comprimé, puis conduit à la chambre de combustion, où brûle du kérosène ; le mélange obtenu actionne la turbine solidaire du compresseur avant de s’évacuer à grande vitesse vers l’arrière, où son énergie cinétique acquise par la détente est à l’origine de la poussée que subit vers l’avant le turboréacteur.

Tous les cycles théoriques des moteurs thermiques sont, au moins approximativement, des cycles dithermes : une partie de la chaleur empruntée à la source chaude de température T₁ est transformée en travail, le reste cédé à la source froide de température T₂. Il résulte du théorème de Carnot (v. thermodynamique) que le rendement théorique de ces moteurs ne peut dépasser le rendement de Carnot

il lui est même en général nettement inférieur.

R. D.

➙ Cycle / Diesel / Propulsion par réaction / Thermodynamique / Turbine.