Cycle de Beau de Rochas
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Le cycle de Beau de Rochas ou cycle à quatre temps est un cycle thermodynamique théorique. Son principal intérêt pratique réside dans le fait que les moteurs à explosion à allumage commandé, généralement des moteurs à essence tel ceux utilisés dans les automobiles, ont un cycle thermodynamique pratique qui peut être représenté de manière approchée par le cycle de Beau de Rochas. Son principe a été défini par Beau de Rochas en 1862 puis implémenté successivement par Étienne Lenoir (1883).
Nikolaus Otto décrit initialement en 1876, la course du piston en un mouvement de haut en bas dans un cylindre. Le brevet d'Otto a été infirmé en 1886 après que l'on a découvert que Alphonse Beau de Rochas avait déjà décrit en 1862 le principe du cycle à quatre temps dans une brochure à diffusion privée, mais dont, cependant, il avait déposé le brevet.
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[modifier] Description
Ce cycle est caractérisé par quatre temps ou mouvements linéaires du piston :
- Admission
- Compression
- Combustion-détente
- Échappement
Position initiale, admission, compression.
Le carburant est enflammé, détente, échappement.
- Le cycle commence à un point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend (admission), un mélange d'air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d'admission.
- La soupape d'admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis.
- Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L'expansion des gaz portés à haute température lors de la combustion force le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l'énergie directement utilisable).
- Lors du quatrième et dernier temps (l'échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée du piston.
[modifier] Les soupapes
Les soupapes sont actionnées par un arbre à cames. C'est un axe comportant des bossages de forme oblongue appelés cames. L'arbre à cames entraîné par l'arbre moteur ou vilebrequin, est relié à ce dernier par une liaison sans glissement (pignon, chaîne, courroie dentée divisant par deux la vitesse de rotation (deux tours de l'arbre moteur = un tour d'arbre à cames). Les cames sont en liaison avec les soupapes qu'elles poussent par l'intermédiaire de poussoirs ou de culbuteurs, les faisant s'ouvrir au moment opportun. Les soupapes sont munies de ressorts qui les referment lorsque les cames les libèrent.
Les illustrations montrent un moteur avec deux arbres à cames en tête (les arbres à cames sont au-dessus du cylindre).Une soupape est composée de 3 parties:la tête, la tige, et le collet.
[modifier] La synchronisation des soupapes
Pour la grande majorité des moteurs à quatre temps, les soupapes sont fermées par le rappel de ressorts. À mesure que la vitesse de rotation du moteur augmente, le temps mis par le ressort pour refermer la soupape ne peut plus être négligé, ce qui affecte la synchronisation et les performances du moteur.
Pour les moteurs de compétition, la vitesse de rotation peut atteindre 19 000 tours/minute d'où une fréquence d'action de plus de 300 Hertz pour les soupapes.
Une solution à ce problème est le système de synchronisation à soupape desmodromique (Fabio Taglioni). Cette amélioration mécanique d'ouverture et de fermeture des soupapes est dite positive, car elle accompagne mécaniquement le mouvement de la soupape lors de son ouverture et de sa fermeture. La soupape est poussée par une came (ouverture) puis tirée (fermeture) par un levier asservi à la même came, et non plus laissée à la seule action du ressort de rappel.
La course de la soupape est ainsi entièrement contrôlée par la came de commande. Le nom desmodromique est d'ailleurs composé par les racines grecques desmo qui signifie lien, chaîne -dans le sens de asservi, contrôlé- et dromo qui signifie course. Les moteurs peuvent alors tourner beaucoup plus vite sans que l'on ait à craindre la « danse » des ressorts et un affolement des soupapes.
L'inconvénient du système est sa complexité et, donc son coût accru. Un fabricant employant ce système est Ducati, pour certains de ses moteurs de moto.
En Formule 1, fut expérimenté un système de rappel des soupapes fonctionnant au gaz, ce qui permet aussi d'obtenir des régimes de rotation élevés sans affolement de soupapes.
[modifier] Avantages et inconvénients
Le cycle à quatre temps a un meilleur rendement que le cycle à deux temps mais à cylindrée égale il est moins performant. De plus, un moteur à 4 temps nécessite une distribution complexe (soupapes, arbres à cames...). Comme sur les 4 temps un seul temps est moteur (le 3e, au moment de l'explosion) le piston fournit de l'énergie mécanique une fois tous les 2 tours, il se produit alors des irrégularités au niveau du couple du moteur. Un inconvénient peut être cité, les moteurs 4 temps sont longs et coûteux à réparer à cause du nombre de pièces nécessaires à leur fonctionnement.
[modifier] Étude thermodynamique
On modélise le cycle par des transformations particulières :
- L'admission est modélisée par une isobare 0-1.
- La compression 1-2 est supposée adiabatique.
- L'explosion se déroule à volume constant sur 2-3, la détente 3-4 est adiabatique.
- L'ouverture de la soupape est modélisée par l'isochore 4-5, et l'echappement par l'isobare 5-0.
- On appelle α le taux de compression
.
Le rendement du cycle réversible (rapport du travail fourni par le transfert thermique de la combustion) est alors 
. (γ rapport des capacités calorifiques à pression constante et volume constant est supposé constant).
- La pression moyenne indicative est le rapport
. (où A représente l'aire de la surface 1.2.3.4.5)
