Introduction

Moteurs Diesel

Dans la Ligne Maginot, les ouvrages sont dotés de groupes électrogènes entraînés par des moteurs à explosion (essentiellement Diesel ). Nous avons donc trouvé utile de créer un document traitant de la partie technique des moteurs diesel 4 temps.

Plan du document

-présentation d'un cylindre de moteur Diesel,

-principe du Diesel à 4 temps,

-éléments de calculs et calculs,

-application à un moteur SMIM de la Ligne Maginot (ouvrage de Fressinea -SFAM-),

-annexes.

Hommage

Nous avons réalisé cette étude en mémoire de notre père (Gaston Cima), spécialiste des moteurs Diesel dans l'Armée de l'Air, puis professeur de thermodynamique à l'IUT de Ville d'Avray. Bernard et Raymond Cima.

C'est après avoir suivi les cours de mon père (puis d'autres) que j'ai soutenu une thèse de doctorat sur les moteurs Diesel, en 1982, à l'Université Pierre et Marie Curie de Paris. Bernard Cima.

Présentation d'un cylindre

Schéma de cylindre

Le moteur à explosion voit le jour à la fin du XIX° siècle. Deux figures se détachent à quelques années d'intervalle : le Français Beau de Rochas (1815-1893 brevet en 1862) et l'Allemand Diesel (1858-1913 brevet en 1893). Le moteur à combustion interne est né.

La technologie de base est commune aux deux types : la chemise (*), tube fermé à une extrémité par la culasse (*), comporte un piston (*) mobile qui se déplace entre le PMB (Point mort bas) et le PMH (Point mort haut). Des orifices percés dans la culasse comportent des obturateurs, les soupapes (*), mettant la chemise en communication avec l'air extérieur. Un autre orifice sert de support à l'organe qui va provoquer l'explosion : la bougie (moteur à essence) ou l'injecteur (*) (moteur diesel à gazole).

Alphonse BEAU (1815-1893)

Etat civil

Né à Dignes en 1815, Beau est le fils d'Alexandre BEAU et de Lucrèce JACQUES de ROCHAS (vieille famille dignoise).

Son père, bonapartiste notoire, contrôleur aux Contributions Directes, est déchu de ses fonctions officielles après l'abdication de Napoléon. Il connaît alors quelques difficultés pour faire vivre sa famille et en 1823, l'oncle maternel d'Alphonse Beau (le chevalier Henri-Justin de Rochas), prendre en charge l'éducation de son neveu, sous la condition qu'il porte les deux noms, paternel et maternel : Beau de Rochas.

Après une vie pleine de rebondissements, Beau de Rochas décède à Vincennes en 1893.

Vie professionnelle

A seize ans il remporte le premier prix de mathématiques du Collège Royal d'Orléans. Puis, Ingénieur Civil, il fait tour à tour de la recherche et de la politique.

Le 16 janvier 1862, Beau de Rochas dépose, auprès de la Société de Protection Industrielle, le brevet n°52-593 dans lequel il propose un moteur à combustion interne à quatre temps :

-aspiration pendant une course entière du piston

-compression pendant la course suivante de retour

-inflammation au point mort et détente pendant la troisième course

-refoulement des gaz brûlés, hors du cylindre, au dernier retour de piston.

Beau de Rochas précise que l'inflammation du gaz détonnant, préalablement comprimé, peut être provoquée par une étincelle ou être spontanée par auto-allumage.

Il vient ainsi de décrire le fonctionnement des futurs moteurs à essence (premier cas d'inflammation) mais pas tout à fait celui des moteurs Diesel (deuxième cas d'inflammation) à cause de la notion de -gaz détonnant préalablement comprimé- (voir notre document sur Diesel).

Beau de Rochas ne fera jamais construire de tels moteurs. Et ce n'est qu'en 1876 qu'un ingénieur allemand, Nicolas OTTO (1832-1891), réalise le premier 4 temps à essence.

Rudolf DIESEL (1858-1913)

Etat civil

Né à Paris, en 1858, il est fils d'un couple modeste qui quitte la France au moment de la guerre de 1870.

Il fait ses études à l'école polytechnique de Munich et en sort avec le titre d'ingénieur.

Rudolph Diesel disparaît en pleine traversée de la Manche, en 1913, dans des circonstances non encore élucidées.

Vie professionnelle

Ingénieur dans différents domaines, en 1893 il dépose un brevet de moteur à combustion interne à quatre temps (comme celui de Beau de Rochas), à la différence -importante- près que la substance inflammable (pour ce brevet c'est de l'huile lourde, résidu de distillation du pétrole) qui produit l'explosion est injectée lorsque l'air et déjà comprimé par le piston. De plus cette injection provoque l'inflammation spontanée de la substance, sans nécessiter de système d'allumage.

En 1897, il construit un prototype fonctionnel et participe à la création, à Bar le Duc (Meuse ), de la -Société française des moteurs Diesel à combustion interne-.

En 1900, à l'Exposition universelle de Paris, Rudolf Diesel fait tourner son moteur à l'huile d'arachide. Mais comme le gazole est moins cher, ce carburant reste anecdotique. Ceci n'empêche pas Rudolf Diesel de déclarer, en 1911, que son moteur, grâce aux huiles végétales, sera un jour en mesure de contribuer fortement au développement de l'agriculture des pays qui l'utiliseront. Il prédit alors que l'utilisation d'huiles végétales comme carburant pour moteurs deviendra bientôt aussi importante que celle du pétrole. Déclaration prophétique ?

Cependant, pour cause de difficultés d'injections, le rendement des moteurs n'est pas aussi bon que souhaité et c'est le Français Lucien Inchauspé (1867-1930) qui, en inventant la pompe à injection en 1924, en fait un moteur qui deviendra quelques années plus tard très performant.

La Ligne Maginot profite de cette augmentation de rendement et les moteurs à essence initialement prévus pour les premiers forts à construire sont remplacés par des moteurs Diesel.

SMIM 4 cylindres du Sainte Agnès (SFAM )

Les données

Pour un moteur, si nous voulons calculer :

- Les pressions, volumes et températures correspondant aux différents points du cycle,

- Le travail et la quantité de chaleur dégagés lors du cycle, ce qui conduira au calcul de la puissance mécanique en sortie de moteur,

nous avons besoin de certaines données et de quelques pré requis rappelés ci-dessous.

Données : constructeur

Le constructeur du moteur donne, en général, la cylindrée totale (C), le nombre de cylindres (n) et le rapport volumétrique (ε), rapport entre le volume maximum du cylindre et son volume minimum. ( ε = V1 / V2). De ces 3 valeurs on tire :

Cylindrée unitaire (utile par cylindre) Vu_ = V1 - V2 = C / n

V1 = ε. Vu_ / (ε - 1)

V2 = Vu_ / (ε - 1)

Données : air ambiant

Admission : On définit la pression et la température de l'air qui entre dans le cylindre. Pour un moteur -atmosphérique- la pression d'admission (p1) est égale à la pression atmosphérique (autour de 100 000 Pa) et pour un moteur -suralimenté- cette pression dépend du turbo ou de la pompe de suralimentation.

Échappement : il se fait quasiment toujours à l'air libre donc la pression d'échappement est égale à la pression atmosphérique.

Toujours pour cet air, on définit 2 grandeurs thermodynamiques :

-la constante massique (ou de Meyer) r = Cp - Cv qui est la différence des chaleurs massiques (*) appliquées à des transformations à pression constante (Cp) et à volume constant (Cv). Pour l'air r = 287 J/kg/K

-le coefficient isentropique γ = Cp / Cv = 1,4 pour l'air.

---

Avant de se lancer dans les valeurs numériques sur les différents points du cycle il pourrait sembler nécessaire de mesurer 2 masses : la masse d'air entrant dans le cylindre et la masse de gaz participant aux transformations. La différence mérite de s'y arrêter un instant.

A la fin de l'échappement, le piston est au PMH mais il reste un petit volume entre lui et la culasse. Les gaz brûlés contenus dans ce volume sont-ils éjectés vers l'extérieur ou restent-ils dans la chambre de combustion ? Dans le premier cas, le volume admis sera égal à (V1) alors que dans le second cas il sera égal à (Vu_). La nuance peut paraître faible mais elle influe sur le calcul de l'apport énergétique du gazole.

Pour un moteur à essence on considère qu'il reste des gaz imbrûlés en fin d'échappement. Mais pour un diesel, le phénomène de -balayage- fait qu'en fin d'admission il n'y a plus que de l'air. On est donc conduit à considérer, pour un moteur diesel, que la masse d'air entrant est égale à la masse de gaz participant aux transformations : m = (p1 . V1) / (r . T1) d'après la loi de Mariotte (*).

Données : carburant

Le gazole (gasoil) est extrait du pétrole et contient majoritairement de l'hexa-décane (C₁₆H₃₄). Pour les calculs on a besoin :

-du rapport (masse d'air entrant / masse de carburant injecté) conduisant à une combustion stoechiométrique (*) du carburant. Ici ce rapport est voisin de 15.

-du pouvoir calorifique (*) du carburant, pci = 44.000.000 J/kg.

Rappel sur les unités normalisées employées

Elles sont les suivantes :

Masse (m) en kg (kilogramme)

Pressions (p) en Pa (Pascal)

Volumes (V) en m3 (mètre-cube)

Températures (T) en K (Kelvin) ; par exemple 15° Celsius = 15 + 273 = 288 K

Les formules à appliquer

Cycle Diesel

Précisions sur les transformations thermodynamiques

Dans le diagramme, on voit apparaître trois types de courbes :

- Courbe verticale (à volume contant) appelée isochore,

- Courbe horizontale (à pression constante) appelée isobare,

- Courbe arrondie (arc d'exponentielle) appelée isentropique ou adiabatique.

A chaque courbe correspond un type de calcul.

Pression, volume et température à chaque point du cycle

Entre les points 1 et 2

Compression adiabatique. Elle est régie par la loi : p1 . V1 γ = p2 . V2 γ.

Comme on connaît p1, V1, V2 et γ on peut calculer p2.

Ensuite, par application de p2 . V2 = m. r. T2 (loi de Mariotte ), on trouve T2.

Entre les points 2 et 3

Combustion isobare. Comme la pression reste constante p3 = p2

L'apport énergétique dû à la combustion du gazole donne une quantité de chaleur Q 2-3 = mc . pci (masse de gazole x pouvoir calorifique).

Pour une transformation isobare, ce terme Q 2-3 est égal à [(m . r . γ / ( γ - 1)] (T3 - T2) ce qui permet de calculer T3 puis V3 (avec la loi de Mariotte ).

Entre les points 3 et 4

Détente adiabatique. On retrouve la même loi que pour la transformation 1-2. Et comme V4 = V1 on peut calculer p4 et T4.

Entre les points 4 et 1

Détente isochore. Aucun calcul n'est nécessaire puisqu'on retombe sur le point 1 dont on connaît déjà les caractéristiques.

Travail et quantité de chaleur

Recherche des énergies mises en oeuvre au cours du cycle

Entre les points 1 et 2

Le travail mécanique (à fournir au piston pour qu'il comprime le gaz) est égal à W 1-2 = [(m . r) / (γ - 1)] (T2 - T1)

Le calcul est aisé puisqu'on connaît tous les termes. Ce travail est positif. Il s'exprime en Joule (J).

La quantité de chaleur échangée, Q 1-2 est égale à 0 (par définition d'une adiabatique).

Entre les points 2 et 3

Le travail mécanique fourni par le gaz, ce qui entraîne le déplacement du piston, est égal W 2-3 = - m . r (T3 - T2). Ce travail est négatif.

La quantité de chaleur a déjà été définie ci-dessus ; elle est égale à l'apport énergétique du gazole.

Entre les points 3 et 4

Comme pour la phase 1-2, W 3-4 = [(m . r) / (γ - 1)] (T4 - T3). Ce travail est négatif. Là encore Q 3-4 = 0.

Entre les points 4 et 1

Le travail mécanique est nul et Q 4-1 = [(m . r) / (γ - 1)] (T1 - T4). Cette quantité de chaleur est négative.

Bilan du cycle

Travail : un cycle -moteur- doit donner une somme des W négative. La valeur absolue de cette somme |Σ W| correspond au travail moteur du cycle. Le premier principe de la thermodynamique précise que Σ W + Σ Q = 0

Puissance : le moteur tourne à une fréquence de rotation N (tr/min) ; un cycle correspondant à 2 tours, la durée d'un cycle (en secondes) est donc égale à Δt = 120 / N. La puissance étant, par définition, le rapport du travail à la durée, on a : P = |Σ W|. N / 120 (P en Watt)

Pour obtenir la puissance totale du moteur, il faut enfin multiplier le résultat précédent par le nombre de cylindres.

Et après ?

Il ne reste plus qu'à programmer un calculateur, avec ces formules, à lui donner les caractéristiques relatives au moteur étudié, et l'on obtient les valeurs numériques correspondant aux différents points du cycle de ce moteur.

Principe. Les 4 temps d'un moteur Diesel

Animation de l'image ?

Arrêt de l'animation ?

Explications + avance pas à pas ?

Explications + recule pas à pas ?

Remarque

On constate qu'il y a plus de 4 -temps- par cycle. En fait, 4 temps signifie 4 déplacements successifs du piston avec : temps d'admission, temps de compression, temps d'explosion et détente (moteur), temps d'échappement.

Application aux moteurs SMIM de Fressinea (SFAM)

SMIM de Fressinea

Moteurs SMIM (Société des Moteurs pour l'Industrie et la Marine) SR 14 n° 8124 et 8126 de l'ouvrage d'Infanterie de Fressinéa (SFAM). Certaines valeurs ont été trouvées dans les archives du Génie (Vincennes ), d'autres proviennent de divers documents généraux sur les moteurs diesel.

Hypothèses

Données du constructeur

Moteur diesel 2 cylindres

Diamètre du piston : d = 140mm

Course : c = 180mm

Fréquence de rotation en régime normal : 750 tr/min

Puissance nominale = 24 CV (17,7kW)

Données personnelles

On prendra comme hypothèse que, dans un ouvrage fortifié, au niveau de l'Usine la température est voisine de 20°C (15° ailleurs) soit T1 = 20 + 273 = 293K et la pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique (la surpression est voulue en prévision d'attaque par gaz de combats et pour évacuer l'air vicié) soit p1 = 102000Pa. Pour l'air on utilisera les constantes habituelles : r = 287 J/kg/K et γ = 1,4

Calculs préliminaires

Cylindrée unitaire : Vu_ = Π . d 2 . c / 4 = 2770884,5mm3 soit 0,00277m3

Avec un rapport volumétrique ε = 12 on trouve : V1 = 0,00305m3 et V2 = 0,00025m3

Masse de gaz pendant le cycle : ma = p1 . V1 / (r . T1) = 0,0037kg

Du rapport ma / mc = 15 on déduit mc = 0,0037 / 15 = 0,000247kg

Points du cycle

L'application des formules obtenues dans l'étude théorique donne :

Point 1

p1 = 102000Pa ; V1 = 0,00305m3 ; T1 = 293K

Point 2

p2 = 3307150Pa ; V2 = 0,00025m3 ; T2 = 779 K

Point 3

p3 = 3307150Pa ; V3 = 0,00115m3 ; T3 = 3570K

Point 4

p4 = 844133Pa ; V4 = 0,00305m3 ; T4 = 2424K

Energie

Travail

W 1-2 = 1290J

W 2-3 = -2963J

W 3-4 = -3042J

W 4-1 = 0J

Bilan : ΣW = 1290 - 2963 - 3042 = - 4715J

Quantités de chaleur

Q 1-2 = 0J

Q 2-3 = 10374J

Q 3-4 = 0J

Q 4-1 = 5657J

Bilan : ΣQ = 10374 - 5657 = 4717J

Remarque

Le premier principe de la thermodynamique précise que l'énergie interne d'un cycle fermé est nulle. On devrait donc avoir la même valeur absolue pour ΣW et ΣQ, ce qui est quasiment le cas.

Puissance

Le moteur tourne à 750 tr/min. Un cycle (2 tours) correspond donc à Δt = 120 / N = 120 / 750 = 0,16 s

La puissance (pour 1 cylindre) est donc, en théorie, de : P = |ΣW| / Δt = 4715 / 0,16 = 29469W

La puissance totale du moteur est donc de 2 x 29469 = 58938W (ou 58,9 kW)

Discussion

On a vu que le constructeur donne 24 CV soit 17,7kW. Les estimations ci-dessus seraient-elles donc optimistes ?

En fait de nombreuses différences existent entre le cycle théorique, sur lequel sont basés les calculs, et le cycle réel. Pourquoi ?

Cycle théorique. On a supposé :

- Ouverture et fermeture des soupapes instantanée et sans perte de charge (diminution de la pression lors du passage au niveau de la soupape).

- Ouverture ou fermeture des soupapes au PMH ou au PMB.

- Injection (et donc combustion) instantanée, au PMH.

- Compression et détente adiabatique.

- r et γ constants.

Cycle réel

- Il y a des pertes de charge au passage des soupapes, pertes partiellement compensées en augmentant la durée des phases d'ouverture et de fermeture (avance ouverture admission, retard fermeture admission et idem pour l'échappement).

- L'injection et la combustion ont une durée de 1,5 à 3 millisecondes. Pendant ce temps le déplacement du piston n'est pas négligeable, surtout pour des moteurs rapides.

- La compression et la détente ne sont pas isentropiques (adiabatiques) mais polytropiques entraînant un échange de chaleur (Q1-2 et Q3-4 ne sont pas égaux à zéro).

- Enfin r et γ ne sont pas des constantes (mais leur variation est cependant très faible).

Et alors?

Dans ces conditions il n'est pas étonnant de constater que les résultats théoriques soient optimistes par rapport à la réalité. Pour les corriger on introduit alors un -coefficient de forme- (voisin de 0,5) et, surtout, on n'oublie pas de prendre en compte la puissance absorbée par les auxiliaires (pompes, compresseur, frottements etc.) ne laissant qu'une puissance utile estimée à 60% (0,6 fois) de la puissance totale.

Résultats

58,9 x 0,5 x 0,6 = 17,7kW. Le compte est bon et ramène ces résultats au plus proches des valeurs réelles, mesurées sur banc d'essai.

Didacticiel sur les phases d'un cycle Diesel 4 temps

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Gaston Cima, spécialiste des moteurs Diesel

Mars 1939. Cima Gaston (à droite) pose à Rochefort, son BS Mécanicien Avion en poche.

Etat civil

Né à Sainte Maxime en 1917, il épouse Josette Fornari en 1942 avec qui il a deux fils : Raymond et Bernard Cima. Il décède à Menton, en 2008.

Vie professionnelle

Sa vie professionnelle, tant militaire que civile, est axée sur les moteurs ; et tout particulièrement les moteurs Diesel.

Engagé volontaire en 1937 dans l'Armée de l'Air, il se spécialise dans les moteurs à l'école de Rochefort et obtient son Brevet Supérieur Mécanicien Avion le 31 mars 1939.

Sergent, en 1939 et 1940 il est chef de l'échelon roulant du groupe de chasse 1/6.

Adjudant, en 1949 il est moniteur de stage de spécialisation Diesel, stage organisé au CIOA à Arzew (Algérie ) par la Marine, pour l'Armée de l'Air !

Croiseur Duquesne sur lequel s'effectue une grande partie du stage. L'adjudant Cima est au centre de la photo.

Cima Gaston anime-t-il ce stage par hasard ? En effet, en fin de stage le Capitaine de Vaisseau Maggiar rend compte au Contre-Amiral commandant la Marine à Oran :

Faute de personnel qualifié en nombre suffisant, les conférences ont été généralement faites par l'Adjudant CIMA qui, étant le premier mécanicien BS arrivé au CIOA, a été, aussitôt, considéré comme moniteur.

Puis, en note, il précise que le stage étant terminé :

A ce jour rien n'est venu confirmer que c'était bien dans ce but que ce gradé avait été désigné pour Arzew !

Cependant l'enseigne de vaisseau ajoute :

L'Adjudant CIMA, moniteur du stage, s'est révélé remarquable organisateur et excellent instructeur.

Et on lui confie la gestion d'un nouveau stage (le deuxième et dernier de ce type, organisé par le CIOA ), à l'issue duquel le Capitaine de Vaisseau Maggiar écrit encore, le 12 octobre 1949 :

Ce gradé s'est montré parfait instructeur et organisateur hors de pair. Il a mené de main de maître toutes les questions de relation et de discipline et a mis sur pied un véritable cours professé.

Quoi qu'il en soit, l'Adjudant rejoint la ZDA 902 et le fort de La Revère (SFAM) où il est affecté.

En 1953 il propose un cours sur le moteur Diesel. Sa hiérarchie transmet.

La récompense qu'il semble en obtenir, si récompense supposée il y a, est une mutation sur le théâtre des opérations d'Indochine ! Aussi, en 1962 quitte-t-il l'armée pour l'Education nationale où il entame une deuxième carrière. Son cours sur les Diesel (ainsi que d'autres), c'est comme professeur de thermodynamique au Lycée aéronautique, puis à l'IUT de Ville d'Avray, qu'il l'enseignera à ses étudiants. Il prend sa retraite à Menton.

Ses médailles principales, outre celles de guerre, sont : la Médaille de l'Aéronautique et la Médaille Militaire.