ETUDE DU MOTEUR 5 TEMPS

Etudiants :

Théophile BUTLER Pierre GAUTIER

Thibault CATHERINEAU Sébastien REMOUE

Rémy GASSAIS Tianshuo XU

Projet de Physique P6

STPI/P6/2013 – 08

Enseignant-responsable du projet :

Didier VUILLAMY

2 Moteur 5 temps

Cette page est laissée intentionnellement vierge.

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN

Département Sciences et Techniques Pour l’Ingénieur

BP 8 – place Emile Blondel - 76131 Mont-Saint-Aignan - tél : 33 2 35 52 83 00 - fax : 33 2 35 52 83 69

3 Moteur 5 temps

Date de remise du rapport : 17/06/2013

Référence du projet : STPI/P6/2013 – 08

Intitulé du projet : Etude du moteur 5 temps

Type de projet : étude, veille technologique

Objectifs du projet (10 lignes maxi) :

Découvrir et étudier le fonctionnement du moteur 5 temps, notamment grâce à une

modélisation et des calculs thermodynamiques.

Mots-clefs du projet (4 maxi) : Moteur, 5 temps, thermodynamique, modélisation

Si existant, n° cahier de laboratoire associé : Non-existant

4 Moteur 5 temps

TABLE DES MATIERES

1. Introduction ......................................................................................................................... 6

2. Méthodologie / Organisation du travail .............................................................................. 6

3. Travail réalisé et résultats ................................................................................................... 7

3.1. Caractéristiques et description du moteur 5 temps ...................................................... 7

3.1.1. Contexte général et fonctionnement du moteur 5 temps ...................................... 7

3.1.2. Comparaison avec les différents moteurs 4 temps ............................................... 8

3.1.3. Développement et avenir du moteur à 5 temps .................................................... 9

3.2. Modélisation des pistons ............................................................................................. 9

3.2.1. Modélisation de la course des bielles ................................................................... 9

3.2.2. Modélisation en trois dimensions ....................................................................... 11

3.3. Etude thermodynamique ............................................................................................ 13

3.3.1. Schéma des cylindres et calculs des volumes .................................................... 13

3.3.2. Etude des différents cycles ................................................................................. 14

3.3.3. Etude des différents cycles ................................................................................. 16

4. Conclusions et perspectives .............................................................................................. 23

4.1. Conclusion et perspective pour la poursuite de ce projet .......................................... 23

4.2. Conclusions sur l’apport personnel de cet E.C. projet .............................................. 23

5. Bibliographie .................................................................................................................... 25

6. Crédits d’illustrations ........................................................................................................ 25

5 Moteur 5 temps

NOTATIONS, ACRONYMES

TC = taux de compression

V = volume

P = pression

T = température

n = nombre de moles

MAO = mathématiques assistées par ordinateur

M = masse molaire

M8 : cours de traitement de données à INSA Rouen

INSA = institut national des sciences appliquées

Q = chaleur apportée

U = énergie interne

W = travail

= capacité thermique molaire à pression/volume constant

= capacité thermique massique à pression/volume constant ρ = masse volumique

= pouvoir calorifique

R = constante des gaz parfait

CAO = conception assistée par ordinateur

c pmol /cvmol

c pmassique/cvmassique

P c

6 Moteur 5 temps

1. INTRODUCTION

De nos jours, avec l'augmentation du prix du pétrole et le réchauffement climatique,

économiser le carburant tout en construisant des voitures plus performantes est devenu un

véritable enjeu pour les constructeurs automobiles. Pour répondre à ce défi, l'entreprise

britannique Ilmor s'est intéressée à un concept inventé par le professeur Gerhard Schmitz,

le Moteur à combustion interne « 5 temps » qui est, comme nous le verrons par la suite,

semblable à un moteur « 4 temps » classique, auquel on ajoute un piston supplémentaire pour

profiter de la pression encore importante des gaz d'échappement qui seront détendus une

deuxième fois afin de fournir un travail plus important au vilebrequin du moteur.

Dans le cadre de nos études en école d'ingénieurs, nous avons choisi comme projet

l'étude de ce nouveau concept. En effet, la plupart d'entre nous sont intéressés soit par le

département Energétique et Propulsion, soit par le département Mécanique, ce qui explique

notre intérêt pour ce projet traitant à la fois de mécanique et de thermodynamique.

Le but de notre projet était de comprendre le fonctionnement de ce moteur et de

comparer ses performances par rapport à un moteur « 4 temps » classique.

Pour y parvenir, nous avons tout d'abord effectué une étude bibliographique à partir de

documents fournis par notre professeur encadrant mais aussi trouvés lors de nos recherches

personnelles afin de mieux comprendre ce concept.

Ensuite, nous avons cherché à comparer ce moteur au moteur « 4 temps » pour voir si

ce concept est viable pour les constructeurs automobiles.

Pour finir, nous avons modélisé le moteur sur différents logiciels afin de pouvoir étudier

par la suite l'évolution des grandeurs thermodynamiques au cours d'un cycle de ce moteur

pour en calculer le travail fourni.

2. METHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL

Etant donné que nous étions deux groupes avec des sujets totalement différents sur le

même créneau horaire pour un seul enseignant-responsable, nous avons eu cours 1h30 toutes

les deux semaines. Il s’agissait en effet de cours théoriques, il nous était donc impossible de

les effectuer sans le professeur.

En ce qui concerne l’organisation du travail, nous nous sommes répartis en trois groupes de

deux, chargés de :

- la recherche bibliographique : caractéristique, fonctionnement et comparaison avec le moteur 4 temps réalisée par Thibault CATHERINEAU et Tianshuo XU

- la modélisation de la course des pistons réalisée par Théophile BUTLER et Sébastien REMOUE

- l’étude et les calculs thermodynamiques réalisés par Rémy GASSAIS et Pierre GAUTIER.

7 Moteur 5 temps

3. TRAVAIL REALISE ET RESULTATS

3.1. Caractéristiques et description du moteur 5 temps

3.1.1. Contexte général et fonctionnement du moteur 5 temps

Dès sa création, le moteur et plus précisément le moteur à 4 temps a révolutionné son

ère. Nous pouvons le trouver dans la voiture, sur un bateau, même à l'intérieur d'un avion, il

est omniprésent et est devenu indispensable pour l’homme. Le moteur à 4 temps est si

important pour nous que nous pourrions même dire que le monde moderne fonctionne grâce à

un moteur ! Sa capacité à produire de l’énergie mécanique de manière continue est en effet

très intéressante dans tous les domaines de la vie industrielle mais aussi quotidienne.

Toutefois, ce moteur a besoin de carburant fossile, qui est aussi la principale source

d'énergie du monde. Cependant, les combustibles fossiles ne sont pas illimités. Or le moteur 4

temps, malgré ses avantages indéniables, consomme beaucoup d’énergie fossile très

rapidement. L’homme cherche donc à améliorer encore et toujours son fonctionnement afin

d’augmenter son rendement et de diminuer sa consommation. Ainsi, le moteur à 5 temps

apparaît.

Le moteur cinq temps est un moteur à combustion interne inventé par le belge Gerhard

Schmitz. Il est constitué de 3 cylindres, deux « petits » identiques, et un « grand » central.

En fait, le moteur 5-temps inventé par Gerhard Schmitz présente de nombreuses

similitudes avec le moteur 4-temps. Les trois premières étapes sont les mêmes que moteur 4-

temps. Ce qui différencie le moteur 5 temps de son prédécesseur est qu'il utilise le gaz

d'échappement (qui est normalement rejeté par la soupape d’échappement) afin produire plus

de travail avec un cylindre supplémentaire. Ici, les gaz brûlés sont envoyés dans le grand

cylindre pour une deuxième détente. Ce cylindre ne reçoit aucune alimentation en carburant,

et il n'y a pas non plus d'allumage. Son piston ne fait que réagir à l'envoi des gaz

d'échappement, créant ainsi un nouveau temps moteur. Le cycle de ce grand cylindre

comporte deux étapes : détente des gaz brûlés et échappement. Ainsi, comme les deux petits

pistons tournent en phase (lorsque l’un est au sommet de sa course, l’autre l’est aussi), mais

sont décalés dans le cycle (lorsque l’un en est à l’étape d’admission, l’autre effectue sa phase

de détente) ; le grand cylindre est alimenté deux fois lors d’un cycle complet d’un petit

cylindre : une fois par le premier, puis une deuxième fois par le second.

8 Moteur 5 temps

Le cycle de ce moteur est donc constitué des étapes suivantes:

- Admission à la haute pression cylindre

- Compression, suivi par le contact

- Première détente des gaz brûlés

- Deuxième détente des gaz brûlés

- Echappement

3.1.2. Comparaison avec les différents moteurs 4 temps

Le moteur 5 temps est très intéressant en terme de rendement puisque grâce à la

double détente, le rapport de détente est alors indépendant du rapport de compression. Cela

permet donc d’éviter une compression trop importante engendrant l’apparition du phénomène

de cliquetis très mauvais pour l’état du piston et de l’ensemble des composants en contact

avec la chambre de combustion (bougie, chemise, joint de culasse). On peut donc

volontairement choisir de garder un rapport de compression relativement faible afin de ne pas

soumettre les pièces du moteur à des contraintes trop importantes. Ceci n’est pas le cas pour

un moteur 4 temps puisque alors les rapports de détente et de compression sont identiques. Si

l’on veut améliorer le rendement, cela passe par une augmentation du rapport de détente mais

donc aussi de celui de compression. On atteint alors vite le rapport de compression trop élevé

déclenchant le phénomène de cliquetis. Ainsi donc le risque de cliquetis limite le rendement

maximum atteignable.

En ce qui concerne l’admission, le moteur 5 temps fonctionne de la même manière que

les moteurs turbo puisqu’il est équipé de turbocompresseurs. Le remplissage est donc optimal,

ce qui n’est pas le cas des moteurs à aspiration naturelle. De plus, comme pour le moteur

turbo, l’énergie résiduelle récupérée dans les gaz d’échappements sert à alimenter la turbine

du turbocompresseur. La différence réside dans le fait qu’il n’y a pas besoin de collecteur

d’échappement puisque l’échappement se fait uniquement au niveau du grand cylindre.

Surtout, l’avantage non négligeable du moteur 5 temps est que le temps dit de post-détente

(c’est-à-dire de détente dans le grand cylindre), et qui correspond au temps d’échappement

dans le moteur 4 temps est un temps moteur. En effet, il entraîne le vilebrequin et offre ainsi

26% de la totalité du travail fourni au vilebrequin, ce qui est considérable, d’autant plus que le

même temps dans le moteur 4 temps (la phase de détente donc), ne fournit lui aucun travail.

De plus, la consommation du moteur 5 temps est égale à celle d’un moteur diesel 4 temps, et

est donc plus faible que celle d’un moteur 4 temps essence. Il est aussi plus léger, moins cher

et plus écologique que le moteur diesel.

Ainsi donc le principal attrait du moteur 5 temps réside dans le fait que son rendement

est plus élevé que celui de n’importe quel moteur 4 temps, notamment grâce à son rapport de

9 Moteur 5 temps

détente de 1:14 sur toute la plage de travail. Les études théoriques et les premiers tests

pratiques montrent donc que le moteur 5 temps est plus intéressant que le moteur 4 temps car

il est plus avantageux, a moins de défauts et surtout est plus rentable. On peut donc se

demander si dans les prochaines années, le moteur 4 temps ne va pas complètement

disparaître au profit de ce nouveau moteur.

3.1.3. Développement et avenir du moteur à 5 temps

L'inventeur du moteur à 5 temps Gerhard Schmitz travaille en collaboration avec une

firme d'ingénierie sous le nom d’Ilmor. Le premier prototype du moteur à 5 temps ayant

atteint un chiffre de la consommation de carburant impressionnante de 226g/kWh. Ilmor

explique que son moteur serait ainsi 10 % plus efficace que n’importe quel moteur 4 temps.

Le prototype de moteur développé n'est pas un moteur de voiture mais il valide l’efficacité du

système. Il y a 4 ans, Ilmor s’apprêtait donc à réaliser un moteur qui pourra être intégré sur

une voiture de grande série. Toutefois, il semblerait que cela n’ait pas eu lieu,

vraisemblablement à cause de problèmes d’investissement, Gerhard Schmitz étant à la

recherche d’investisseurs afin de financer son projet. De plus, ce dernier travaille actuellement

sur la réalisation d’un moteur 6 temps, encore plus efficace et économique.

Mais ce n’est pas pour autant que le moteur 5 temps est obsolète puisqu’il pose les

bases du fonctionnement du moteur 6 temps. C’est pourquoi nous allons maintenant nous

intéresser à la modélisation des pistons ainsi qu’à l’étude thermodynamique du moteur à 5

temps.

3.2. Modélisation des pistons

3.2.1. Modélisation de la course des bielles

Nous avons modélisé la course des pistons dans le moteur 5 temps. Pour réaliser ce

projet, nous avons d'abord cherché à modéliser les courses des bielles afin de pouvoir calculer

les variations du volume en fonction du temps dans les différents pistons, cela nous

permettant ensuite d'effectuer les calculs thermodynamique, afin de pouvoir calculer le travail

fourni par le moteur 5 temps. Dans cette première partie, nous allons chercher à modéliser la

course du piston en fonction de l'angle du vilebrequin et du temps, on considérera alors le

moteur tournant à la vitesse angulaire moyenne de 3000 tours/min.

On calcule d'abord la vitesse angulaire du vilebrequin :

On calcule ensuite les coordonnées des 2 extrémités de la bielle en fonction de l'angle

du maneton autour du vilebrequin. Pour cela, on prend comme unité le rayon séparant la

liaison entre la bielle et le maneton du centre du vilebrequin. On suppose que la bielle

est trois fois plus grande que le rayon.

On note l'angle entre l'horizontale et l'axe porté par le rayon (comme sur le schéma ci-

dessous).

On note O le centre du vilebrequin, A la liaison entre le maneton et le vilebrequin et B l'autre extrémité de la bielle. Voici les coordonnées de ces points :

θ

10 Moteur 5 temps

On constate que est l'inconnue dans ces coordonnées, c'est donc ce que l’on

cherche.

On pose H (comme sur le schéma) le projeté orthogonal de A sur l'axe des y.

On a posé AB = 3 que l'on notera l. On se place dans le schéma suivant :

On peut ainsi entrer les formules dans un tableur afin de modéliser avec un pas de 1°

la course de la bielle autour du vilebrequin.

11 Moteur 5 temps

Capture de valeurs calculées à partir de nos calculs

On peut maintenant modéliser le mouvement de la bielle et du piston sur Microsoft

Excel en utilisant les macros. On obtient l'animation sur cette fenêtre graphique :

Modélisation du piston à l'aide des macros sur Excel

3.2.2. Modélisation en trois dimensions

Le moteur à 5 temps étant différent de la plupart des systèmes motorisés connus, il

nous est donc apparu logique et bénéfique d'en faire une modélisation graphique en trois

dimensions, afin de mieux comprendre les mouvements relatifs des différents pistons. Excel

ne permettant pas une telle modélisation nous avons eu recours à Grapher, un logiciel de

calcul et de modélisation 3D.

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Série1

12 Moteur 5 temps

Cette simulation n'a pas été réalisée de la même manière à partir d'équations

paramétriques. L'équation principale utilisée est la position du point B en fonction de t ou θ.

On a représenté le système vilebrequin + maneton par un cylindre d'équation :

z²+x²=1 Et aussi en paramétriques :

On peut ainsi modéliser les mouvements simultanés des 3 pistons. Cette modélisation

a été simplifiée car les manetons n'apparaissent pas et les pistons ainsi que les bielles n'ont pas

été entièrement représentés mais seulement leurs point principaux car nous n'avons étudié

dans un premier temps le mouvement relatif des 3 pistons. Les points A1, A2 et A3

appartiennent à la surface du cylindre et A3 est « caché » par la vue en perspective du

système.

Modélisation 3D à l'aide de Grapher

La modélisation dans le logiciel

Grapher avec les équations

13 Moteur 5 temps

3.3. Etude thermodynamique

Après la modélisation du moteur 5 temps, nous nous sommes intéressés à la partie

énergétique de ce nouveau moteur en cours de réalisation. Cela nous a donc amené à faire une

étude thermodynamique de notre projet. C'est pourquoi l'objectif de cette partie est de trouver

toutes les caractéristiques en tout point des cycles thermodynamiques liés au moteur 5 temps.

Dans cette partie, nous devons donc retrouver toutes les valeurs de pression et de température

des cycles et tracer les diagrammes de pression en fonction des volumes. Nous avons choisi

de réaliser ces études sur seulement deux cylindres ; le gros cylindre ainsi qu'un des petits. En

effet, les deux petits fonctionnant de la même manière, il est suffisant de ne s'occuper que

d'un seul piston.

3.3.1. Schéma des cylindres et calculs des volumes

3.3.1.1 Schéma du moteur 5 temps

Le schéma ci-dessus représente une modélisation du moteur 5 temps que nous devions

analyser lors de notre projet. Nous pouvons observer les trois cylindres de ce moteur en cours

de réalisation. En effet, il y a deux petits cylindres fonctionnant simultanément ainsi qu'un

gros piston qui permet l'échappement des gaz brûlés. La modélisation effectuée

précédemment nous a montré que ces pistons sont rattachés à un vilebrequin à l'aide de

manetons comme sur les moteurs classiques. De plus, nous avons également mis en avant le

fait que les courses des petits pistons et du gros étaient inversées, c'est à dire que lorsque le

gros piston est en haut, les petits sont en bas et inversement.

3.3.1.2 Calcul des volumes

Sur le schéma ci-dessus, nous avons encadré les différents volumes des deux

cylindres. Suite à la partie sur la modélisation, nous avons effectué les calculs des volumes

grâce à la relation qu'il y a entre la course du piston et le diamètre du cylindre. En effet, une

caractéristique des moteurs est que la course est égale au diamètre du piston. De plus, la

course couverte par le piston correspond à la hauteur du volume de la cylindrée, c’est-à-dire

. C'est pourquoi il a été plutôt facile de trouver les volumes et . Pour ce faire

nous avons utilisé la formule . Nous avons

V 1−V 2V 1 V 1 '

V cylindrée=V 1−V 2=V 1−V 1TC=hcourseπ (d

2)

2

14 Moteur 5 temps

ensuite multiplié cette valeur par un facteur k afin d'avoir un volume proche de celui trouvé

lors des premiers tests réalisés sur le moteur 5 temps. Nous avons obtenu .

Nous avons fait de même pour le gros piston et nous avons obtenu .

Pour calculer les deux autres volumes et , nous avons trouvé sur le site internet consacré au moteur 5 temps, les mesures de la compression des deux cylindres correspondant

au rapport du plus gros volume sur le plus petit. En effet, nous avons les deux relations

suivantes :

Le site nous a donné les valeurs suivantes et .

Calcul des volumes et :

donc on obtient .

ce qui équivaut à .

3.3.2. Etude des différents cycles

Dans cette partie, nous allons étudier les différentes actions qui se déroulent dans le

petit cylindre pendant un cycle, puis celles qui se déroulent dans le grand cylindre. Pour

mieux comprendre ce qui se passe, nous avons choisi d'insérer des schémas représentant les

différents pistons aux différentes phases importantes du cycle, et nous décrirons ce qui se

passe entre chacun des points du graphique.

Cycle du petit piston

A-B : Au point A, la soupape d'admission monte permettant ainsi au mélange air-essence de

rentrer dans le volume V2 du cylindre. Le gaz occupe ensuite le volume total du cylindre qui

correspond à V1 grâce au piston qui descend jusqu'à sa position la plus basse, ce qui

correspond au point B sur le graphique ci-dessous. Cette phase correspond à l'admission.

A-B

B-C

V 1=350 cm3

V 1 '=775cm3

V 2 V 2 '

TC pc=1

7TG gc=

1

25

V 2 V 2 '

V 2=V 1⋅TC pcV 2=50cm3

V 2 '=V 1 '⋅TGgcV 2 '=31cm3

TC pc=V 2

V 1

TC pc=V 2

V 1

15 Moteur 5 temps

B-C : Au point B, la soupape d'admission redescend, coupant ainsi le gaz de tout contact avec

l’extérieur. Du point B au point C, le piston remonte dans le cylindre comprimant ainsi le

mélange gazeux. Cette phase correspond à la compression.

C-D : Au point C, la bougie présente dans le cylindre crée une étincelle, permettant ainsi

d'enflammer tout le gaz comprimé dans le volume V2. En réalité, l'allumage se fait quelques

instants avant car il faut du temps pour enflammer tout le gaz, et si on avait allumé la bougie

au point C, le piston aurait commencé à redescendre avant que la totalité du gaz ne soit brûlée

ce qui aurait induit une perte de rendement. Cependant, on considérera dans la théorie que la

combustion est instantanée et donc que l'étincelle est créée au point C. Du point C au point D,

on assiste donc à la combustion du mélange.

C-D

D-E

D-E : Au point D, tout le gaz est enflammé et le piston est encore en position haute. Jusqu'au

point E, on assiste donc à une détente du gaz, car le piston redescend en position basse. Le

gaz brûlé occupe ainsi tout le volume V1 du cylindre en E. Cette étape correspond à la

détente du mélange air-essence.

E-A : Au point E, la soupape d’échappement s'ouvre. Du point E au point A, le piston

remonte et permet donc au gaz de sortir du petit cylindre pour aller dans le grand cylindre.

Une fois que le piston est arrivé à sa position haute, on se retrouve dans l'état initial du

cylindre qui correspond au point A et celui-ci est donc prêt à réaliser un nouveau cycle. Le

gaz, quand à lui, poursuit sa course jusqu'au point G du gros cylindre.

Cycle du grand piston

Nous allons maintenant passer à l’étude du gros cylindre. Il faut savoir que dans le moteur 5

temps, la montée et la descente des pistons du gros et du petit cylindre se font en alternance,

c'est à dire que lorsque le piston du petit cylindre est en position haute, celui du gros cylindre

est en position basse.

16 Moteur 5 temps

I-E : Au point G, la soupape d’échappement du petit cylindre s'ouvre afin de permettre au

mélange gazeux initialement présent dans le petit piston de pouvoir rentrer et de remplir le

volume V2'.

E-F : Durant cette phase, on assiste à la descente du

piston, permettant d'absorber dans le gros cylindre le

mélange air-essence brûlé qui était présent dans le petit

cylindre. Le gaz occupant initialement le volume V1 est

localisé dans le gros cylindre. Le piston du deuxième

cylindre n'a pas encore atteint sa position basse, il est en

position intermédiaire. Cette phase correspond à

l'admission.

F-G : La soupape d’échappement du petit cylindre se ferme, isolant ainsi le deuxième cylindre

de tout contact avec l’extérieur. Durant cette phase, le piston descend de sa position

intermédiaire jusqu'à sa position basse afin de réaliser une deuxième détente pour le mélange

air-essence dans le but de créer du travail. Cette phase correspond à la détente des gaz.

G-H : Cette phase correspond à l'ouverture de la soupape

d’échappement du gros cylindre qui va permettre aux gaz brûlés

ayant subi une deuxième détente dans le gros cylindre de

pouvoir s'échapper.

H-I : De J à G, le piston remonte poussant ainsi les gaz présents

dans le gros cylindre vers l’extérieur. Ce dernier retrouve alors

sa position de début de cycle et est maintenant prêt à répéter ces

phases pour le deuxième petit cylindre. En effet, dans le moteur

5 temps, les deux petits pistons fonctionnent en alternance, c'est

à dire que lorsqu’un cylindre réalise une admission, le deuxième

réalise une détente.

3.3.3. Etude des différents cycles

Dans cette partie, nous nous intéressons au calcul des caractéristiques au niveau de chaque

point des deux cycles thermodynamiques que nous avons réalisés. Pour le petit cylindre, nous

avons fait des calculs à partir de nos connaissances en thermodynamique acquises lors des

derniers semestres à l'INSA. Pour le gros cylindre, nous avions cinq équations avec de

nombreuses inconnues. C'est pourquoi nous avons décidé d'utiliser le logiciel Maple vu lors

des cours de MAO de ce semestre pour les résoudre et Matlab pour modéliser les cycles du

petit et du gros piston.

3.3.3.1 Etude du petit cylindre

Au point A, nous connaissons toutes les caractéristiques du mélange air-essence. En

effet, on a bar, et . La température est légèrement P A=0,9 V 2=50cm3T A=328 K

17 Moteur 5 temps

supérieure à la celle ambiante à cause des différents apports et transferts qui se produisent au

sein du moteur.

De A à B, nous avons une isobare qui traduit une augmentation de volume donc on passe de

à avec . S'agissant d'une isobare, bar. La température de

B est équivalente à celle de A puisque même s'il y a une augmentation de volume, il y a un

apport de matière donc nous avons fixé .

De B à C, le phénomène visible est une compression adiabatique. On peut utiliser les

différentes équations de Laplace pour trouver toutes les caractéristiques du point C. Nous

savons tout d'abord que le volume en C est . Pour trouver la pression en C, nous utilisons

la formule la plus courante de Laplace qui est . Puisqu'il s'agit d'une compression

adiabatique, nous avons la relation suivante : ce qui équivaut à

. Après application numérique, on obtient bar.

Pour trouver on utilise une autre équation de Laplace qui est

ce qui nous donne :

On a alors, après application numérique . Cependant, dans cette étude nous avons considéré qu'il n'y avait pas d'échanges thermiques avec l'extérieur ce qui est évidemment

faux dans la pratique. C'est pourquoi après discussion avec M. VUILLAMY nous avons fixé

une température en C inférieur à celle trouvée lors de notre calcul. Nous prendrons donc pour

la suite .

Entre C et D, le phénomène observable est la combustion du mélange air-essence. Il

s'agit d'une isochore donc nous pouvons facilement trouver la température au point D à l'aide

du premier principe de la thermodynamique. En effet, nous savons que le premier principe

s'écrit : . Nous sommes en présence d'une isochore donc le travail est nul ce qui

signifie que . De plus nous savons que . Nous obtenons donc

finalement la relation suivante : . C'est la raison pour laquelle il

nous faut déterminer la chaleur apportée par la combustion. Pour ce faire, nous avons la

relation où représente le pouvoir calorifique de l'essence et la masse d'essence dans le mélange.

Calculons tout d’abord : Nous savons que 1 kg d'essence équivaut environ à 16 kg d'air. Il nous suffit donc de

trouver la masse de l'air dans le mélange et d'en déduire .

Nous avons la formule suivante . Après calcul, nous obtenons

Or nous savons que ce qui signifie .

Calculons ensuite :

V 2 V 1V 1=350 cm3

PB=P A=0,9

T B=328 K

V 2

P (V )γ=cste

PC(V 2)γ=PB (V 1)

γ

PC=P B(V 1

V 2

)

γ

PC=13,72

T C

(PC)(γ−1)

(T C)−γ=(PB)

(γ−1)(T B)

−γT C=(

PB

PC

)

(γ−1−γ

)

T B

T C=714 K

T C=550 K

ΔU=W+Q

W=0 ΔU=m(cvmassique)ΔT

Q=m(cvmassique)(T D−T C)

Qapport=(mess)Pc P c mess

mess

mess

mair=ρV 1 mair=0,38g

mess=mair

16 mess=0,0239 g

P c

18 Moteur 5 temps

Nous savons que le pouvoir calorifique de l'essence est de 10000 kcal/kg. La

conversion entre calorie et joule étant de 4,18, nous avons alors .

Calcul de :

Nous savons que ainsi que .

Or nous avons la relation où R est la constante des gaz parfaits et R=8,314

J/mol/K. L'équation précédente implique donc avec

. On obtient alors

Nous avons désormais toutes les données pour obtenir .

Nous avons la relation ce qui implique que

On obtient donc finalement .

Pour trouver la pression au point D, il nous a suffit d'utiliser l'équation des gaz parfaits qui est

. Il nous faut trouver n pour réaliser ce calcul. Nous connaissons la relation

suivante donc on obtient .

Nous avons la relation donc une pression en D égale à bar.

Le volume au point D est le même que celui de C c'est à dire puisque il s'agit d'une transformation isochore.

Entre D et E, nous avons une détente adiabatique c'est pourquoi les formules de

Laplace sont toujours valables. Nous savons tout d'abord que le volume en E est .

Puisqu'il s'agit d'une détente adiabatique, nous avons la relation suivante :

ce qui équivaut à . Après l'application numérique, on obtient bar.

Pour trouver on utilise l'autre équation de Laplace qui est

ce qui nous donne :

On obtient alors, après application numérique .

Enfin la courbe thermodynamique retourne au point A pour terminer le cycle. On

revient donc aux résultats obtenus au début de cette partie c'est à dire bar,

et . Puis le cycle recommence à nouveau jusqu'à l'arrêt du moteur.

Grâce aux valeurs obtenues au niveau de tous les points du cycle thermodynamique, nous

avons décidé de faire une petite modélisation des courbes obtenues sur Matlab. En effet, à

l'aide des pressions et volumes calculés en chaque point du cycle, il nous a été facile de tracer

la courbe thermodynamique représentant le petit piston.

Nous avons obtenus la courbe suivante :

Pc=41,8 MJ /kg

cvmassique

γ=1,4 c pmol=1000 J / kg/K

c pmol−cvmol=R

cvmassique=c pmassique−R

M air

M air=0,029 kg/mol cvmassique=714 J /kg

T D

Q=m(cvmassique)(T D−T C)T D=

Q

m(cvmassique)T C

T D=4236 K

PV=nRT

n=mair

M air n=0,013mol

PD=nRT

V 2 PD=92,3

V 2

V 1

PD (V 2)γ=PE (V 1)

γ

PE=P D(V 2

V 1

)

γ

PE=6,05

T E

(P D)(γ−1)

(T D)−γ=(PE )

(γ−1)(T E)

−γT E=(

PD

P E

)

(γ−1−γ

)

T D

T E=1945K

P A=0,9

V 1=350 cm3T A=328 K

19 Moteur 5 temps

On peut observer une très nette ressemblance avec les cycles visibles sur la vidéo qui nous a

aidée à effectuer cette étude du moteur 5 temps et dont nous vous en montrerons l'essentiel

lors de la soutenance de notre projet. La courbe est aussi en accord avec ce que nous avions

définis avec M. VUILLAMY puisque nos calculs correspondent aux résultats prévus par notre

professeur. De plus, cela paraît correct par rapport à un moteur classique.

3.3.3.2 Etude du grand cylindre

L'étude du grand cylindre a été totalement différente de celle du petit piston. En effet,

nous avons tout d'abord étudié le transfert des gaz brûlés entre les petits pistons et le grand

afin de pouvoir dessiner le cycle thermodynamique qui pourrait avoir lieu dans ce grand

piston. Pour ce faire, nous avons un système de cinq équations à résoudre ce qui n'a pas été

chose aisée. C'est pourquoi nous nous sommes servis des connaissances acquises en MAO

lors de ce semestre et plus précisément du logiciel Maple. Les équations que nous avions à

résoudre sont :

1) 2)

3) 4)

5)

m1f+m2f=m1+m2

PE (V 1)γ=

m1f

M air

RT E1 '

PE (V 2 ' )γ=

m2f

M air

RT E2 'm1f

M air

(cvmassique)T E+m2f

M air

(cvmassique)T I=m1f

M air

(cvmassique)T E1 '+m2f

M air

(cvmassique)T E2 '

(PE )(γ−1)

(T E)−γ=(PE)

(γ−1)(T E1 ' )−γ

20 Moteur 5 temps

Voici un schéma représentant le transfert ayant lieu entre le petit et le grand piston :

Transfert

Transfert

Pour ce transfert nous avons créé un point fictif E' qui nous a permis d'avoir le transfert réel

entre les deux cylindres. Nous connaissons les caractéristiques du point I c'est à dire

bar, et .

Après nous avons retranscrit sur Maple les équations trouvées lors de nos heures consacrées

au projet. Les calculs effectués sur ce logiciel sont présents sur les images qui suivent.

P I=0,9

V I=V 2 '=31cm3T I=328K

P(E),T(E)

m1

V1

P(I),T(I)

m2

V2'

P(E')

T(E1')

m1f

P(E')

T(E2')

m2f

21 Moteur 5 temps

Explication des calculs :

Nous avons donc inséré le système d'équation sous le nom d'une variable S. Nous avons

ensuite utilisé la fonction solve qui permet de résoudre le système mis en entrée, en fonction

des variables m1f, m2f, Te1f, Te2f, Pef. Les solutions obtenues sont celles marquées en bleu

dans l'image ci-dessus, mais elles dépendent encore d'autres variables que nous avons

calculées dans l'étude des cycles. Grâce à la fonction eval nous avons donc remplacé toutes

ces variables par leurs valeurs dans les solutions, afin d'obtenir les solutions numériques

indiquées en bleu à la dernière ligne.

Nous connaissons donc désormais les caractéristiques de E. On a bar,

puisque nous sommes en présence d'une isochore. Enfin, on a . Nous avons aussi la pression et la température du point F. En effet, nous sommes sur une

isobare donc c'est à dire bar. A l'aide de Maple nous avons .

Ne connaissant pas les longueurs des manetons de ce moteur encore en cours de réalisation

nous avons supposé que . De F à G, nous sommes en présence d'une détente adiabatique. C'est pourquoi comme

dans la partie précédente nous pouvons utiliser les équations de Laplace. Nous savons tout

d'abord que le volume en G est . Puisqu'il s'agit d'une détente adiabatique, nous

PE=5,68

V I=V E=31cm3T E=1905K

PE=P F PF=5,68 T F=1222 K

V F=333,5cm3

V 1 '=775cm3

22 Moteur 5 temps

avons la relation suivante : ce qui équivaut à . Après

l'application numérique, on obtient bar.

Pour trouver on utilise l'autre équation de Laplace qui est ce

qui nous donne : .

On obtient alors, après application numérique . En H, lorsqu'on ouvre la soupape, on obtient de nouveau la pression en I donc nous avons

bar. Nous avons aussi le même volume qu'en G donc . Pour la température, on

utilise de nouveau l'équation des gaz parfaits d'où c'est à dire .

Enfin, la courbe termine en I pour fermer le cycle. On obtient donc de nouveau les

caractéristiques précédemment calculées. Et le cycle recommence jusqu'à l'arrêt du moteur.

Nous avons également modélisé le cycle du grand piston sur Matlab ce qui nous a donné :

Nous obtenons donc un cycle en accord avec les explications de la partie précédente.

PF (V F )γ=PG(V 1 ')γ

PG=PF (V F

V 1 ')

γ

PE=1,74

(PF )(γ−1 )

(T F)−γ

=(PG)(γ−1)

(T G)−γ

T G=(PF

PG

)

(γ−1−γ

)

T F

T G=872 K

PH=0,9 V 1 '

T H=P H V 1 ' M air

mair R T H=640 K

23 Moteur 5 temps

4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

4.1. Conclusion et perspective pour la poursuite de ce projet

Notre projet nous a amené à l'étude du moteur 5 temps. Pour ce faire, nous avons dans

un premier temps comparer ce nouveau type de moteur avec un 4 temps classique, puis nous

en avons réalisé une modélisation, à l'aide des logiciels Excel et Grapher, et enfin nous avons

entrepris une étude thermodynamique grâce aux logiciels maple et Matlab.

D’après ce que nous avons pu observer tout au long de notre étude, il en ressort que le

moteur 5 temps présente plus d'avantages que le moteur 4 temps, tant au niveau énergétique

que économique. Ceci est dû à l'ajout d'un piston qui permet une deuxième détente des gaz.

Ce moteur utilise donc de manière plus efficace est plus approfondie l'énergie du mélange air-

essence. Bien qu'il semble que ce projet ait été mis de côté par son créateur qui est passé

directement à la réalisation d'un moteur 6 temps au fonctionnement similaire, le moteur 5

temps annonce le début d'une nouvelle ère dans le domaine de la motorisation et la fin du

règne du 4 temps.

La modélisation que nous avons effectuée lors de ce projet nous a permis de mieux

visualiser le fonctionnement de ce moteur révolutionnaire, tout en nous aidant à réaliser

l'étude thermique en calculant certaine valeurs indispensable. Cette étude a facilité notre

compréhension des différents cycles d'un moteur. De plus l'étude du transfert entre les deux

pistons était une partie intéressante dans le projet, car elle correspond à la phase innovante de

ce moteur.

Un prolongement de ce projet pourrait par exemple consister à la réalisation du moteur

sous un logiciel de CAO, afin de voir son fonctionnement comme si l’on avait un vrai moteur

sous les yeux.

Nous avons donc pu mettre en place toutes les connaissances acquises lors des

derniers semestres à l'INSA, afin de réaliser une étude des plus claires et des plus précises

possible. Pour ce faire, nous avons dû travailler en groupe. Ceci nous a permis nous a permis

d'en apprendre plus sur notre futur métier d'ingénieur puisque dans les années à venir nous

devrons travailler en équipe au sein d'une entreprise, ce qui n'est pas chose aisée.

4.2. Conclusions sur l’apport personnel de cet E.C. projet

Théophile BUTLER

"Un travail de groupe représente toujours une tâche particulière à accomplir. En effet il doit

être axé autour d'une organisation des plus efficaces. J'ai donc tout au long du projet eu

l'occasion d'améliorer en terme de de communication, ma relation avec les autres membres du

groupe. D'un point de vu plus scientifique, le moteur 5 temps représentait, à la base, un sujet

que je méconnaissais. Ce travail m'a permis d'étendre mes connaissances en ce qui concerne

les innovations énergétiques. J'ai par ailleurs été en mesure de me familiariser avec un logiciel

de modélisation 3D qui m'était tout à fait inconnue avant le début du projet. Je dirai pour finir

que l'ensemble du projet m'a conforté dans mon choix de spécialité pour l'an prochain, à

savoir énergétique et propulsion. "

24 Moteur 5 temps

Thibault CATHERINEAU

"Ce projet a été une expérience très enrichissante, puisqu’elle m’a permis de mieux

comprendre le fonctionnement d’un moteur, objet présent en permanence au quotidien et dont

on ne peut actuellement pas se passer, tout en découvrant les différences entre les différents

types de moteurs, et comment les défauts de l’un emmenaient à réfléchir à un nouveau

fonctionnement plus efficace. De plus, ce projet m’a permis de travailler en équipe sur un

sujet actuel puisque ce moteur est encore au stade de prototype, et donc de m’intéresser au

domaine de la recherche scientifique. "

Rémy GASSAIS

"Ce projet m'a énormément surpris puisqu'il m'a permis de découvrir plus en détail le travail

qu'un ingénieur doit effectuer lors de sa carrière. En effet, nous sommes parti d'un nouveau

type de moteur récemment breveté et nous en avons fait une modélisation et une étude

thermodynamique. Cette dernière partie m'a passionnée et a conforté mon choix envers le

département EP de l'INSA de Rouen. De plus, ce projet m'a permis d'appliquer les

connaissances acquises lors des derniers semestres. Ce fut donc un réel apport pour les

prochaines années scolaires mais aussi pour ma carrière après l'INSA. "

Pierre GAUTIER

"N'étant pas initialement passionné de mécanique, j'ai quand même apprécié ce projet dans

toute sa partie mathématique avec les résolutions d’équations par exemple. Ceci m'a permis

de me servir de Maple et Matlab, logiciels que j'ai appris à utiliser en M8 et M10, mais que je

n'avais appliqué à des problèmes de physique « pure ». "

Sébastien REMOUE

"Je pense que ce projet m'a beaucoup apporté dans mon apprentissage du métier d'ingénieur,

en effet, j'ai pu découvrir plus en détail le fonctionnement d'un moteur de voiture, ce qui est

important pour moi qui souhaiterais intégrer le département Mécanique l'an prochain. De plus,

ce projet a été pour moi une illustration concrète de mes cours de mécanique et de

thermodynamique. "

Tianshuo XU

"J'ai beaucoup appris grâce à ce projet. Tout d'abord, j'ai eu une meilleure compréhension sur

le moteur et comment il fonctionne. Ensuite, je savais aussi le développement de ce domaine

et par la recherche de ce nouveau type de moteur, j'avais plus d'intérêts dans le monde de

l'industrie. Enfin, ce projet a amélioré mes compétences de travail en équipe, ce qui va

certainement profiter à ma future carrière en tant qu'ingénieur. "

25 Moteur 5 temps

5. BIBLIOGRAPHIE

- Encyclopédie :

WIKIPEDIA : http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_cinq_temps (valide à la date du

15/06/2013).

- Sites internet :

http://www.moteur-5-temps.com

http://www.ilmor.co.uk/news_7.php

http://www.moteurnature.com/actu/uneactu.php?news_id=24997

(valides à la date du 15/06/2013).

6. CREDITS D’ILLUSTRATIONS

http://www.youtube.com/all_comments?v=KAveCpmma8Q , image des 3 pistons (1ere partie).

http://www.cnetfrance.fr/cartech/moteur-5-temps-ilmor-39703133.htm , CNET France, Benoît Solivellas. (valides à la date du 15/06/2013)