MÉCANIQUE APPLIQUÉE : MACHINES MOTRICES, 4 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de fournir au futur technicien une compréhension approfondie du fonctionnement, de la technologie et des performances des machines motrices, qui sont au cœur de la production d’énergie mécanique. Au terme de cette année, l’élève devra maîtriser les principes des moteurs à combustion interne (essence et diesel) et posséder une connaissance fonctionnelle des grandes familles de turbomachines (turbines à gaz, à vapeur, hydrauliques). L’accent est mis sur la capacité à analyser un cycle de fonctionnement, à interpréter des courbes de performance et à identifier les principaux systèmes technologiques qui composent ces moteurs.

Approche Didactique et Méthodologique 🔥

L’enseignement s’appuie sur les bases de la thermodynamique et de la mécanique des fluides pour expliquer la conversion d’énergie. Chaque type de machine est étudié à travers une démarche logique : présentation du cycle thermodynamique de principe, analyse du cycle réel, étude technologique détaillée des composants, et analyse des performances (puissance, couple, rendement). Le cours privilégie la compréhension physique des phénomènes et s’appuie sur de nombreux schémas, coupes de moteurs et diagrammes pour illustrer le propos. Des séances de travaux pratiques de démontage, d’observation et de diagnostic sur des moteurs réels sont indispensables.

Contexte Industriel et Applications 🌍

La pertinence du cours est assurée par des exemples concrets tirés des réalités énergétiques et industrielles de la RDC. Les moteurs à combustion interne sont étudiés en lien avec les groupes électrogènes qui pallient les délestages à Kinshasa, les engins miniers du Katanga, les véhicules de transport sur les grands axes nationaux, ou encore les moteurs des barges naviguant sur le fleuve Congo. Les turbines hydrauliques sont directement associées aux grands barrages hydroélectriques d’Inga et de Zongo, qui constituent la principale source d’énergie du pays.

Partie I : Principes Fondamentaux de la Thermodynamique Appliquée

Cette partie introductive établit le socle de connaissances en thermodynamique, indispensable pour comprendre comment la chaleur issue d’un combustible peut être convertie en travail mécanique, principe de base de tous les moteurs thermiques.

Chapitre 1 : Les Bases de la Conversion d’Énergie Thermique

Ce chapitre a pour but de fournir le langage et les lois fondamentales pour décrire les transformations subies par le fluide de travail (généralement l’air) dans un moteur.

1.1. Principes de la Thermodynamique et Lois des Gaz Parfaits

Les concepts d’énergie interne, de chaleur et de travail sont définis. Les lois des gaz parfaits (Mariotte, Gay-Lussac, Charles) et l’équation d’état () sont rappelées comme étant le modèle mathématique qui décrit le comportement du fluide moteur.

1.2. Le Concept de Cycle Thermodynamique

Un cycle thermodynamique est défini comme une succession de transformations qui ramènent un fluide à son état initial. Il est expliqué que c’est au cours d’un cycle que la conversion nette de chaleur en travail peut avoir lieu, et que le travail produit est représenté par l’aire du cycle dans un diagramme Pression-Volume.

1.3. Les Transformations (Isotherme, Adiabatique, Isobare, Isochore)

Les quatre transformations thermodynamiques de base sont décrites et représentées dans le diagramme P-V : transformation à température constante (isotherme), sans échange de chaleur (adiabatique), à pression constante (isobare) et à volume constant (isochore).

1.4. Notion de Pouvoir Calorifique des Combustibles

Le pouvoir calorifique (inférieur et supérieur) est défini comme la quantité d’énergie thermique libérée par la combustion complète d’une unité de masse de combustible. Cette grandeur est essentielle pour calculer le rendement thermique d’un moteur.

Partie II : Les Moteurs à Combustion Interne à Allumage Commandé (Essence)

Cette partie est consacrée à l’étude détaillée du moteur à essence, qui équipe la grande majorité des véhicules légers et de nombreux petits groupes électrogènes.

Chapitre 2 : Le Cycle à 4 Temps et ses Performances

Ce chapitre dissèque le cycle de fonctionnement et analyse les paramètres qui gouvernent la performance du moteur à essence.

2.1. Description du Cycle de Beau de Rochas

Les quatre temps du cycle (admission, compression, combustion-détente, échappement) sont décrits en détail, en suivant le mouvement du piston et l’ouverture/fermeture des soupapes.

2.2. Analyse du Diagramme Pression-Volume (Théorique et Réel)

Le cycle théorique est tracé dans le diagramme P-V. Les différences avec le cycle réel (arrondis, pertes par pompage) sont ensuite analysées pour comprendre les sources d’irréversibilité et de pertes.

2.3. Les Grandeurs de Performance : Puissance, Couple et Rendement

Les grandeurs qui caractérisent un moteur sont définies : la puissance (liée à la vitesse), le couple (lié à l’effort de rotation) et le rendement (qui mesure l’efficacité de la conversion d’énergie). Les courbes caractéristiques sont introduites.

2.4. Le Rapport Volumétrique et son Influence sur le Rendement

Le rapport volumétrique est défini comme le rapport entre le volume maximal et le volume minimal dans le cylindre. Il est montré que l’augmentation de ce rapport est le principal levier pour améliorer le rendement thermique du moteur, limité cependant par le phénomène de cliquetis.

Chapitre 3 : Les Systèmes d’Alimentation et d’Allumage

Ce chapitre étudie la technologie des deux systèmes vitaux qui assurent la préparation du mélange air-carburant et son inflammation au bon moment.

3.1. La Carburation : Rôle et Fonctionnement d’un Carburateur Élémentaire

Le rôle du carburateur est d’assurer le bon dosage air-essence. Son principe de fonctionnement, basé sur l’effet Venturi, est expliqué pour les différents régimes du moteur (ralenti, pleine charge).

3.2. Introduction à l’Injection Électronique d’Essence

L’injection électronique est présentée comme la technologie moderne qui a remplacé le carburateur, offrant un meilleur contrôle du dosage, une réduction de la consommation et de la pollution, un enjeu majeur pour les grandes agglomérations comme Kinshasa.

3.3. Le Système d’Allumage Classique (Bobine, Rupteur, Distributeur)

La chaîne de l’allumage traditionnel est décrite : la batterie, la bobine (qui agit comme un transformateur élévateur), le rupteur (qui coupe le courant primaire) et le distributeur (qui aiguille la haute tension vers la bonne bougie).

3.4. L’Avance à l’Allumage et l’Indice d’Octane

La nécessité de déclencher l’étincelle avant le point mort haut (avance à l’allumage) pour optimiser la combustion est expliquée. L’indice d’octane est défini comme la capacité du carburant à résister au cliquetis.

Chapitre 4 : Les Systèmes Auxiliaires et le Moteur à 2 Temps

Ce chapitre couvre les autres systèmes essentiels à la vie du moteur ainsi qu’une variante importante du cycle de fonctionnement.

4.1. Le Circuit de Lubrification : Pression, Filtration et Refroidissement de l’Huile

Le rôle crucial de la lubrification pour réduire les frottements et évacuer la chaleur est détaillé. Le circuit de lubrification sous pression (pompe, filtre, manocontact) est analysé.

4.2. Le Circuit de Refroidissement : par Air et par Liquide

La nécessité d’évacuer environ un tiers de l’énergie du combustible sous forme de chaleur pour éviter la surchauffe est expliquée. Les deux systèmes (refroidissement par air et par circuit liquide avec radiateur et thermostat) sont comparés.

4.3. La Distribution : Commande des Soupapes (Arbre à cames)

Le mécanisme de la distribution, qui assure l’ouverture et la fermeture synchronisées des soupapes grâce à l’arbre à cames entraîné par le vilebrequin, est décrit. Le diagramme de distribution (épure circulaire) est introduit.

4.4. Le Moteur à Deux Temps : Principe et Applications

Le cycle du moteur à deux temps, qui réalise un cycle moteur complet en un seul tour de vilebrequin, est expliqué. Ses avantages (simplicité, puissance massique élevée) et ses inconvénients (consommation, pollution) justifient ses applications (motos, petits engins).

Partie III : Les Moteurs à Combustion Interne à Allumage par Compression (Diesel)

Cette partie est dédiée au moteur diesel, la machine motrice de choix pour les applications lourdes (camions, locomotives, navires, groupes électrogènes de forte puissance) grâce à son rendement élevé et sa robustesse.

Chapitre 5 : Le Cycle Diesel et ses Variantes

Ce chapitre analyse les spécificités du cycle thermodynamique du moteur diesel, qui le différencient fondamentalement du moteur à essence.

5.1. Le Principe de l’Allumage par Compression

Le principe fondamental du moteur diesel est expliqué : l’air seul est admis et fortement comprimé, ce qui élève sa température au-delà du point d’auto-inflammation du gazole, qui est alors injecté et s’enflamme spontanément.

5.2. Le Cycle Diesel Théorique à Pression Constante

Le cycle théorique de Diesel, avec son introduction de chaleur à pression constante, est tracé dans le diagramme P-V et comparé au cycle de Beau de Rochas.

5.3. Le Cycle Mixte (Sabathé) pour les Moteurs Rapides

Le cycle mixte, avec une partie de la combustion à volume constant et une partie à pression constante, est présenté comme un modèle plus réaliste pour les moteurs diesel modernes à haute vitesse de rotation.

5.4. Comparaison des Performances et des Rendements (Essence vs. Diesel)

Une comparaison des deux types de moteurs est menée. Le rendement supérieur du moteur diesel, dû à son rapport volumétrique beaucoup plus élevé, est mis en avant comme son avantage décisif.

Chapitre 6 : Le Système d’Injection Diesel

Ce chapitre se concentre sur le cœur technologique du moteur diesel : le système d’injection à très haute pression, qui assure le dosage et la pulvérisation du carburant.

6.1. Rôle du Système d’Injection : Dosage, Pulvérisation et Avance

Les fonctions critiques du système d’injection sont détaillées : injecter une quantité de carburant très précise, finement pulvérisée, au bon moment (avance à l’injection) et avec une loi d’injection déterminée.

6.2. La Pompe d’Injection en Ligne : Technologie et Réglage

La technologie de la pompe d’injection en ligne, avec un élément de pompage (piston-cylindre) par cylindre du moteur, est décrite. Le principe du réglage du débit par rainure hélicoïdale sur le piston est expliqué.

6.3. L’Injecteur : Organe de Pulvérisation du Combustible

L’injecteur est présenté comme la « seringue » de haute précision qui pulvérise le gazole dans la chambre de combustion. Sa constitution (aiguille, ressort de tarage, orifices) et son fonctionnement sont analysés.

6.4. Notions sur les Systèmes Modernes (Common Rail)

Une introduction aux systèmes d’injection à rampe commune (Common Rail) est faite. Leur principe (une haute pression constante dans une rampe et des injecteurs commandés électroniquement) et leurs avantages (meilleur contrôle, réduction du bruit et des émissions) sont soulignés.

Chapitre 7 : La Suralimentation et les Performances des Moteurs Diesel

Ce chapitre explore la technique de la suralimentation, aujourd’hui quasi-systématique sur les moteurs diesel, qui permet d’en augmenter considérablement la puissance.

7.1. Objectif de la Suralimentation : Augmenter la Puissance Massique

L’objectif est expliqué : en forçant plus d’air dans les cylindres, on peut brûler plus de carburant à chaque cycle, et donc augmenter la puissance du moteur sans en augmenter la cylindrée.

7.2. La Suralimentation par Compresseur Mécanique

La suralimentation par un compresseur (de type Roots par exemple) entraîné mécaniquement par le moteur est décrite. Son avantage est de fournir une surpression dès les bas régimes.

7.3. La Suralimentation par Turbocompresseur sur Gaz d’Échappement

Le turbocompresseur est présenté comme la solution la plus répandue. Il utilise l’énergie, normalement perdue, des gaz d’échappement pour entraîner une turbine qui, à son tour, entraîne un compresseur, améliorant ainsi le rendement global.

7.4. Le Refroidisseur d’Air d’Admission (Intercooler)

Le rôle de l’échangeur air/air ou air/eau (intercooler) est expliqué : en refroidissant l’air après sa compression, on augmente sa densité, ce qui permet d’en introduire une plus grande masse dans les cylindres et d’augmenter encore la puissance.

Partie IV : Introduction aux Turbomachines

Cette partie offre un panorama des machines motrices où la conversion d’énergie est réalisée par l’action dynamique d’un fluide sur une roue à aubes (turbine), technologie privilégiée pour les très fortes puissances.

Chapitre 8 : Les Turbines à Gaz et les Turboréacteurs

Ce chapitre est consacré à la turbine à gaz, un moteur thermique à combustion continue, et à son application la plus connue, la propulsion aéronautique.

8.1. Le Cycle de Brayton : Principe de la Turbine à Gaz

Le cycle thermodynamique de la turbine à gaz (compression, chauffage isobare, détente) est décrit. Sa simplicité (pas de changement de phase) est mise en avant.

8.2. Constitution : Compresseur Axial, Chambre de Combustion, Turbine

La chaîne des trois composants principaux est présentée : le compresseur (souvent axial) qui comprime l’air, la chambre de combustion où le carburant est injecté et brûlé, et la turbine qui est entraînée par les gaz chauds détendus.

8.3. Applications Industrielles (Production d’électricité, pompage)

Les applications stationnaires de la turbine à gaz sont listées : entraînement de génératrices électriques dans les centrales thermiques ou pour l’alimentation de sites isolés (plateformes pétrolières, sites miniers), et entraînement de compresseurs sur les gazoducs.

8.4. Le Turboréacteur : Principe de la Propulsion par Réaction

Le principe du turboréacteur est expliqué : la turbine n’est utilisée que pour entraîner le compresseur, et l’essentiel de l’énergie des gaz chauds est converti en énergie cinétique dans une tuyère pour générer une poussée.

Chapitre 9 : Les Turbines à Vapeur et le Cycle de Rankine

Ce chapitre aborde la technologie qui est à la base de la majorité de la production mondiale d’électricité dans les centrales thermiques et nucléaires.

9.1. La Production de Vapeur : Rôle de la Chaudière

Le rôle de la chaudière, qui produit de la vapeur d’eau à haute pression et haute température à partir de la chaleur d’une combustion ou d’une réaction nucléaire, est expliqué.

9.2. Le Cycle de Rankine : Principe de la Conversion d’Énergie

Le cycle thermodynamique de l’eau (pompage, vaporisation, détente dans la turbine, condensation) est décrit. L’importance du changement de phase pour le fonctionnement du cycle est soulignée.

9.3. Constitution d’une Turbine à Vapeur (à Action, à Réaction)

La constitution d’une turbine à vapeur, souvent composée de plusieurs corps (haute, moyenne et basse pression) est décrite. La distinction entre les étages à action et à réaction est expliquée.

9.4. Applications : Centrales Thermiques et Nucléaires

Les turbines à vapeur sont présentées comme les machines de choix pour la conversion de l’énergie thermique en électricité dans les centrales de forte puissance, y compris les projets de développement énergétique en RDC.

Chapitre 10 : Les Turbines Hydrauliques

Ce chapitre est consacré aux machines qui convertissent l’énergie potentielle et cinétique de l’eau en énergie mécanique, une ressource énergétique majeure pour la RDC.

10.1. Classification des Turbines Hydrauliques (Pelton, Francis, Kaplan)

La classification des turbines hydrauliques est présentée, en montrant que le choix de la technologie dépend principalement de la hauteur de la chute d’eau disponible.

10.2. La Turbine Pelton pour les Hautes Chutes

La turbine Pelton (à action) est décrite. Elle est adaptée aux très hautes chutes et faibles débits. Son principe, basé sur l’impact d’un jet d’eau sur des augets, est expliqué.

10.3. La Turbine Francis pour les Chutes Moyennes

La turbine Francis (à réaction) est présentée comme la machine la plus polyvalente, couvrant le domaine des chutes moyennes. C’est la technologie utilisée dans de nombreux barrages, y compris sur le site de Zongo.

10.4. La Turbine Kaplan pour les Basses Chutes et Grands Débits

La turbine Kaplan (à hélice) est décrite comme la solution pour les très basses chutes et les très grands débits, typiques des barrages construits sur les grands fleuves. C’est la technologie des centrales hydroélectriques d’Inga.

Partie V : Applications et Maintenance

Cette dernière partie, enrichie, vise à appliquer les connaissances acquises à des problématiques concrètes de maintenance et d’optimisation énergétique, compétences essentielles pour le technicien de terrain.

Chapitre 11 : Le Diagnostic des Pannes sur Moteurs Thermiques

Ce chapitre aborde la méthodologie de recherche de pannes sur les moteurs à combustion interne, une activité quotidienne dans les ateliers de réparation.

11.1. Méthodologie du Diagnostic : Analyse des Symptômes

Une approche logique du diagnostic est enseignée : écouter le client, analyser les symptômes (bruit, fumée, perte de puissance), et procéder à des contrôles par étapes logiques pour isoler la cause de la panne.

11.2. Pannes du Circuit d’Alimentation (Essence et Diesel)

Les pannes les plus courantes liées à l’alimentation en carburant sont listées : filtres colmatés, pompe défectueuse, prise d’air dans le circuit, injecteurs grippés.

11.3. Pannes du Circuit d’Allumage

Les pannes spécifiques au moteur à essence sont passées en revue : bougies défectueuses, faisceau haute tension, bobine ou module d’allumage hors service.

11.4. Interprétation des Fumées d’Échappement et Analyse de la Compression

L’analyse visuelle des fumées (noire, bleue, blanche) est présentée comme un outil de diagnostic précieux. La mesure des pressions de compression est expliquée comme le test fondamental pour évaluer l’état de santé mécanique du moteur.

Chapitre 12 : Bilan Énergétique et Rendement des Moteurs

Ce chapitre final de synthèse se concentre sur l’analyse de l’efficacité avec laquelle un moteur convertit l’énergie du combustible en travail utile.

12.1. Le Diagramme Sankey : Visualisation des Flux d’Énergie

Le diagramme de Sankey est introduit comme un outil graphique très parlant pour visualiser la répartition de l’énergie contenue dans le combustible entre le travail utile et les différents postes de pertes (échappement, refroidissement, frottements).

12.2. Calcul du Rendement Thermique et du Rendement Global

Les différentes définitions du rendement sont précisées et leurs ordres de grandeur pour chaque type de moteur sont donnés, permettant de comparer objectivement leur efficacité énergétique.

12.3. La Consommation Spécifique : Indicateur d’Efficacité

La consommation spécifique (en g/kWh) est définie comme l’indicateur le plus pertinent pour comparer l’efficacité de différents moteurs, car elle rapporte la masse de carburant consommée à l’énergie mécanique réellement produite.

12.4. Stratégies d’Amélioration du Rendement Énergétique

Une discussion est menée sur les grandes voies d’amélioration du rendement des moteurs : augmentation du rapport volumétrique, réduction des frottements, optimisation de la combustion, et récupération de l’énergie (suralimentation par turbocompresseur).

Annexes

Les annexes sont des outils de référence conçus pour une consultation rapide et une application pratique des connaissances du cours.

Diagrammes de Distribution Types 🕒

Cette annexe fournit les épures circulaires de distribution typiques pour des moteurs essence et diesel à 4 temps, montrant les angles d’ouverture et de fermeture des soupapes (AOA, RFA, AOE, RFE).

Guide de Sélection des Lubrifiants 💧

Un tableau synthétique présente les principales classifications des huiles moteur (SAE pour la viscosité, API pour le niveau de performance) pour guider le technicien dans le choix du lubrifiant adapté à un moteur donné.

Tableau Comparatif des Machines Motrices 📊

Un tableau récapitulatif compare les caractéristiques principales (puissance, vitesse, rendement, coût, maintenance) des différentes machines motrices étudiées (moteurs essence, diesel, turbines) pour aider à comprendre leur domaine d’application respectif.