Qu'est-ce que le cycle Otto et le cycle Diesel, et comment sont-ils définis ?

Les deux constituent les modèles théoriques qui sont utilisés pour décrire les cycles thermodynamiques des gaz qui sont réalisés. effectuée dans des moteurs à combustion interne à quatre temps avec allumage par étincelle et auto-allumage respectivement.

Le cycle Otto doit son nom au fait que c'est l'ingénieur allemand Nikolaus Otto qui en 1876 développa ce moteur à quatre temps à allumage commandé, basé sur le modèle proposé en 1862 par Beau de Rochas. Ce moteur exécute quatre processus thermodynamiques en deux cycles mécaniques. De son côté, le cycle Diesel a été développé entre 1890 et 1897 par Rudolft Diesel en Allemagne pour la société de transport MAN, avec pour l'intention de fabriquer des moteurs plus performants que les moteurs à vapeur à partir d'autres carburants offrant des efficacités. Cette création s'est affinée depuis, et par exemple, en 1927, la société BOSH a lancé une pompe injection pour le Diesel qui a permis de réduire la consommation de carburant, ce qui est plus économique que le de l'essence.

L'image montre un schéma avec les éléments les plus représentatifs qui décrivent un cycle d'Otto

Les cycles diesel décrivent théoriquement le fonctionnement des moteurs ECOM (moteurs à allumage par compression). Le diagramme montre quelques caractéristiques de ce cycle.

Processus thermodynamiques des moteurs à combustion interne

Les moteurs à pistons généraux à quatre temps sont en pratique composés de quatre processus: admission, compression, détente et échappement.

Dans les moteurs à allumage par étincelle et les moteurs diesel, pendant le processus d'admission, la soupape d'admission s'ouvre dans le cylindre pour permettre à l'air d'entrer (dans le cas des moteurs diesel). moteurs diesel) et l'air et le carburant (dans les moteurs à allumage commandé), qui se produit à la pression atmosphérique (pour cela, une pression à l'intérieur du cylindre est nécessaire inférieur). L'entrée de ce volume dans le cylindre déplace le piston vers le point mort bas (PMB) jusqu'à atteindre le volume maximum où la soupape d'admission se ferme.

Pendant le processus de compression, les soupapes d'admission et d'échappement restent fermées et le piston se déplace vers le point mort haut (PMH), comprimant le contenu de la chambre jusqu'à atteindre le volume le minimum. Contrairement aux moteurs à allumage commandé, où le taux de compression est d'environ supérieur à 11, dans les cylindres des moteurs Diesel, ce rapport doit être supérieur, environ 18. Ce trajet plus long permet d'atteindre des températures plus élevées pour garantir l'auto-inflammation du carburant dans le processus suivant, c'est-à-dire la température de l'air à la fin du processus de compression, doit être supérieur à celui donné lors de l'auto-inflammation du carburant afin qu'il puisse s'enflammer en entrant dans la chambre de compression. la combustion.

Les cycles diesel nécessitent des cylindres plus gros que les moteurs à essence ou à gaz, donc les deux sont couramment utilisés dans les camions ou les gros moyens de transport ainsi que dans le industrie agro-alimentaire.

Le processus qui suit est celui de l'expansion ou de la course motrice, et il commence lorsque le piston atteint le point mort haut. Dans les moteurs à allumage commandé, la combustion est pratiquement instantanée et se fait par l'allumage d'une étincelle générée par la bougie, qui provoque la combustion du mélange d'air et carburant. Dans le cas des moteurs ECOM, le processus est légèrement plus lent, commençant lorsque le piston est au PMH et que les injecteurs pulvérisent du carburant dans la chambre. Lorsque le diesel ou le gazole entre en contact avec l'air à haute température, ce mélange s'enflamme et entraîne le piston vers le PMB en dilatant les gaz de combustion et en faisant tourner le vilebrequin du moteur. moteur.

L'image montre un cylindre d'un moteur à combustion interne. Vous pouvez voir les soupapes et le piston.

Enfin, il y a l'ouverture de la soupape d'échappement pour que le piston remonte et déplace les gaz de combustion et le cycle recommence.

Dans les moteurs diesel, les bougies d'allumage ne sont pas utilisées comme dans les moteurs à essence, car le processus de combustion est produit grâce aux conditions de pression et de température dans la chambre de combustion au moment de l'injection du carburant.

Afin de simplifier les calculs et l'analyse thermodynamique à l'intérieur des cylindres des moteurs de combustion interne, certaines hypothèses sont faites, telles que les considérations d'air standard et que les processus sont réversible. À travers ces prémisses, les cycles Otto et Diesel sont développés, pour former les quatre processus, comme le montre l'image suivante :

Les quatre processus des moteurs à combustion interne à quatre temps.

1-2: compression isentropique
2-3: Ajout de chaleur. Dans les cycles Otto, ce processus est supposé à volume constant (isochore) et dans les cycles Diesel, il se rapproche de celui à pression constante (isobare).
3-4: expansion isentropique
4-1: Rejet de chaleur à volume constant (isochoral)

Le schéma de gauche montre les processus qui se déroulent dans les moteurs à allumage commandé. En pratique, il s'agit d'un procédé ouvert qui nécessite une prise d'air extérieur et une expulsion des gaz d'échappement dans l'environnement. A droite, la simplification de ce modèle est observée sous la forme d'un cycle fermé formé de deux processus isentropiques et de deux isochores.

Dans le cycle Diesel, les processus d'admission et d'échappement sont remplacés par ceux d'apport de chaleur à pression constante et de rejet de chaleur à volume constant. De plus, les processus de compression et de détente sont supposés isentropiques.

Les moteurs à combustion interne à quatre temps ne sont pas seulement utilisés dans l'industrie du transport. Ils ont également certaines applications au niveau résidentiel et industriel, par exemple, pour appliquer la cogénération, et obtenir de l'électricité (ou de l'énergie mécanique) et de la chaleur à partir d'une seule source primaire, qui serait le combustible utilisé. Cependant, à des fins de cogénération, les cycles Otto et les turbines à gaz sont plus courants.

Efficacité des moteurs à combustion interne à quatre temps

Comme tous les cycles thermodynamiques, les cycles à gaz offrent une mesure de leurs performances basée sur le rendement thermique (η_ter), qui montrent la relation entre le travail net wneto divisé par l'apport de chaleur qent :

\(_{Ter = }\frac{{{w_{net}}}}{{{q_{ent}}}} = \frac{{{q_{ent}} – {q_{sal}}}}{ {{q_{in}}}} = 1 - \frac{{{q_{sel}}}}{{{q_{in}}}}\)

Où:
quoi_sel représente la chaleur rejetée de manière isochore.

le Q_sel Il est déterminé par le changement d'énergie interne (u) entre les états où se produit le processus de rejet de chaleur, c'est-à-dire les états 4 et 1. Ces quantités sont tirées des tables de vapeur, et pour localiser les valeurs, il est nécessaire de connaître deux informations sur l'état, par exemple, la température et la pression. De plus, il est nécessaire d'appliquer l'équation d'état (P.v = R.T), et la relation des pressions, des volumes ou des pressions/volumes relatifs qui se produit entre les processus isentropiques.

Dans les cycles Otto, le processus d'ajout de chaleur est effectué à volume constant, donc la chaleur d'entrée q_dans est déterminé par le changement d'énergie interne entre les états 2 et 3, c'est-à-dire u₃ - ou₂:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{u_3} – {u_2}}}\)

Dans le cas du processus d'apport de chaleur pour les cycles Diesel, celui-ci est supposé être à pression constante, et la chaleur d'entrée q_dans, est calculé à partir du changement d'enthalpie (h) entre les états où ce processus a lieu, c'est-à-dire entre les états 3 et 2. Avec ces considérations, l'efficacité d'un cycle Diesel peut être déterminée à l'aide de l'expression :

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{h_3} – {h_2}}}\)

Ce schéma montre quelques différences entre le cycle Otto et le cycle Diesel. Si les deux moteurs pouvaient fonctionner au même taux de compression (r), les cycles Otto seraient plus efficaces, mais en pratique, les moteurs Diesel ont des taux de compression plus élevés.

Le taux de compression (r) et la coupure d'admission (r_c)

Cette valeur sans dimension est un paramètre des cycles de gaz et s'exprime comme le lien qui se produit sur les volumes maximum et minimum du cylindre :

\(r = \frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}\)

Dans les deux cycles Otto et Diesel, le volume maximal est obtenu dans les états 1 ou 4. Le volume minimum dans le cycle Otto se produit dans les états 2 et 3, mais dans Diesel, il ne se produit que dans l'état 2.

La constante sans dimension des chaleurs spécifiques "k" est également définie et représente la relation identifiée par rapport aux variables de chaleur spécifique à pression constante (C_p) et chaleur spécifique à volume constant (C_v):

\(k = \frac{{{C_p}}}{{{C_v}}}\)

De plus, dans les cycles Diesel, le rapport de coupure ou la fermeture d'admission est utilisé, ce qui est calculé en divisant le volume maximal par le volume minimal pendant le processus d'ajout de chaleur, c'est-à-dire dire:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;of\;heat} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Efficacité des moteurs à combustion interne utilisant des hypothèses de chaleur spécifique constante

Dans un cycle à gaz, on peut parfois supposer qu'il fonctionne sous des hypothèses de chaleurs spécifiques qui ne varient pas avec la température, également appelées air froid. standard, (mais en pratique s'il y a variation), et sous cette considération, l'efficacité thermique de chaque cycle est déterminée avec ce qui suit expressions:

Pour le cycle Otto

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\)

Le diagramme de gauche montre la plage de valeurs caractéristique du taux de compression pour les moteurs à allumage commandé. A droite, on observe la variation du rendement d'un cycle d'Otto en fonction du taux de compression (r), pour différentes valeurs de k.

Pour le cycle Diesel

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\left[ {\frac{{{r_c}^k – 1}}{{k\left ( {{r_c} – 1} \right)}}} \right]\)

Où_v est la chaleur spécifique de l'air à volume constant (C_v = 0,718 kJ/kg. K), et C._p la chaleur spécifique à pression constante, qui pour l'air dans les conditions ambiantes est C_p = 1,005kJ/kg. K

Le diagramme montre la plage typique de taux de compression (r) pour les moteurs diesel, ainsi que la variation du rendement thermique du cycle pour différentes valeurs de rapports de coupure d'admission (r_c).