Moteur à deux temps

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Un moteur à deux temps comporte des pistons qui se déplacent dans des cylindres. Le déplacement du piston, par l'intermédiaire de lumières entre la partie basse du carter et la partie haute du cylindre permet d’évacuer les gaz brulés et remplir le cylindre de gaz frais.

Animation du fonctionnement d'un moteur à deux temps

Origine[modifier | modifier le code]

S'inspirant des travaux de Paul Hugon, le premier moteur à deux temps a été conçu par l'ingénieur Belge Étienne Lenoir en 1859[1]. Ce moteur a été amélioré par l'ingénieur anglais Dugald Clerk en 1878.

Le moteur à deux temps dans une forme à peu près identique à ce que nous connaissons aujourd'hui a été conçu par un autre ingénieur anglais, Joseph Day (en), en 1889.

Cycle du moteur[modifier | modifier le code]

Cylindre à deux temps vu de dessous :
- à gauche l'échappement,
- à droite, l'admission : Les gaz d'admission passent dans le bas moteur, puis dans les deux transferts (en haut et en bas sur la photo) pour aboutir dans le cylindre.

Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du cycle de Beau de Rochas en ayant un cycle de seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression, combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. Nous avons ainsi un cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le moteur à quatre temps. Le cycle se décompose ainsi[2] :

  1. compression, combustion, détente puis échappement avec transfert du mélange combustible frais par la fenêtre de transfert[N 1]
  2. admission et compression du mélange dans la partie basse du moteur[N 2]

Les différentes étapes sont les suivantes[2] :

  • le piston (5) est au point mort haut. La bougie déclenche la combustion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter (4), sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette étape est la détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée (6) du mélange dans le carter se ferme.
  • Arrivé à proximité point mort bas (image « Admission et échappement »), le piston débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le cylindre (3) : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de la combustion (zone 1 de l'image). Il s'agit de l'étape d'admission - échappement.
  • En remontant (image « Compression »), le piston compresse le mélange dans le cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement (2) et l'entrée de mélange dans le cylindre (3), tout en créant une dépression dans le carter (4) qui va permettre l'arrivée du mélange air-essence par le conduit d'arrivée (6) dont l'entrée a été libérée par la position du piston proche du point mort haut. Cette étape est celle de « compression ».
  • Une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir du premier point.
Schéma de fonctionnement du moteur à deux temps

Particularités[modifier | modifier le code]

  • Moteurs simples (pas de distribution, pas d'arbre(s) à cames ni de soupapes) léger, avec peu de pièces en mouvement ;
  • Moteurs facilement reconnaissables par l'implantation basse de l'échappement et du carburateur sur le cylindre, et non sur la culasse ;
  • Puissance spécifique voisine de 1,7 fois celle d'un moteur 4-temps (il a fallu autoriser les 4-temps de 990 cm3 de cylindrée pour obtenir un équivalent des moteurs deux-temps de 500 cm3 sur les motos de Grand Prix qui étaient très polluantes à cause de la combustion d'une partie de l'huile servant a la lubrification, mais aussi du fait de la demande des différents constructeurs qui ont fait pression sur le fédération internationale de motocyclisme) ;
  • Consommation de carburant en rapport[N 3];
  • Lubrification par mélange (huile dans l'essence) ou par injection d'huile (graissage séparé), d'où émission de fumée (à remarquer que les dernières normes relatives aux huiles 2 temps imposent des émissions de fumée extrêmement faible - norme ISO-LEG-D) ;
  • Faible taux de compression géométrique (environ 7), compensé par l'effet de compresseur effectué par la face inférieure du piston dans le cylindre, et le pot accordé, aboutissant à une compression réelle de 10 voir plus dans le domaine de la compétition.
  • Bruit spécifique, plus aigu que celui d'un moteur à quatre temps[N 4].

Évolutions[modifier | modifier le code]

Le moteur 2 temps n'a pas toujours connu les performances que l'on lui connait aujourd'hui. Il s'agissait même auparavant, d'un moteur capricieux, poussif et au rendement désespérément faible. Très tôt, les ingénieurs vont apporter des évolutions pour contrecarrer le principal problème du moteur deux temps, le fait que les lumières d'admissions et d'échappements ne soient pas totalement fermées lors de la phase montante du piston. Ceci provoque trois phénomènes biens connus :

  • Important manque de compression ;
  • croisement des gaz frais et gaz brûlés au niveau du cylindre et de l'échappement ;
  • Refoulement partiel du mélange dans le carburateur.

Plusieurs évolutions ont donc été développés au fil du temps. Certaines d'entre elles sont aujourd'hui répandues, d'autres, plus marginales. Les évolutions majeures sur les moteurs grand public sont les suivantes :

  • Pot de détente accordé améliorant le balayage et repoussant les gaz frais dans le cylindre. À noter que les pot d'échappement d'origine sur les cyclomoteurs homologués en France disposent volontairement d'un faible débit afin de brider le moteur pour éviter de dépasser 45 km/h;
  • Clapets à l'admission, plats ou en forme de toit afin de rendre asymétrique le cycle d'admission dans le carter. Il se trouve généralement sur le carter (parfois sur le cylindre). L'admission par clapet constitue à elle seule une petite révolution : elle permet l'ajout d'un transfert à l'arrière du cylindre, rendant ainsi le moteur plus performant, et supprime le problème de refoulement de gaz dans le carburateur, ce qui permet aussi un démarrage plus facile à froid et de meilleures reprises (pré-compression améliorée).
  • Hauteur variable de la lumière d'échappement en fonction du régime, afin d'augmenter le temps d'échappement à haut régime seulement (couramment appelées "Valves d'échappement"). Rare sur les cyclomoteurs mais répandus sur les machines de plus grosses cylindrés ;
  • Utilisation d'allumage à avance variable permettant d'avoir le maximum de performance à différents régimes (facilité par l'arrivée des allumages électroniques) ;
Autres évolutions plus marginales 
  • Valve d'admission, d'un fonctionnement similaire aux clapets ;
  • Distributeurs rotatifs. Dans ce cas, l'admission des gaz frais s'effectue par un disque possédant une échancrure et fixé en bout de vilebrequin (l'admission est effectuée quand l'échancrure communique avec la conduite d'admission du carburateur). Il a été très peu développé dans le domaine du 2 roues pour sa complexité et son coût; à remarquer toutefois que les deux temps les plus puissant étaient tout de même le fameux 125 Derbi de Grand prix à admission rotative donnant la bagatelle de 54 chevaux (soit 432 ch/litre).
  • Chambre de résonance ouverte à bas régime pour simuler un pot plus long accordé ou bien de valves d'échappement à hauteur variable permettant des temps d'échappement plus ou moins long cela permettant de conserver un moteur à fort couple dans une large plage de régime  ;
  • Utilisation d'un deuxième cylindre pour assurer la pré compression. Ce type de moteur a équipé la célèbre 99z de Motobécane, ainsi que certaines voiturettes ;
  • Injection directe, permettant un rendement optimum supérieur aux moteurs 4 temps (du fait de l'absence de distribution) ainsi qu'une diminution importante de la pollution.
  • Balayage avec de l'air au lieu du mélange air-essence et injection (directe ou non) une fois l'échappement refermé (encore en étude) ;
Qualité des huiles 
  • L'amélioration de la qualité des huiles au fil des années a énormément contribué à l'amélioration de la robustesse et du rendement des moteurs deux temps. Jusqu’à la fin des années 1980 et même au début des années 1990, les moteurs étaient lubrifiés par des huiles minérales de mauvaises qualité, au film fragile, cassant facilement entraînant des serrages des moteurs. La quantité d'huile à utiliser devait être importante pour pallier ce problème. La proportion d'huile-essence devait être de 4% minimum ;
  • Avec les huiles de synthèses ou semi-synthèses actuelles, une proportion huile-essence de 2 à 3% est largement suffisante, la consommation d'huile est donc nettement diminué et la longévité des moteurs accrues ;
  • Le graissage séparé améliore également le rendement et la lubrification du moteur (pourcentage huile essence variable en fonction du régime) tout en supprimant la contrainte du mélange directement dans le réservoir, peu pratique (utilisation d'un mélangeur de station service avec des huiles bas de gamme, mélange effectué par l'utilisateur directement dans le réservoir, "secouage" de la machine avant chaque départ, etc.). Le graissage par mélange n'est pratiquement plus utilisé que sur les machines de courses ou encore sur des engins type tronçonneuse, souffleur, etc.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Ce type de moteur est courant surtout dans les plus petites cylindrées. Ils ont les avantages de la simplicité, d’un poids et d'un encombrement réduit ainsi que de fonctionner dans toutes les orientations sans nécessiter de lubrification par carter sec.

Motocyclettes[modifier | modifier le code]

Dans les années 1970, le moteur à deux temps était à la mode. À cette époque, beaucoup de constructeurs de motocyclettes quatre temps ont développé des modèles avec des moteurs deux-temps, même de grosse cylindrée, comme la Kawasaki 750 H2. En France, la Motobécane 125 de 1970 est le reflet même de cette époque. Cependant, l'augmentation du prix du pétrole et les normes antipollution de plus en plus contraignantes ont progressivement limité l'usage de ce type de moteur.
À remarquer néanmoins que pour des raisons de coût, de fiabilité et de poids; les motos de tout-terrain à moteur deux temps sont de plus en plus présentes au départ des compétition (motocross, enduro et trial).

Automobile[modifier | modifier le code]

La plus connue des automobiles a moteur deux temps est la série des véhicules Trabant, fabriqué en RDA par l'entreprise VEB Sachsenring Automobilwerk Zwickau.

En Pologne, la société FSO a produit de 1957 à 1983 une voiture à moteur 2 temps : la FSO Syrena.

Le constructeur suédois Saab a utilisé des moteurs 2 temps pour motoriser ses modèles 92001, 92, 93, ainsi que les premières 96.

Des micro-citadines ont également utilisé un moteur 2 temps comme l'Isetta conçue par la firme italienne ISO Rivolta.

Tronçonneuses et souffleurs de feuilles[modifier | modifier le code]

On utilise aujourd'hui les petits moteurs 2-temps dans toutes sortes d'engins demandant une vitesse de révolution élevée en prise directe, comme les tronçonneuses ou les souffleurs de feuilles, et sur des véhicules comme le karting ou de nombreux scooters, lesquels disposent d'un système d'embrayage.

Moteurs diesel[modifier | modifier le code]

Le cycle 2-temps reste très exploité dans les énormes moteurs Diesel, comme ceux propulsant des navires. L'échappement s'effectue souvent par une ou des soupapes et l'admission par des lumières. Historiquement, il a été utilisé sur des moteurs assez exotiques comme des moteurs à pistons opposés Junkers Jumo 205 (de), des moteurs en Delta (vedettes et locomotives) Napier Deltic (de), Fairbanks-Morse (de) et poids lourds Detroit Diesel, etc. L'alimentation en air (balayage) d'un Diesel 2-temps est assurée par un ou plusieurs compresseurs (souvent type Roots), parfois assistés d'un ou plusieurs turbocompresseurs.

Opérations de base[modifier | modifier le code]

Le moteur au cycle à deux temps est simple dans sa construction mais d'une dynamique complexe pour ses opérations.

Avantages par rapport au 4 temps[modifier | modifier le code]

  • Mécanique simple : pas de mécanique complexe (distributions, soupapes) à démonter lors de l'ouverture du moteur. Facile à réparer soi-même avec un minimum d'outillage courant et un peu de connaissances en mécanique.
  • 30% plus léger et 30% moins encombrant qu'un moteur 4 temps de même cylindrée.
  • 40% plus léger (le prototype Orbital destiné à l'automobile - 3 cylindres, 75 ch, pesait 45 kg).
  • Plus puissant à cylindrée égale (1,7 fois plus puissant environ sur les moteurs actuels).
  • Utilisable dans toutes les positions sans modification particulière.
  • Utilisation presque systématique de boîte à clapets permettant des cycles d'admissions variables gérés par la dépression régnant dans le carter d’embiellage.
  • Utilisation de lumières d'échappements à hauteur variable permettant de limiter les pertes de charge gazeuse particulièrement pour les bas et mis-régimes afin de limiter la consommation et d'augmenter le couple et la souplesse.
  • Plage d'utilisations possibles très étendue (moteur de trial à fort couple et souple en bas régimes, en mis régimes de l'ordre de 3000 à 8 000 tr/min pour l'utilisation grand public, en haut régime pour la compétition de l'ordre de plus de 18 000 tr/min pour le Karting, ou 35 000 tr/min dans les cas extrêmes du modélisme)

Rendement possible de l'ordre de 430 ch par litre sans turbo ni compresseur (voir la 125 Derbi gagnante de la dernière saison de grand prix 2 temps ou distributeur rotatif).

  • Possibilité de gérer l'alimentation par injection directe permettant ainsi de dépolluer fortement ce type de moteur et d'obtenir une consommation de l'ordre de 2,85 litres aux 100 km (voir aussi les moteurs marins ou ceux utilisés sur les scooters des neiges).

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Le moteur 2 temps présente aussi des inconvénients :

Inconvénients majeurs[modifier | modifier le code]

Les problèmes majeurs sont :

  • la distance parcourue par le piston avant la fermeture de la lumière d'échappement qui provoque une perte d’hydrocarbures imbrûlés. Des phénomènes de résonance induits par un pot de détente aident à résoudre cette difficulté, ou l'injection directe, qui permet de balayer le cylindre avec de l'air pur, le carburant n'étant injecté qu'à la fin. Si un simple pot d'échappement est utilisé, pendant la phase d'admission/échappement, jusqu'à 30 % du mélange peut être perdu.
  • le lubrifiant dans son carburant pour graisser le cylindre qui génère une émission d'huile (plus ou moins brûlée) dans l'atmosphère, le rendant ainsi polluant. C'est cet inconvénient qui expliquait en grande partie son abandon progressif au profit du 4-temps. À remarquer les nouvelles huiles 2 temps (norme ISO-L-EDG) permettent une combustion à chaud pratiquement totale.
  • Ayant deux fois plus de combustions à régime égal qu'un 4-temps, le cylindre du moteur a tendance à chauffer plus rapidement que le quatre temps mais pas plus d'où le perlage de bougie, inconvénients pouvant être écartés par un refroidissement efficace (liquide), une qualité d'huile améliorée par rapport aux années 1970 et des bougies de bonne qualité. De nos jours, les perlages n'existent plus.
  • Le moteur deux-temps est une source de pollution importante du fait des rejets d'huile et d’hydrocarbures imbrûlés potentiellement cancérigènes. Selon une étude américaine, un moteur deux temps conventionnel émet 151 grammes d'hydrocarbures par kWh, un moteur deux temps à injection directe environ 40 grammes par kWh, un moteur 4 temps de même puissance émettrait 4 grammes par kWh[3]. Mais la généralisation de l'injection directe permettra de réduire ces gaz et particule à des valeurs très inférieures. (Hydrocarbure imbrulés, Oxyde d'azote, monoxyde de carbone et CO en quantité inférieure aux 4 temps dans le cas d'utilisation de cette technologie.

Inconvénients mineurs[modifier | modifier le code]

  • Faible frein moteur ;
  • Cale souvent à bas régime ;
  • Usure plus rapide de la segmentation (et donc du piston) qui contrairement à un moteur 4-temps, pénètre légèrement dans les différentes lumières d'admission(s) et d'échappement(s) lors du mouvement dans le cylindre. Cependant l'usure plus rapide est aussi due au fait que la plage d'utilisation d'un moteur 2 temps est en général sur un régime moteur plus élevé que sur les moteurs 4 temps.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Ces actions combinées ne permettent pas un mélange gazeux optimum, car les gaz frais poussent les gaz brulées, d’où risque de mélange des deux. Cependant sur les gros moteurs l'injection direct évite ce problème
  2. La dépression créée par la remontée du piston déclenche l'ouverture du clapet et l'admission du mélange carburant + oxygène + huile de lubrification
  3. Du fait de l'ouverture simultanée de la lumière d'admission de gaz frais et de celle d'échappement
  4. Du fait des régimes moteur plus élevés que sur un moteur a quatre temps

Références[modifier | modifier le code]

  1. Moteur à explosion, sur le site universalis.fr
  2. a et b Valse en deux temps ! Sur le site tract-old-engines.com
  3. Le moteur deux temps conventionnel (celui muni d'un carburateur): Une technologie complètement dépassée, sur le site lacbowker.org, consulté le 12 novembre 2013

Articles connexes[modifier | modifier le code]