Application pratique de l'AFS à l'étude des moteurs thermiques
Finalité du système
La fonction principale d'un moteur thermique peut s'énoncer de la manière suivante : convertir de l'énergie thermique en énergie motrice.
Rappels de physique élémentaire
Compression et détente d'un gaz
Comme tout le monde en a fait l'expérience en gonflant un pneu de bicyclette avec une pompe à vélo, il est possible de transformer de l'énergie mécanique en énergie de pression. La réciproque est aussi vraie, et la détente d'un gaz comprimé peut fournir de l'énergie mécanique, comme en témoignent les nombreux outils fonctionnant à l'air comprimé, utilisés en particulier dans les chantiers de travaux publics.
Influence de la température
Un autre fait expérimental est que, à pression donnée, plus la température du gaz est élevée, plus grande est l'énergie qu'il faut dépenser pour le comprimer ou celle qu'il peut fournir si on le détend.
Production thermique d'énergie mécanique
La conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique est généralement basée sur ces constats : on chauffe à haute température et à l'état gazeux un fluide sous pression, et on le détend dans une machine dont les parois mobiles produisent du travail mécanique.
Fonctions principales associées aux moteurs thermiques
Sur la base de ces remarques, on voit que les trois fonctions principales d'un moteur peuvent être énoncées comme suit :
comprimer un fluide ;
le chauffer ;
le détendre dans une machine dont les parois mobiles produisent du travail mécanique.
Le diagramme FAST qui s'en déduit est donné figure ci-dessous.
Ce sont en effet trois fonctions que l'on retrouve dans tous les types de moteurs thermiques, qui diffèrent essentiellement selon :
le type de cycle thermodynamique qu'ils utilisent ;
la nature du fluide thermodynamique qui les traverse ;
les types de source chaude et d'organes de compression et de détente employés.
Lorsqu'en fin de détente le fluide est évacué dans l'environnement externe, on parle de cycle ouvert ; sinon, il s'agit d'un cycle fermé, ce qui suppose l'adjonction d'un composant supplémentaire, un condenseur ou un refroidisseur, dont la fonction est de ramener le fluide qui sort de la machine de détente dans son état à l'entrée de l'appareil qui réalise la compression. Le diagramme FAST d'un tel moteur est donné figure ci-dessous.
Typologie des moteurs
Différentes typologies de moteurs peuvent être établies, correspondant aux diverses solutions technologiques réalisables. Généralement, on distingue :
les moteurs à fluide compressible, où le fluide reste à l'état de gaz ou de vapeur pendant tout le cycle. Dans ce cas, un compresseur est bien sûr nécessaire. Selon les cas, on utilise comme source chaude une chaudière ou une chambre de combustion pour un cycle ouvert si le fluide technique contient de l'oxygène (généralement de l'air) ;
les moteurs à fluide condensable, dans lesquels le fluide change d'état : en sortie du condenseur, il s'agit d'un liquide qui est comprimé par une pompe, puis chauffé et transformé en vapeur dans une chaudière, vapeur qui est ensuite détendue dans une turbine ou un moteur à piston. Le travail de compression, proportionnel au volume massique du fluide, est dans ces moteurs beaucoup plus faible que dans les précédents.
On distingue aussi communément :
les moteurs à combustion interne, fonctionnant en cycle ouvert, pour lesquels la source chaude est une chambre de combustion ;
les moteurs à combustion externe, fonctionnant en cycle fermé, pour lesquels la source chaude est une chaudière ou un échangeur de chaleur.
Il est clair que ces différentes catégories se recouvrent partiellement.
Vous trouverez des exemples d'application de l'AFS à trois types de moteurs dans les fiches thématiques suivantes :
