Dans l'étude de la physique et de la thermodynamique, un processus est un changement d'état dans un système où ses propriétés thermodynamiques, telles que la pression, le volume et la température, sont modifiées par le transfert d'énergie sous forme de chaleur ou de travail. Ces processus sont impliqués dans les cycles thermodynamiques des moteurs à combustion interne (endothermiques), qui sont les moteurs que l'on trouve couramment dans les automobiles, les motos et de nombreux autres types de machines.
Les moteurs endothermiques convertissent l’énergie chimique du carburant (comme l’essence ou le diesel) en énergie mécanique. Ceci est réalisé grâce aux cycles thermodynamiques qui se produisent dans les cylindres du moteur. Les principaux composants du moteur comprennent le piston, le cylindre, la soupape d'admission, la soupape d'échappement et le vilebrequin. Le mouvement des pistons à l’intérieur des cylindres est ce qui propulse finalement le véhicule.
Les cycles les plus importants de ces moteurs sont les cycles Otto et Diesel. Dans les deux cas, les processus thermodynamiques qui apparaissent dans leurs différentes étapes sont les suivants :
- Isobare : la pression reste constante lorsque le volume change.
- Adiabatique : Il n’y a pas d’échange thermique avec l’environnement ; changement de pression et de température dû à la compression ou à la dilatation du gaz.
- Isochorique (Isochore) : Le volume reste constant à mesure que la pression et la température changent.
Étapes du cycle Otto
L’un des cycles les plus courants décrivant le fonctionnement des moteurs à combustion interne est le cycle Otto. Ce cycle se compose de quatre étapes principales : admission, compression, combustion (détente) et échappement.
1. Admission (processus isobare)
Pendant la course d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et le piston descend à l'intérieur du cylindre. Cela permet au mélange d’air et de carburant de pénétrer dans le cylindre.
À ce stade, le processus est isobare, puisque la pression à l’intérieur du cylindre reste constante (égale à la pression atmosphérique) tandis que le volume augmente. Cette augmentation de volume est due au mouvement vers le bas du piston qui crée plus d'espace à l'intérieur du cylindre.
2. Compression (processus adiabatique)
Une fois que le mélange air-carburant est entré dans le cylindre, la soupape d'admission se ferme et le piston monte, comprimant le mélange.
Ce processus augmente la température et la pression du mélange, mais il ne s’agit pas d’un processus isobare, mais plutôt adiabatique, car la pression change lors de la compression.
3. Combustion et expansion (processus isochore puis isobare)
Au moment où le piston atteint le sommet du cylindre, le mélange comprimé est enflammé par une étincelle. La combustion rapide du mélange produit une brusque augmentation de température et de pression (processus isochore), suivie de la détente des gaz.
À mesure que le piston descend pendant l’expansion, le volume du cylindre augmente et la pression tend à rester constante (processus isobare) dans la phase finale de l’expansion.
4. Évasion (processus isobare)
Lors de la phase d'échappement, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte, poussant les gaz brûlés hors du cylindre.
Comme à l'admission, la pression dans le cylindre reste relativement constante (à pression atmosphérique) tandis que le volume diminue. Ceci est un autre exemple de processus isobare.
Étapes du cycle diesel
Dans le cycle Diesel, l'efficacité et les performances dépendent de la manière dont la pression, le volume et la température sont gérés au sein du moteur.
1. Admission (processus isobare)
Pendant la phase d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et le piston descend dans le cylindre. Cela permet à l'air d'entrer dans le cylindre.
À ce stade, le processus est isobare, puisque la pression à l’intérieur du cylindre reste constante à la pression atmosphérique tandis que le volume augmente en raison du mouvement vers le bas du piston. Contrairement aux moteurs à essence, seul l’air entre dans cette phase dans les moteurs diesel, et non un mélange d’air et de carburant.
2. Compression (processus adiabatique)
En phase de compression, la soupape d'admission se ferme et le piston monte, comprimant l'air à l'intérieur du cylindre.
Ce processus augmente considérablement la température et la pression de l'air en raison du taux de compression élevé du moteur diesel, ce qui n'est pas un processus isobare mais adiabatique, puisque la pression change considérablement.
3. Combustion (processus isobare et isochore)
La phase de combustion dans un moteur diesel commence lorsque le piston est proche de son point le plus haut (point mort haut). À ce stade, du carburant diesel finement atomisé est injecté dans l’air comprimé.
En raison de la température élevée de l'air comprimé, le carburant s'enflamme spontanément (auto-inflammation). Ici, la combustion est divisée en deux parties :
- Combustion initiale (processus isochore) : Initialement, le carburant injecté brûle rapidement, augmentant la température et la pression sans changement significatif de volume.
- Combustion par expansion (processus isobare) : Plus de carburant est ensuite injecté de manière contrôlée, maintenant la pression constante tandis que le volume augmente en raison du mouvement vers le bas du piston. Il s’agit d’un processus isobare crucial pour l’efficacité du moteur diesel, car il permet une expansion contrôlée des gaz et une fourniture de puissance plus fluide.
Évasion (processus isobare)
Dans la phase d'échappement, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte, expulsant les gaz brûlés hors du cylindre.
Semblable à la phase d'admission, la pression dans le cylindre reste relativement constante (à pression atmosphérique) tandis que le volume diminue. Il s'agit d'un autre processus isobare.
Différences entre les cycles Diesel et Otto
Dans le cycle d'Otto, des processus isobares se produisent lors de l'admission et de l'échappement. Lors de l'admission, le mélange air-carburant pénètre dans le cylindre à pression constante, et lors de l'échappement, les gaz brûlés sont expulsés à pression constante. Il n'y a pas de processus isobare pendant la combustion et la détente.
D'autre part, dans le cycle diesel, il existe également des processus isobares à l'admission et à l'échappement, mais l'air n'est admis qu'à l'admission. Dans ce cas, le cycle Diesel comprend un processus isobare lors de la combustion.
Après auto-inflammation du carburant, la combustion s'effectue à pression constante pendant que le piston descend, permettant une combustion contrôlée et une détente efficace des gaz. Cette différence dans la phase de combustion contribue à une plus grande efficacité du moteur diesel par rapport au moteur à essence à cycle Otto.