MATH0001 Communication graphique Énoncé du projet-examen : Modélisation et assemblage d'un moteur quatre temps

MATH0001 Communication graphique

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

Année académique 2020-2021               Professeur: Éric Béchet
Faculté des sciences appliquées    Assistants: Justine Parmentier
Université de Liège                               Martin Purnode

1     Introduction

   Le moteur à quatre temps est un type de moteur à combustion interne équipant la majorité des véhicules
terrestres et certains avions légers. Il est constitué d’un ensemble de pistons, chacun relié à un vilebrequin par
une bielle. Lors de son fonctionnement normal, le piston est entraîné par le vilebrequin le long du cylindre. Le
vilebrequin 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 de
      cette étape, la valve d’admission du mélange air/carburant est ouverte, permettant l’arrivée dudit mélange
      dans la chambre. Ce processus peut se faire soit par injection sur la majorité des moteurs récent, soit par
      appel d’air1 . Cette étape se termine lorsque le piston atteint le point le plus bas de sa course, nommé
      point 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/carburant
      est comprimé par le piston qui remonte le long du cylindre. Le piston atteint alors le point le plus haut
      de sa course, nommé point mort haut. On définit la course du piston comme la distance entre le point
      mort haut et le point mort bas.

    z Explosion et détente: Le piston ayant atteint le point mort haut, le mélange air/carburant est comprimé
      dans la chambre de combustion. Dans le cas des voitures diesel, cette compression suffit à provoquer
      l’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 est
      de 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 point
      mort bas. Il s’agit de la seule étape où de le mouvement du piston produit de l’énergie motrice au lieu
      d’en consommer.

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

                                    Figure 1: Fonctionnement du moteur quatre temps
    1 Image tirée du site web
https://jerouleamoto.com/blog/2016/11/24/moteur-4-temps/cycle-image-4-temps/
   1 Cette dernière technique est de moins en moins utilisée, due à ses rendements inférieurs et à la possibilité de pannes moteur pour

un avion lors d’une acrobatie ou d’un combat

                                                                  1

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 chaque
ensemble (chaque piston), soit dans une étape différente du cycle en tous temps. Il y a donc un piston en phase
d’admission, un en compression, un qui subit la détente des gaz d’explosion et un qui procède à l’évacuation
des gaz de combustion. Comme les mouvements de ces quatre pistons doivent être synchronisés, ils doivent
changer de phase en même temps. Il est également nécessaire que les valves d’admission et d’échappement ne
s’ouvrent chacune qu’une seule fois par cycle du piston. Notez que le système de valve ne sera pas modélisé
ici du fait de sa complexité. Le mécanisme de distribution sera donc limité à l’arbre à cames commandant
l’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 qui
vous 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", qui
servira 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 pièce
sera 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 cotes
qui dépendent de votre matricule. Précisez donc votre matricule et la longueur de la pièce en question dans le
rapport. 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 variantes
d’un même matériau peuvent être disponibles. Le but de ce projet n’étant pas de vous apprendre à choisir le
meilleur 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 sera
alors de créer un premier cylindre, dont la vue éclatée est présentée par la Fig. 2. Ce premier assemblage se
compose 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)

                                                         2

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 de
temps afin d’obtenir les données suivantes:

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

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

   ♣ Le volume mort, calculé comme le volume minimum occupé par le mélange dans le cylindre. Considérez
     ici 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. Un
moteur tourne beaucoup plus rapidement, de l’ordre de 1500 à 3000 tours/minute, mais la visualisation en
temps réel est impossible.

Conseil Créez des assemblages de type "piston_complet" ou "bielle_entiere" pour vous faciliter la vie si vous
ne 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 volume
    du mélange air/carburant dans le piston au cours de la simulation.

                                                       3

z Les valeurs de la vitesse et de l’accélération maximum du piston, du point mort, de la course du piston et
    du 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 des
cylindres 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 se
comporte 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 vous
sont 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 chaque
ensemble sont parallèles afin que l’ouverture de la valve d’admission d’un piston coïncide avec l’ouverture de
la 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 système
de trois engrenages permettant à l’arbre à cames d’avoir une vitesse de rotation inférieure de moitié à celle
des vilebrequins. Il vous sera également demandé de modifier la pièce "cadre" afin d’accueillir le troisième
engrenage. Vous êtes également invité à ajouter des extensions aux axes de l’arbre à cames et du vilebrequin
pour 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 que
la vitesse de rotation de l’arbre à cames est deux fois inférieure à celle du vilebrequin.

                                                       4

Conseil : Créez trois fichiers différents d’engrenages afin de pouvoir les modifier chacun sans affecter les
autres. 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 raisons
    qui 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’engrenage
    central.

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 pièce
devra avoir pour rayon celui du cylindre et permettre l’arrivée des conduits d’admission et d’échappement du
cylindre. 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 fermer
le piston et initier le système de valves. Votre pièce ne doit pas rentrer en contact avec l’arbre à cames ou
le sommet du piston voisin. Sa base à le même rayon que le cylindre initial. Les tubes d’admission ont un
diamètre compris entre 15 et 20 mm. Une fois votre pièce prête, présentez sur une épure en vous servant de la
convention européenne et du TP sur le dessin avancé qui sera présenté plus tard ce quadrimestre. Les cotes que
vous donnez à cette épure doivent permettre une reconstruction facile et ne pas faire de doublon. Cette pièce
sera en fonte, comme le cylindre.

  Finalement, générez une vidéo de la simulation de l’assemblage total avec votre pièce incorporée. Agissez
sur l’option "edit display" sur les pièces "carter" afin de voir le mouvement de tous les pistons. Les paramètres
de cette simulations sont les mêmes que pour les simulations précédentes.
  2 Images tirées des sites web

http://www.educauto.org/ressources-mediatheque/moteur-a-4-temps
http://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 modifiée
      comme 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 style
      que 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’assurer
de 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. Les
différentes 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 les
graphes 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, un
étudiant ayant pour matricule s140673 aura comme nom de fichier zip "s140673.zip". Le rapport portera le
nom "s140673_rapport.pdf". Le fichier zip est à rendre sur la page web du cours, sous l’onglet "Projet
2020-2021" avant le 15 janvier 2021 à 23:59. Tout retard sera sanctionné d’un retrait de point proportionnel
au 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 pièces
      que vous fournissez, idem pour les simulations. Veillez à ne pas mettre d’accents dans le nom de vos
      pièces.

    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 vos
      versions 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 sur
ecampus, dans l’option discussion. Les questions envoyées par courriel n’obtiendront de réponse que sur ce
forum, afin que tous les étudiants puissent profiter des conseils et astuces proposées par les différents acteurs
du cours. Si nécessaire, la salle CAO peut être utilisée le vendredi après-midi, si les assistants sont prévenus
suffisamment tôt à l’avance et que la situation sanitaire le permet. Le bâtiment est fermé pendant les vacances
de Noël. Ne le débutez pas à la dernière minute, sous peine de perdre une nuit ou deux dans la bataille. Histoire
vécue ...

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

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