DEPARTEMENT DE MECANIQUE TD1 MOTEUR A COMBUSTION
Un moteur (4 temps 4 cylindres) possède une course de 80 et un alésage de 83 mm. Le rapport volumétrique de ce moteur est de 10
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CALCUL DES PARAMÈTRES DU CYCLE RÉEL D'UN MOTEUR DIESEL . et 2 retours c'est à dire 4 courses) se fait en 4 temps alors que le cycle thermodynamique.
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MOTEUR DIESEL SURALIMENTÉ
BASES ET CALCULS
CYCLES RÉEL, THÉORIQUE ET
THERMODYNAMIQUE
Rapport interne
Laboratoire de Recherche en Énergie ÉolienneLREE-02 - Novembre 2006
Hussein IBRAHIM
Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE), Université du Québec à Rimouski, 300, allée des
ursulines, Rimouski (Québec), Canada, G5L 8X3, Tél.: (418)-723-1986#1285, hussein.ibrahim@uqar.qc.caAdrian ILINCA
Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE), Université du Québec à Rimouski, 300 allée des
ursulines, Rimouski (Québec), Canada, G5L 8X3, Tél.: (418)-723-1986#1460, adrian_ilinca@uqar.qc.caJean PERRON
Laboratoire International des Matériaux Antigivre (LIMA), Université du Québec à Chicoutimi, 555,
boulevard de l"Université, Chicoutimi (Québec) Canada, G7H 2B1, jean_perron@uqac.caRapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
Hussein IBRAHIM, LREE Novembre 2006
2SOMMAIRE
SOMMAIRE.............................................................................................................. 2
LISTE DES FIGURES........................................................................................ 7
LISTE DES TABLEAUX.................................................................................. 8
NOMENCLATURES........................................................................................... 9
CHAPITRE I....................................................................................................... 15
INTRODUCTION........................................................................................................... 15
CHAPITRE II..................................................................................................... 17
CYCLES THERMODYNAMIQUE ET RÉEL D"UN MOTEUR DIESEL.............. 17II.1. D
ÉFINITION........................................................................................................... 17
II.2. C
YCLE À QUATRE TEMPS MÉCANIQUES.................................................................. 17
II.2.1. Premier temps : Admission ........................................................................... 18
II.2.2. Deuxième temps : Compression.................................................................... 18
II.2.3. Troisième temps : Combustion - Détente ..................................................... 18
II.2.4. Quatrième temps : Échappement .................................................................. 18
II.3. D
IAGRAMME PRESSION - VOLUME........................................................................ 20
II.3.1. Définition....................................................................................................... 20
II.3.2. Diagramme théorique ................................................................................... 20
II.3.3. Diagramme pratique (réel)........................................................................... 21
II.3.3.1. Différences entre les diagramme réel et théorique.................................... 21
II.3.3.2. Avance et retard à l"ouverture et à la fermeture des soupapes d"admissionet d"échappement...................................................................................................... 22
II.4. C
ARACTÉRISTIQUES FONDAMENTALES DU CYCLE................................................. 25II.4.1. Le travail (J).................................................................................................. 25
II.4.2. Pression moyenne (N/m
2).............................................................................. 25
II.4.3. Rendement..................................................................................................... 25
II.4.4. Taux de compression volumétrique............................................................... 26
II.4.5. Consommation spécifique (g/KWh)............................................................... 26
II.4.6. Puissance effective au litre de cylindrée....................................................... 26
II. 4.7. Puissance massique ou volumique............................................................... 26
II.5. P
ARAMÈTRES INDIQUÉS DU CYCLE RÉEL............................................................... 27
II.6. P
ARAMÈTRES EFFECTIFS DU CYCLE RÉEL.............................................................. 27
CHAPITRE III.................................................................................................. 29
CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DU COMBUSTIBLE............................... 29III.1. D
ÉFINITION.......................................................................................................... 29
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3III.2. I
NDICE D"OCTANE (IO) ET INDICE DE CÉTANE (IC) .............................................. 29III.2.1. Indice d"octane (IO)..................................................................................... 29
III.2.2. Indice de cétane (IC).................................................................................... 30
III.3. C
OMPOSITION ÉLÉMENTAIRE DES COMBUSTIBLES................................................ 30III.4. R
ÉACTIONS DE COMBUSTION................................................................................ 30
III.5. P
OUVOIR CALORIFIQUE DU COMBUSTIBLE CP...................................................... 31CHAPITRE IV................................................................................................... 33
CALCUL DES PARAMÈTRES DU FLUIDE-MOTEUR.......................................... 33IV.1. P
OUVOIR COMBURIVORE....................................................................................... 33
IV.1.1. Définition...................................................................................................... 33
IV.1.2. Calcul du pouvoir comburivore théorique 0 thCOP ......................................... 33
IV.2. C
OEFFICIENT D"EXCÈS D"AIR a.......................................................................... 35
IV.3. C
ALCUL DE LA CHARGE FRAÎCHE......................................................................... 37
IV.4. C
ALCUL DE LA QUANTITÉ DES PRODUITS DE COMBUSTION DU GAZOLE................ 37IV.5. C
OEFFICIENT DE CHANGEMENT MOLÉCULAIRE.................................................... 39CHAPITRE V..................................................................................................... 40
CALCUL DES PARAMÈTRES DU CYCLE RÉEL D"UN MOTEUR DIESEL .... 40V.1. C
ALCUL DES PARAMÈTRES À LA FIN D"ADMISSION................................................ 40V.1.1. Calcul de
aP .................................................................................................. 40
V.1.2. Calcul de
aT .................................................................................................. 42
V.1.3. Taux de remplissage
vh................................................................................ 45V.1.3.1. Définition.................................................................................................... 45
V.1.3.2. Calcul du taux de remplissage
vh.............................................................. 45V.2. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE COMPRESSION............................................. 48V.2.1. Description du phénomène............................................................................ 48
V.2.2. Calcul des paramètres de compression
cpP et cpT ........................................ 49V.3. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE COMBUSTION.............................................. 50V.3.1. Définition....................................................................................................... 50
V.3.2. Description du phénomène............................................................................. 50
V.3.3. Calcul des paramètres de la combustion
cbP et cbT ...................................... 51 V.3.4. Calcul du taux de détente préliminaire r.................................................... 55V. 4. C
ALCUL DES PARAMÈTRES À LA FIN DE LA DÉTENTE............................................ 55V.4.1. Description du phénomène............................................................................ 55
V.4.2. Calcul des paramètres de la détente
dP et dT .............................................. 56V.5. C
ALCUL DES PARAMÈTRES À LA FIN D"ÉCHAPPEMENT.......................................... 57CHAPITRE VI................................................................................................... 58
CALCUL DES PARAMÈTRES CARACTÉRISANT LE FONCTIONNEMENT DUMOTEUR......................................................................................................................... 58
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4VI.1. C
ALCUL DU TRAVAIL INDIQUÉ DU CYCLE RÉEL iW............................................. 58VI.1.1. Procédure du calcul...................................................................................... 58
VI.1.2. Travail de la boucle inférieure du cycle théorique...................................... 60
VI.1.2.1. Travail au cours de l"admission................................................................ 60
VI.1.2.2. Travail au cours de l"échappement........................................................... 61
VI.1.3. Travail de la boucle supérieure du cycle théorique..................................... 62
VI.1.3.1. Travail au cours de la compression.......................................................... 62
VI.1.3.2. Travail au cours de la combustion isobare............................................... 62
VI.1.3.3. Travail au cours de la détente................................................................... 63
VI.1.4. Calcul du travail indiqué
iW ....................................................................... 64VI.2. C
ALCUL DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉE miP.............................................. 64VI.3. C
ALCUL DE LA PUISSANCE INDIQUÉE iP.............................................................. 65
VI.4. C
ALCUL DU COUPLE MOTEUR INDIQUÉ iC........................................................... 66VI.5. C
ALCUL DU RENDEMENT ET DE LA CONSOMMATION SPÉCIFIQUE INDIQUÉS......... 66VI.5.1. Calcul du rendement indiqué
ih................................................................... 66 VI.5.2. Calcul de la consommation spécifique indiquée ig ..................................... 66 VI.5.3. Relation entre le rendement et la consommation spécifique indiqués......... 67 VI.5.4. Relation entre le rendement et la pression moyenne indiqués..................... 68VI.6. C
ALCUL DES CONSOMMATIONS DE CARBURANT ET D"AIR PAR CYCLE ET CYLINDRE....................................................................................................................................... 69
VI.7. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EFFECTIFS DU CYCLE RÉEL......................................... 70VI.7.1. Rendement mécanique
mh........................................................................... 70VI.7.2. Calcul des paramètres effectifs.................................................................... 71
CHAPITRE VII................................................................................................ 73
CALCUL DES DIMENSIONS DU CYLINDRE ET DE LA VITESSE MOYENNEDU PISTON..................................................................................................................... 73
VII.1. C
ALCUL DES DIMENSIONS DU CYLINDRE........................................................... 73VII.2. C
ALCUL DE LA VITESSE MOYENNE DU PISTON.................................................... 74CHAPITRE VIII.............................................................................................. 75
CALCUL DES PARAMÈTRES DU CYCLE THERMODYNAMIQUE................. 75VIII.1. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN D"ADMISSION............................................... 75VIII.2. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE COMPRESSION......................................... 75VIII.3.
CALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE COMBUSTION ISOCHORE.......................... 76VIII.4. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE COMBUSTION ISOBARE............................ 76VIII.5. C
ALCUL DES PARAMÈTRES EN FIN DE DÉTENTE - ÉCHAPPEMENT...................... 76VIII.6. C
ALCUL DU TRAVAIL THERMODYNAMIQUE DU CYCLE...................................... 77VIII.7. C
ALCUL DE LA PRESSION MOYENNE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE................ 77VIII.8. C
ALCUL DU RENDEMENT THERMODYNAMIQUE DU CYCLE................................. 77CHAPITRE IX................................................................................................... 79
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5 APPLICATION NUMÉRIQUE SUR LE CALCUL DES PARAMÈTRES DUCYCLE RÉEL................................................................................................................. 79
IX.1. D
ONNÉES DU CALCUL.......................................................................................... 79
IX.2. R
ÉSULTATS DES CALCULS.................................................................................... 80
CHAPITRE X..................................................................................................... 83
ANALYSE DES RÉSULTATS OBTENUS.................................................................. 83
X.1. V
ARIATION DES PARAMÈTRES DE SORTIE EN FONCTION DU COEFFICIENT D"EXCÈS D"AIR............................................................................................................................. 83
X.1.1. Variation du rendement indiqué en fonction du coefficient d"excès d"air .... 83 X.1.2. Variation de la pression moyenne indiquée en fonction du coefficient d"excèsd"air........................................................................................................................... 84
X.1.3. Variation du rendement mécanique en fonction du coefficient d"excès d"air85 X.1.4. Variation des consommations spécifique indiquée et horaire du carburant(gazole) en fonction du coefficient d"excès d"air...................................................... 86
X.2. V
ARIATION DES PARAMÈTRES DE SORTIE EN FONCTION DE LA PRESSION D"ADMISSION................................................................................................................. 87
X.2.1. Variation de la pression moyenne indiquée en fonction de la pressiond"admission............................................................................................................... 87
X.2.2. Variation du rendement mécanique en fonction de la pression d"admission 87 X.2.3. Variation de la consommation horaire du carburant en fonction de lapression d"admission ................................................................................................ 88
X.3. V
ARIATION DES PARAMÈTRES DE SORTIE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE D"ADMISSION................................................................................................................. 89
11.3.1. Variation de la pression moyenne indiquée en fonction de la température
d"admission............................................................................................................... 89
X.3.2. Variation du rendement indiqué en fonction de la température d"admission 89 X.3.3. Variation du rendement mécanique en fonction de la température d"admission................................................................................................................................... 90
X.3.4. Variation du taux de remplissage en fonction de la température d"admission................................................................................................................................... 91
X.3.5. Variation des consommations spécifique indiquée et horaire du carburant(gazole) en fonction de la température d"admission................................................. 92
X.4. V
ARIATION DES PARAMÈTRES DE SORTIE EN FONCTION DU TAUX DE COMPRESSIONVOLUMÉTRIQUE
............................................................................................................. 93
X.4.1. Variation de la pression moyenne indiquée en fonction du taux decompression volumétrique........................................................................................ 93
X.4.2. Variation du rendement indiqué en fonction du taux de compressionvolumétrique ............................................................................................................. 94
X.4.3. Variation du rendement mécanique en fonction du taux de compressionvolumétrique ............................................................................................................. 94
X.4.4. Variation du taux de remplissage en fonction du taux de compressionvolumétrique ............................................................................................................. 95
X.4.5. Variation des consommations spécifique indiquée et horaire du carburant (gazole) en fonction du taux de compression volumétrique...................................... 96Rapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
Hussein IBRAHIM, LREE Novembre 2006
6CHAPITRE XI................................................................................................... 98
CONCLUSION ............................................................................................................... 98
BIBLIOGRAPHIE......................................................................................... 99
RÉFÉRENCES................................................................................................................ 99
ANNEXE I........................................................................................................... 100
CYCLE RÉEL D"UN MOTEUR DIESEL................................................................. 100
ANNEXE II......................................................................................................... 101
CYCLE THÉORIQUE D"UN MOTEUR DIESEL................................................... 101ANNEXE III....................................................................................................... 102
CYCLE IDÉAL D"UN MOTEUR DIESEL............................................................... 102ANNEXE IV....................................................................................................... 103
MODÈLES PARABOLIQUES DE L"ÉNERGIE INTERNE DES GAZ DE COMBUSTION ET DE L"AIR EN FONCTION DE LA RICHESSE ET DE LATEMPÉRATURE ......................................................................................................... 103
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7LISTE DES FIGURES
FIG. II-1 : CYCLE MIXTE (RÉEL ET THÉORIQUE) REPRÉSENTÉ SUR UN DIAGRAMME (P - V).......13
F IG. II-2 : SCHÉMA REPRÉSENTANT LA DISTRIBUTION DES AVANCES ET RETARDS À L"OUVERTUREET À LA FERMETURE DES SOUPAPES D
"ADMISSION ET D"ÉCHAPPEMENT...............................17 FIG. IV.1 : DOSAGE DU CARBURANT.......................................................................31
F IG. VI-1 : CYCLE D"UN MOTEUR DIESEL À QUATRE TEMPS SURALIMENTÉ PARTURBOCOMPRESSEUR
F IG.X-1 : VARIATION DU RENDEMENT INDIQUÉ EN FONCTION DU COEFFICIENT D"EXCÈS D F IG.X-2 : VARIATION DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉ EN FONCTION DU COEFFICIENT D"EXCÈS D"AIR.................................................................................................78
F IG. X-3 : VARIATION DU RENDEMENT MÉCANIQUE EN FONCTION DU COEFFICIENT D"EXCÈS D F IG. X-4 : VARIATION DE LA CONSOMMATION SPÉCIFIQUE INDIQUÉE DU CARBURANT ENFONCTION DU COEFFICIENT D
"EXCÈS D"AIR...............................................................80 F IG. X-5 : VARIATION DE LA CONSOMMATION HORAIRE DU CARBURANT EN FONCTION DUCOEFFICIENT D
"EXCÈS D"AIR.................................................................................80 F IG. X-6 : VARIATION DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉE EN FONCTION DE LA PRESSION D F IG. X-7 : VARIATION DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉE EN FONCTION DE LA PRESSION D F IG. X-8 : VARIATION DE LA CONSOMMATION HORAIRE DU CARBURANT EN FONCTION DE LAPRESSION D
F IG. X-9 : VARIATION DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATUREÀ L
F IG. X-10 : VARIATION DU RENDEMENT INDIQUÉ EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE À L F IG. X-11 : VARIATION DU RENDEMENT MÉCANIQUE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE À L F IG.X- 12 : VARIATION DU TAUX DE REMPLISSAGE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE À L F IG. X-13 : VARIATION DE LA CONSOMMATION SPÉCIFIQUE INDIQUÉE DU CARBURANT ENFONCTION DE LA TEMPÉRATURE À L
F IG. X-14 : VARIATION DE LA CONSOMMATION HORAIRE DU CARBURANT EN FONCTION DE LATEMPÉRATURE À L
F IG. X-15 : VARIATION DE LA PRESSION MOYENNE INDIQUÉE EN FONCTION DU TAUX DECOMPRESSION
F IG. X-16 : VARIATION DU RENDEMENT INDIQUÉ EN FONCTION DU TAUX DECOMPRESSION
F IG. X-17 : VARIATION DU RENDEMENT MÉCANIQUE EN FONCTION DU TAUX DECOMPRESSION
F IG. X-18 : VARIATION DU TAUX DE REMPLISSAGE EN FONCTION DU TAUX DECOMPRESSION
F IG. X-19 : VARIATION DE LA CONSOMMATION SPÉCIFIQUE INDIQUÉE DU CARBURANT ENFONCTION DU TAUX DE COMPRESSION
F IG. X-20 : VARIATION DE LA CONSOMMATION HORAIRE DU CARBURANT EN FONCTION DU TAUXDE COMPRESSION
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8LISTE DES TABLEAUX
TAB.II. 1 : AVANCES ET RETARDS À L"OUVERTURE ET À LA FERMETURE DES SOUPAPES D "ADMISSION ET D"ÉCHAPPEMENT POUR UN MOTEUR DIESEL .........................................18 T AB.VI-1 - CARACTÉRISTIQUES DE LA FORMULE EMPIRIQUE..........................................65 T AB.IX-1 : PARAMÈTRES D"ENTRÉE POUR UN MOTEUR DIESEL SURALIMENTÉ......................74 T AB.IX-2 : PARAMÈTRES DE SORTIE POUR UN MOTEUR DIESEL SURALIMENTÉ......................76Rapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
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9NOMENCLATURES
A : Point à l"entrée du cylindre sur le diagramme P-V,AOA : Avance Ouverture Admission,
AOE : Avance Ouverture Échappement,
B : Point à la fin d"amission sur le diagramme P-V, C : Point à la fin de compression sur le diagramme P-V, C : Teneur en masse du carbone dans le combustible, c : Course du piston (mm), )cy(aC : Consommation d"air par cycle et cylindre (kg de carburant), ahC : Consommation horaire d"air (kg d"air/h), )cy(cC : Consommation du carburant par cycle et cylindre (kg de carburant), eC : Couple moteur effectif (N.m), hC : Consommation horaire du carburant (kg de carburant/h), iC : Couple moteur indiqué (N.m), pc : Capacité calorifique à pression constante (kcal/kg.K), f pc : Chaleur spécifique de la charge fraîche (kcal/kg.K) , r pc : Chaleur spécifique des gaz résiduels (kcal/kg.K), rf pc+ : Chaleur spécifique du mélange gazeux entre la charge fraîche et les gaz résiduels (kcal/kg.K), vc : Capacité calorifique à volume constant (kcal/kg.K), yC : Cylindrée unitaire du moteur (kcal/kg.K), D : Point à la fin de combustion isochore sur le diagramme P-V, d : Alésage du cylindre (mm), E : Point à la fin de combustion isobare sur le diagramme P-V, F : Point à la fin de détente sur le diagramme P-V, eg : Consommation spécifique effective (g/kWh), ig : Consommation spécifique indiquée (g/kWh),Rapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
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10 H : Teneur en masse d"hydrogène dans le combustible,IC : Indice de Cétane,
IO : Indice d"Octane,
dk : Coefficient de détente polytropique, ck : Coefficient de compression polytropique, L : Chaleur latente de vaporisation de l"eau à 0°C (2.51 MJ/kg de vapeur d"eau), airM : Masse molaire de l"air (28.9 kg/kmole), cM : Masse molaire du carburant (kg/kmole), cm : Masse du carburant (kg), thm : Masse d"air théorique pouvant remplir le cylindre (kg),N : Vitesse de rotation du vilebrequin (tr/mn),
aN : Quantité de la charge fraîche introduite dans le cylindre du moteur (kmoles d"air/kg de carburant) cyN : Nombre des cycles par seconde. cyn : Nombre des cylindres, fN : Quantité de la charge fraîche au PMB (kmoles d"air/kg de carburant), rfN+ : Quantité du mélange gazeux entre la charge fraîche et les gaz résiduels (kmoles des gaz/kg de carburant) gcN : Quantité totale des produits de combustion (kmoles des gaz/kg de carburant), rN : Quantité des gaz résiduels existant dans le cylindre au moment de l"admission (kmoles des gaz/kg de carburant), thN : Quantité d"air théorique pouvant remplir le cylindre (kmoles d"air/kg de carburant), cO : Teneur en masse d"oxygène dans le combustible,0P : Pression de la charge fraîche à l"entrée du cylindre (Pa),
aP : Pression à la fin d"admission (Pa), aPD : Pertes de charge totale à l"admission (Pa), CP : Pouvoir calorifique du combustible (MJ/kg de carburant), cbP : Pression des gaz à la fin théorique de combustion (Pa),Rapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
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11 CIP : Pouvoir calorifique inférieur du combustible (42 MJ/kg de carburant), 0 thCOP : Pouvoir comburivore théorique (kg d"air/kg de carburant), 01 thCOP : Pouvoir comburivore théorique (kmoles d"air/kg de carburant), 0 rCOP : Pouvoir comburivore réel (kg d"air/kg de carburant), 01 r COP : Pouvoir comburivore réel (kmoles d"air/kg de carburant), cpP : Pression des gaz à la fin théorique de compression au PMH (Pa), CSP : Pouvoir calorifique supérieur du combustible (MJ/kg de carburant), dP : Pression des gaz à la fin théorique de détente au PMB (Pa), eP : Puissance effective (kW), iP : Puissance indiquée (kW),PMB : Point mort bas,
meP : Pression moyenne effective (Pa),PMH : Point mort haut,
miP : Pression moyenne indiquée (Pa), mmP : Pression moyenne des pertes mécaniques (Pa), moyP : Pression moyenne du cycle (Pa), )ther(mP : Pression moyenne du cycle thermodynamique (Pa), rP : Pression des gaz résiduels (Pa), aQ : Quantité de chaleur apportée au cycle (kcal), aq : Consommation d"air par cycle (kg d"air), cq : Consommation de carburant par cycle (kg de carburant), therQ : Quantité de chaleur apportée au cycle thermodynamique,R : Constante des gaz parfaits (8314 J/kmole.K),
r : Constante des gaz parfaits (287.68 J/kg.K), fR : Rendement de forme du diagramme,RFA : Retard Fermeture Admission,
RFE : Retard Fermeture Échappement,
r : Coefficient de la richesse,Rapport Interne Moteur diesel suralimenté, Bases et calculs
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12 S : Teneur en masse de soufre dans le combustible, adS : Section de soupape d"admission (mm), pS : Section du piston (mm),TD : Différence de température responsable de la réchauffage de la charge fraîche par les
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