Le moteur d’une voiture est ce qu’on appelle un moteur thermique. Il s’agit d’une machine permettant de transformer de l’énergie thermique en énergie mécanique. Un réservoir contenant du carburant est comprimé puis enflammé à l’aide d’une étincelle, ce qui provoque une réaction chimique rapide entre les hydrocarbures de l’essence et l’oxygène de l’air.

Pot d'essence
Pot rempli d’essence.

Cette réaction brûle le carburant rapidement mais il est à noter que l’onde de flamme reste à une vitesse inférieure à celle du son : on parle de détonation. C’est seulement lorsque la vitesse de la flamme dépasse la vitesse du son que l’on parle d’explosion. Rigoureusement, les moteurs à explosion devraient donc plutôt s’appeler des moteurs à détonation.

Les hydrocarbures présents dans l’essence

Issus de la distillation du pétrole, les hydrocarbures sont constitués de plusieurs types de composants chimiques comme l’heptane qui comporte une chaîne linéaire de sept atomes de carbone et qui facilite la détonation.

Heptane
Représentation de l’heptane : alcane contenant 7 atomes de carbone et 16 atomes d’hydrogène.

Un autre alcane présent en grande quantité dans l’essence est l’iso-octane. Comme son nom l’indique, il comporte huit atomes de carbone. Toutefois sa chaîne n’est pas linéaire contrairement à l’octane simple. Cela lui permet de brûler plus lentement et d’exercer une pression plus douce et plus constante sur les pistons du moteur.

iso-octane
L’iso-octane et ses huit atomes de carbone.

D’autres composés comme le benzène permettent de rendre le mélange moins détonant. En effet, si l’essence comporte une proportion trop grande d’heptane par rapport à l’iso-octane, le mélange peut s’enflammer tout seul lors de la compression. Quand la pression augmente, le carburant se réchauffe ce qui peut déclencher la combustion de l’heptane sans qu’il y ait besoin d’étincelle alors que le piston est encore en train de comprimer le mélange air-essence.

Benzène
Molécule de benzène.

La température augmente alors de manière incontrôlée et le moteur risque d’être endommagé. Ce phénomène de combustion spontanée déclenche un cliquetis clairement identifiable.

Le cycle du moteur

On distingue plusieurs étapes dans le cycle du moteur :

  1. L’admission : le réservoir se remplit d’air et d’essence. Le volume du réservoir augmente mais la pression reste égale à la pression atmosphérique.
  2. La compression : les pistons compriment le mélange, le volume diminue et la pression augmente.
  3. La combustion : le mélange s’enflamme et les molécules à longues chaînes de carbone sont transformées en plusieurs petites molécules comme le CO2 qui constitueront les gaz d’échappement. La pression augmente alors fortement et génère une force s’exerçant sur les pistons ce qui permet de récupérer du travail mécanique. Le volume augmente alors à nouveau.
  4. L’échappement : la soupape d’échappement s’ouvre, la pression diminue jusqu’à la valeur de la pression atmosphérique. Puis, le volume diminue, les produits de la réaction chimique sont évacués et le réservoir est prêt pour un nouveau cycle.
Cycle d'un moteur
Crédits : Wikipedia CC BY-SA 3.0

Du mouvement de translation vers le mouvement de rotation

On transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation en reliant ce dernier à un vilebrequin par l’intermédiaire d’une bielle.

Vilebrequin animation
Vilebrequin (en rouge) d’un moteur à quatre cylindres en ligne. Crédits : NASA.

La disposition la plus compacte étant celle du moteur en V, souvent utilisé pour les voitures sportives en raison d’une plus grande stabilité et d’un abaissement du centre de gravité.

Diagramme de Clapeyron

Voyons comment obtenir une idée plus précise du déroulement du cycle. On représente l’état du mélange par un point sur un diagramme pression-volume appelé diagramme de Clapeyron : l’abscisse du point représente le volume du mélange et l’ordonnée sa pression.

Ainsi lors de l’admission, le volume du mélange présent dans le réservoir augmente et sa pression reste constante. Le point se déplace donc vers la droite en gardant une ordonnée constante. On passe ainsi progressivement du point A au point B sur le diagramme suivant :

BeauDeRochas1

Puis la compression fait baisser le volume et augmenter la pression :

BeauDeRochas2

La troisième étape est décomposée en deux sous-étapes dont la première est la combustion qui fait monter la pression à volume constant :

BeauDeRochas3.png

Puis le mélange se détend en poussant sur le piston : le volume augmente et la pression diminue :

BeauDeRochas4.png

Enfin, la quatrième étape est également décomposée en deux : l’ouverture de la soupape pendant laquelle la pression chute à volume constant et l’échappement des produits de la combustion qui permet de revenir au point A et donc de terminer le  cycle.

BeauDeRochas5

Divers types de transformations

On donne des noms bien particuliers aux différents types de transformations présentes dans ce cycle :

  • entre les points A et B, la pression reste constante : on parle de transformation isobare.
  • entre les points C et D et entre les points E et B, c’est le volume qui reste constant : on parle de transformation isochore.
  • de B vers C et de D vers E, le réservoir est fermé et n’échange pas de chaleur avec l’extérieur : on parle de transformation adiabatique.
  • enfin, sous certaines conditions non réunies ici, c’est la température qui reste constante, on parle alors de transformation isotherme.

En omettant les étapes d’admission et d’échappement qui n’entrent pas en jeu dans le calcul de la puissance et du rendement du moteur, on obtient cycle suivant :

Cycle de Beau de Rochas
Cycle de Beau de Rochas

Il s’agit du cycle de Beau de Rochas, très utilisé pour modéliser les moteurs à combustion interne.

Autres cycles

D’autres cycles sont souvent rencontrés. Parmi ceux-ci figure le cycle de Carnot constitué de deux isothermes et de deux adiabatiques. Il fut introduit par Sadi Carnot en 1824 dans son ouvrage Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance écrit à l’âge de 27 ans.

Cycle de Carnot
Cycle de Carnot.

Il s’agit du cycle permettant d’obtenir, à partir de deux sources de chaleur, le meilleur rendement possible c’est-à-dire de récupérer le maximum d’énergie mécanique à partir d’une énergie thermique donnée. On compare habituellement les autres cycles à celui-ci afin de déterminer si le rendement est améliorable.

Sadi Carnot . Inventeur de la thermodynamique.
Sadi Carnot . Inventeur de la thermodynamique.

Un autre cycle notable est le cycle Diesel idéal permettant de modéliser les moteurs Diesel fonctionnant grâce à la combustion spontanée du carburant contrairement aux moteurs à essence qui nécessitent un allumage par étincelle.

Cycle Diesel.
Cycle Diesel. Une isochore est remplacée par une isobare.

Ces moteurs sont alimentés par de l’huile végétale ou par du gazole. Ils possèdent un meilleur rendement et consomment donc moins que les moteurs à essence. Toutefois, dans le cas d’utilisation de gazole, une grande quantité d’air est injectée à chaque cycle ce qui conduit à la formation de produits polluants en plus grande quantité que pour le moteur à essence.

Les moteurs Diesel étaient autrefois robustes mais peu nerveux donc adaptés à la mise en mouvement de structures massives. Aujourd’hui, les modèles sont de plus en plus petits, de plus en plus nerveux et s’adaptent parfaitement aux automobiles.

Les calculs détaillés de puissance et de rendement associés à ces cycles sont effectués dans l’ouvrage Thermodynamique problèmes résolus écrit par Hubert Lumbroso et dont le plan est le suivant :

  1. Théorie cinétique et phénomènes de transport. Lois de Boltzmann, de Fick et de Fourier.
  2. Température. Équation d’état. Coefficients thermoélastiques. Gaz réels et parfaits.
  3. Le premier principe. Bilan énergétique, énergie interne U, enthalpie H.
  4. Le deuxième principe. Fonction entropie.
  5. Applications des principes thermodynamiques. Énergie et enthalpie libres.
  6. Équilibre d’un corps pur. Changement de phase. Relation de Clapeyron.
  7. Thermodynamique chimique. Potentiel chimique. Diagrammes binaires. Équilibres chimiques.

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