MATH0001 Communication graphique

Énoncé du projet-examen :Modélisation et assemblage d’un moteur quatre temps

Année académique 2020-2021Faculté des sciences appliquéesUniversité de Liège

Professeur: Éric BéchetAssistants: Justine Parmentier

Martin Purnode

1 Introduction

Le moteur à quatre temps est un type de moteur à combustion interne équipant la majorité des véhiculesterrestres et certains avions légers. Il est constitué d’un ensemble de pistons, chacun relié à un vilebrequin parune bielle. Lors de son fonctionnement normal, le piston est entraîné par le vilebrequin le long du cylindre. Levilebrequin en lui même tourne à l’intérieure d’une enveloppe en dessous du piston, le carter. Les quatre temps,présentés1 par la Fig. 1, se décomposent comme tels:

z Admission: Le piston est tiré vers le bas, augmentant le volume de la chambre de combustion. Lors decette étape, la valve d’admission du mélange air/carburant est ouverte, permettant l’arrivée dudit mélangedans la chambre. Ce processus peut se faire soit par injection sur la majorité des moteurs récent, soit parappel d’air1. Cette étape se termine lorsque le piston atteint le point le plus bas de sa course, nommépoint mort bas. La valve d’admission se ferme alors.

z Compression: Les valves d’injection et d’éjection sont toutes deux fermées. Le mélange air/carburantest comprimé par le piston qui remonte le long du cylindre. Le piston atteint alors le point le plus hautde sa course, nommé point mort haut. On définit la course du piston comme la distance entre le pointmort haut et le point mort bas.

z Explosion et détente: Le piston ayant atteint le point mort haut, le mélange air/carburant est comprimédans la chambre de combustion. Dans le cas des voitures diesel, cette compression suffit à provoquerl’explosion du mélange. Les véhicules terrestres utilisant de l’essence, ainsi que les avions légers util-isant des carburants de type Avgas100ll nécessitent l’ajout d’un ensemble de bougies, dont le but estde provoquer l’explosion du mélange grâce la création d’un arc électrique entre ses deux bornes élec-triques. Quel que soit le carburant utilisé, l’explosion propulse le piston de sa position haute au pointmort bas. Il s’agit de la seule étape où de le mouvement du piston produit de l’énergie motrice au lieud’en consommer.

z Échappement: Le piston redémarre du point mort bas pour se diriger vers le point mort haut. La valved’échappement étant ouverte, ce mouvement pousse les gaz de combustion hors du cylindre. Ces gazseront traités plus loin dans le pot d’échappement. Lorsque le piston atteint le point mort haut, la valved’échappement se ferme et le cycle recommence avec la phase d’admission.

Figure 1: Fonctionnement du moteur quatre temps

1Image tirée du site webhttps://jerouleamoto.com/blog/2016/11/24/moteur-4-temps/cycle-image-4-temps/

1Cette dernière technique est de moins en moins utilisée, due à ses rendements inférieurs et à la possibilité de pannes moteur pourun avion lors d’une acrobatie ou d’un combat

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Comme mentionné durant la phase "explosion et détente", un seul des quatre temps crée le mouvement mé-canique tandis que les trois autres se servent de ce mouvement pour l’admission, la compression et l’échappement.La solution permettant une production régulière d’énergie mécanique consiste donc à faire en sorte que chaqueensemble (chaque piston), soit dans une étape différente du cycle en tous temps. Il y a donc un piston en phased’admission, un en compression, un qui subit la détente des gaz d’explosion et un qui procède à l’évacuationdes gaz de combustion. Comme les mouvements de ces quatre pistons doivent être synchronisés, ils doiventchanger de phase en même temps. Il est également nécessaire que les valves d’admission et d’échappement nes’ouvrent chacune qu’une seule fois par cycle du piston. Notez que le système de valve ne sera pas modéliséici du fait de sa complexité. Le mécanisme de distribution sera donc limité à l’arbre à cames commandantl’ouverture des-dites valves.

2 Ce qui est demandé

Votre tâche ici sera de reconstruire en trois dimensions les différentes pièces du moteur quatre temps quivous seront fournies sous forme de plans, dans le but de recréer le moteur et d’en sortir plusieurs informations.Pour ce faire, nous vous invitons à prendre connaissance des demandes suivantes et à télécharger le fichier"Projet_2020_MATH0001.zip", disponible sur la page du cours. Ce dernier contient la pièce "carter", quiservira de modélisation au carter et au piston, et la pièce "small_gear" qui servira pour le système d’engrenages.

2.1 Reconstruction des pièces

La première partie de ce travail consistera à reconstruire les pièces données et à leur assigner le bon matériau.Les plans de ces pièces vous sont fournis dans les dernières pages de ce document. La qualité de chaque piècesera évaluée, mais la méthode utilisée afin de les réaliser est à votre discrétion. Faites attention qu’une pièce,le carter, vous est fournie sur le site du cours. Certaines pièces, la bielle et le vilebrequin, disposent de cotesqui dépendent de votre matricule. Précisez donc votre matricule et la longueur de la pièce en question dans lerapport. Les différents matériaux utilisés pour chacune des pièces sont précisés dans les épures correspondantes.Ces matériaux vous sont donnés en français. Lors du choix de ces matériaux dans NX 12, plusieurs variantesd’un même matériau peuvent être disponibles. Le but de ce projet n’étant pas de vous apprendre à choisir lemeilleur matériau pour une application donnée, vous êtes libre de choisir la variante que vous préférez.

Le rapport pour cette partie comprend au minimum les éléments suivant:

z Précisez la longueur des pièces dont la valeur dépend de votre matricule.

2.2 Assemblage du premier cylindre et opérations sur les données

Une fois les différentes pièces créées, l’étape suivante consiste à les assembler. Votre première tâche seraalors de créer un premier cylindre, dont la vue éclatée est présentée par la Fig. 2. Ce premier assemblage secompose donc des pièces

♠ Carter (2 fois)

♠ Vilebrequin (1 fois)

♠ Bielle (1 fois)

♠ Coussinet de bielle (1 fois)

♠ Piston (1 fois)

♠ Segment de piston (3 fois)

♠ Axe de type A et B (1 fois chacun)

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Figure 2: Vue éclatée de la construction d’un ensemble "Cylindre"

L’assemblage doit permettre de lancer une première simulation cinématique de 120 secondes et de 400 pas detemps afin d’obtenir les données suivantes:

♣ La vitesse et l’accélération du piston au cours du temps. Fournissez également la vitesse et l’accélérationmaximale atteinte par le piston.

♣ Le point mort haut et la course du piston, calculée comme la différence entre le point mort haut et le pointmort bas.

♣ Le volume mort, calculé comme le volume minimum occupé par le mélange dans le cylindre. Considérezici que le sommet du cylindre est fermé.

♣ L’évolution au cours du temps du volume occupé par le mélange air/carburant dans le piston.

Pour obtenir ces données, engendrez une rotation du vilebrequin, à la vitesse de 10 tours par minute. Unmoteur tourne beaucoup plus rapidement, de l’ordre de 1500 à 3000 tours/minute, mais la visualisation entemps réel est impossible.

Conseil Créez des assemblages de type "piston_complet" ou "bielle_entiere" pour vous faciliter la vie si vousne parvenez pas à dédoubler votre ensemble mobile pour la partie suivante.

Le rapport pour cette partie comprend au minimum les éléments suivant:

z Trois graphiques montrant l’évolution de la vitesse et de l’accélération du piston, et l’évolution du volumedu mélange air/carburant dans le piston au cours de la simulation.

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z Les valeurs de la vitesse et de l’accélération maximum du piston, du point mort, de la course du piston etdu volume mort. Précisez vos calculs si pertinent.

2.3 Assemblage du moteur à quatre cylindres

2.3.1 Assemblage des cylindres

Une fois le premier cylindre assemblé, reconstruisez le moteur complet en alternant les dispositions descylindres afin que les quatre étapes du moteur soient visibles.

Conseil : vous pouvez modifier la transparence d’une pièce en faisant un clic droit dessus → Edit Display →Shaded display, puis en modifiant l’option Translucency. Cela vous permet de voir que votre assemblage secomporte comme demandé.

2.3.2 Création de l’arbre à cames et de la transmission

Créez l’arbre à cames de l’assemblage en utilisant les épures des pièces cadre et Arbre à cames qui voussont fournies. Notez que cette seconde esquisse ne présente qu’une des quatre itérations de l’arbre à came.Une vue de ce dernier, une fois assemblé, vous est proposée à la Fig. 3. Les cames aux extrémités de chaqueensemble sont parallèles afin que l’ouverture de la valve d’admission d’un piston coïncide avec l’ouverture dela valve d’éjection du piston d’un côté.

A partir de l’engrenage fournit lors du TP5 et également disponible dans l’archive du projet, créez un systèmede trois engrenages permettant à l’arbre à cames d’avoir une vitesse de rotation inférieure de moitié à celledes vilebrequins. Il vous sera également demandé de modifier la pièce "cadre" afin d’accueillir le troisièmeengrenage. Vous êtes également invité à ajouter des extensions aux axes de l’arbre à cames et du vilebrequinpour permettre de fixer les engrenages.

Figure 3: Assemblage du moteur quatre temps simplifié

Lancez une simulation avec les mêmes paramètres que pour le cylindre unique. Prouvez graphiquement quela vitesse de rotation de l’arbre à cames est deux fois inférieure à celle du vilebrequin.

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Conseil : Créez trois fichiers différents d’engrenages afin de pouvoir les modifier chacun sans affecter lesautres. Faites de même pour le cadre, seul celui qui porte l’engrenage doit être modifié.

Le rapport pour cette partie comprend au minimum les éléments suivant:

z Discutez brièvement le rayon que vous avez donné aux différents engrenage. Exposez aussi les raisonsqui vous ont guidées pour le placement de l’engrenage du milieu. Précisez rapidement cette position.

z Présentez graphiquement la vitesse de rotation des vilebrequins, de l’arbre à came et de l’engrenagecentral.

2.4 Création d’une pièce sous contrainte: la culasse

Créez une pièce vous permettant de fermer les différents cylindres du moteur quatre temps. Cette piècedevra avoir pour rayon celui du cylindre et permettre l’arrivée des conduits d’admission et d’échappement ducylindre. Ces conduits ne doivent pas être modélisés. Des exemples de sommet de piston vous sont fournis2

par la Fig. 4. Le système de valves/soupapes ne doit pas être considéré.

Figure 4: Piston d’un moteur à quatre temps

Vous disposez de 40 mm en hauteur et de 50 mm en plus du rayon du piston, sur chaque côté, pour fermerle piston et initier le système de valves. Votre pièce ne doit pas rentrer en contact avec l’arbre à cames oule sommet du piston voisin. Sa base à le même rayon que le cylindre initial. Les tubes d’admission ont undiamètre compris entre 15 et 20 mm. Une fois votre pièce prête, présentez sur une épure en vous servant de laconvention européenne et du TP sur le dessin avancé qui sera présenté plus tard ce quadrimestre. Les cotes quevous donnez à cette épure doivent permettre une reconstruction facile et ne pas faire de doublon. Cette piècesera en fonte, comme le cylindre.

Finalement, générez une vidéo de la simulation de l’assemblage total avec votre pièce incorporée. Agissezsur l’option "edit display" sur les pièces "carter" afin de voir le mouvement de tous les pistons. Les paramètresde cette simulations sont les mêmes que pour les simulations précédentes.

2Images tirées des sites webhttp://www.educauto.org/ressources-mediatheque/moteur-a-4-tempshttp://archives.cforp.ca/cforp/apps/tij1osave/tij1o-module3/page40.html

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Remarque : chaque simulation sera faite en utilisant le mode cinématique (kinematics), car le mode dy-namique n’est pas nécessaire.

Ce qui est demandé dans le rapport pour cette section

z Le plan 3 vues de la pièce que vous venez de créer, avec ses cotes nécessaires et une cartouche modifiéecomme celles présentées par les épures fournies. Le titre de cette pièce sera "Culasse".

z Une figure représentant le montage final comprenant la pièce que vous avez créée, dans le même styleque la Fig. 3.

3 Documents à fournir et côté pratique

Ce projet se fait de façon individuelle. Chaque fichier sera passé par le programme anti-copie afin s’assurerde l’absence de tout plagiat. Il n’est pas interdit de s’entre-aider sur le projet, mais celui-ci doit rester personnel.

Le rapport à rendre peut s’effectuer sur le logiciel de votre choix, mais doit être rendu sous format PDF. Lesdifférentes figures demandées dans ce rapport peuvent être obtenues en utilisant des logiciels comme Matlab,Excel, Octave, Google sheet ou équivalent. Les différentes demandes quant au contenu de ce rapport et lesgraphes demandés ont été précisé dans les différentes sections précédentes.

L’ensemble du travail sera remis sous format zip ayant pour nom "votre matricule.zip". Par exemple, unétudiant ayant pour matricule s140673 aura comme nom de fichier zip "s140673.zip". Le rapport portera lenom "s140673_rapport.pdf". Le fichier zip est à rendre sur la page web du cours, sous l’onglet "Projet2020-2021" avant le 15 janvier 2021 à 23:59. Tout retard sera sanctionné d’un retrait de point proportionnelau retard en question. Ce zip contiendra les sous-répertoires suivants:

z Documents: où vous placerez votre rapport et les pdfs des épures de vos pièces

z Construction: où vous placerez les dernières versions des constructions de vos pièces, de vos assem-blages et de vos simulations. Veuillez à ce que vos assemblages s’ouvrent sans problème avec les piècesque vous fournissez, idem pour les simulations. Veillez à ne pas mettre d’accents dans le nom de vospièces.

z Vidéo: où vous mettrez la vidéo de la simulation de votre assemblage total avec les inputs habituels

z Autres: où vous pouvez mettre d’autres éléments pertinents si nécessaire. N’y mettez pas toutes vosversions des pièces et omettez ce dossier si pas nécessaire. Sinon, précisez son contenu.

N’hésitez pas à poser des questions lors des séances d’exercices. Un forum est également disponible surecampus, dans l’option discussion. Les questions envoyées par courriel n’obtiendront de réponse que sur ceforum, afin que tous les étudiants puissent profiter des conseils et astuces proposées par les différents acteursdu cours. Si nécessaire, la salle CAO peut être utilisée le vendredi après-midi, si les assistants sont prévenussuffisamment tôt à l’avance et que la situation sanitaire le permet. Le bâtiment est fermé pendant les vacancesde Noël. Ne le débutez pas à la dernière minute, sous peine de perdre une nuit ou deux dans la bataille. Histoirevécue ...

Bon courage et bonne chance pour le déroulement de ce projet.

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