Cycle de Beau de Rochas
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Le cycle de Beau de Rochas ou cycle à quatre temps des moteurs à explosion classiques est le cycle le plus utilisé dans le domaine des transports et de l'industrie (automobile et camions, générateurs, etc.). Le principe a été défini par Beau de Rochas puis implémenté successivement par Nikolaus Otto (Nikolaus August Otto (Holzhausen 14 juin 1832 - Cologne 28 janvier 1891) est un inventeur industriel allemand co-inventeur du moteur à combustion interne en 1867 et fondateur de la...), Étienne Lenoir et Rudolf Diesel (Rudolf Christian Karl Diesel est un ingénieur allemand né le 18 mars 1858 à Paris et disparu dans la nuit du 29 septembre au 30 septembre 1913 lors d'une traversée de la...).

Description

Ce cycle est caractérisé par quatre temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ou mouvements linéaires du piston :

  1. Admission
  2. Compression
  3. Combustion-détente
  4. Échappement


Position initiale, admission, compression.


Le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) est enflammé, détente, échappement.

Voir une animation (L'animation consiste à donner l'illusion du mouvement à l'aide d'une suite d'images. Ces images peuvent être dessinées, peintes, photographiées, numériques, etc.)


  1. Le cycle commence à un point mort haut (En mécanique avec un dispositif utilisant un piston alternatif (moteur à explosion ou compresseur, par exemple), on parle de point mort haut et de point mort bas. Il s'agit des deux moments où le piston...), quand le piston est à son point (Graphie) le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend (admission), un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) et de carburant est aspiré dans le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe...) via la soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .) d'admission.
  2. La soupape d'admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis.
  3. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie (La bougie est un objet servant en général à éclairer, composé d'un corps gras et d’une mèche enflammée. Elle a été...) d'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa...), aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L'expansion des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) portés à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) lors de la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) (produisant de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) directement utilisable).
  4. Lors du quatrième et dernier temps (l'échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée du piston.

Les soupapes

Les soupapes sont actionnées par un arbre à cames (Un arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal et réciproquement.). C'est un axe comportant des bossages de forme oblongue appelés cames. L'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc qui peut...) à cames entraîné par l'arbre moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...) ou vilebrequin, est relié à ce dernier par une liaison sans glissement (pignon, chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :), courroie dentée divisant par deux la vitesse (On distingue :) de rotation (deux tours de l'arbre moteur = un tour d'arbre à cames). Les cames sont en liaison avec les soupapes qu'elles poussent par l'intermédiaire de poussoirs ou de culbuteurs, les faisant s'ouvrir au moment opportun. Les soupapes sont munies de ressorts qui les referment lorsque les cames les libèrent.
Les illustrations montrent un moteur avec deux arbres à cames en tête (les arbres à cames sont au-dessus du cylindre).Une soupape est composée de 3 parties:la tête, la tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en branches et rameaux...), et le collet.

la synchronisation des soupapes

Pour la grande majorité des moteurs à quatre temps, les soupapes sont fermées par le rappel de ressorts. À mesure que la vitesse de rotation du moteur augmente, le temps mis par le ressort pour refermer la soupape ne peut plus être négligé, ce qui affecte la synchronisation et les performances du moteur.

Pour les moteurs de compétition, la vitesse de rotation peut atteindre 19 000 tours/minute d'où une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...) d'action de plus de 300 Hertz pour les soupapes.

Les deux culbuteurs sur une culasse de Ducati
Les deux culbuteurs sur une culasse de Ducati

Une solution à ce problème est le système de synchronisation à soupape desmodromique (Fabio Taglioni). Cette amélioration mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) d'ouverture et de fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) des soupapes est dite positive, car elle accompagne mécaniquement le mouvement de la soupape lors de son ouverture et de sa fermeture. La soupape est poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) par une came (ouverture) puis tirée (fermeture) par un levier asservi à la même came, et non plus laissée à la seule action du ressort de rappel.

La course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) de la soupape est ainsi entièrement contrôlée par la came de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.). Le nom desmodromique est d'ailleurs composé par les racines grecques desmo qui signifie lien, chaîne -dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) de asservi, contrôlé- et dromo qui signifie course. Les moteurs peuvent alors tourner beaucoup plus vite sans que l'on ait à craindre la " danse " des ressorts et un affolement des soupapes.

L'inconvénient du système est sa complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par...) et, donc son coût accru. Un fabricant employant ce système est Ducati, pour certains de ses moteurs de moto.

En Formule 1 (La Formule 1 est une discipline de sport automobile qui se dispute sur des circuits fermés à bord de monoplaces. Depuis début 2006, les spécifications sont : monoplaces d'au moins 600 kilogrammes...), fut expérimenté un système de rappel des soupapes fonctionnant au gaz, ce qui permet aussi d'obtenir des régimes de rotation élevés sans affolement de soupapes (Dans un moteur à combustion interne, l'affolement de soupapes est un phénomène mécanique où une ou plusieurs soupapes ne reviennent pas à leur place initiale au moment voulu.).

Avantages et inconvénients

Le cycle à quatre temps a un meilleur rendement que le cycle à deux temps (Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du plus courant cycle de Beau de Rochas en ayant seulement deux mouvements linéaires du...) mais à cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre hermétiquement close pour un mouvement unitaire. Ce concept...) égale il est moins performant. De plus un moteur à 4 temps nécessite une distribution complexe (soupapes, arbres à cames...). Comme sur les 4 temps un seul temps est moteur (le 3eme, au moment de l'explosion) le piston fournit de l'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle...) une fois tous les 2 tours, il se produit alors des irrégularités au niveau du couple du moteur.

Étude thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...)

On modélise le cycle par des transformations particulières :

  1. L'admission est modélisée par une isobare 0-1.
  2. La compression 1-2 est supposée adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de...).
  3. L'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière...) se déroule à volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) constant sur 2-3, la détente 3-4 est adiabatique.
  4. L'ouverture de la soupape est modélisée par l'isochore (La transformation d'un système (qui peut être solide, liquide, gazeux,...) est dite isochore si le volume du système ne change pas au cours de cette transformation.) 4-5, et l'echappement par l'isobare 5-0.

On appelle α le taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données informatiques. Il est généralement exprimé en pourcentage, et noté τ. Deux définitions sont communément admises :) \frac{V_2}{V_1}. Le rendement du cycle réversible (rapport du travail fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles...) par le transfert thermique (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) de la combustion) est alors \mu=1-\frac{1}{\alpha^{\gamma-1}}. (γ rapport des capacités thermiques à pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) constante et volume constant est supposé constant).

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