Moteur à combustion et explosion

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Moteur d'une Clio Williams.
Moteur Caterpillar C9.
Moteur Iveco Cursor 78 EEV.

Moteur à explosion est un terme communément mais improprement utilisé pour désigner un des moteur à combustion interne qui enflamme le carburant grâce à une bougie[1]. En effet, dans un tel moteur, les gaz n'explosent pas mais brûlent avec une vitesse de front de flamme inférieure à celle d'une explosion. Ce moteur est principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (tel qu'avions, automobiles, motos, camions, bateaux) mais aussi pour de nombreux outils mobiles tel que tronçonneuses, tondeuses à gazon ainsi que pour de nombreuses installations fixes (groupes électrogènes, pompesetc.).

Une explosion ou détonation est une forme particulière de combustion pour laquelle la vitesse du front de flamme est au moins en partie supersonique. Dans les moteurs à allumage commandé, la détonation est un défaut de fonctionnement, voir cliquetis, normalement, c'est une déflagration qui se produit au sein de ces moteurs.

Moteur quatre temps à allumage commandé[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Moteur à allumage commandé.
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Il s'agit de tous les moteurs utilisant comme carburant de l'essence, de l'alcool, voire un gaz (GPL, etc) ou autre, et dont la combustion doit être déclenchée par une source d'énergie externe (bougie, trembleur, rupteur, Delcoetc.).

Ces moteurs transforment l'énergie potentielle, chimique, stockée dans un carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides, d'où le terme, injustement utilisé, d'« explosion ». Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindres permettant de confiner les combustions et d'en utiliser l’énergie. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transformé en rotation par l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin, un assemblage de manivelles sur un axe[N 1].

Avec soupapes[modifier | modifier le code]

Chaque cylindre est fermé par une culasse munie d'au moins deux soupapes[N 2] : la première, la soupape d'admission permet l'alimentation en mélange air/essence du cylindre par le collecteur d'admission ; la deuxième, la soupape d'échappement permet l'évacuation des gaz brulés vers l'échappement.

Sans soupapes[modifier | modifier le code]

Il a existé des moteurs sans soupapes, celles-ci étant remplacées par des chemises mobiles dites « louvoyantes » découvrant des lumières. Ce principe a été utilisé avec succès (excellente fiabilité, très bon rendement, silence de fonctionnement[réf. nécessaire]) sur les moteurs d'avion Bristol qui furent construits sous licence par la Snecma jusque dans les années 1970, pour l'équipement des avions de transport militaire Noratlas. Deux systèmes de moteurs sans soupapes ont été construits, le système Knight, avec deux manchons en mouvement en haut et bas de direction contraire pour le manchon externe et l'interne, que l'on installait sur les voitures Willys, Daimler, Panhard, Voisin, Minerva, Peugeot et d'autres, et le système à manchon unique, type Burt-McCollum, avec un mouvement simultané en haut et en bas et à droite et à gauche, un point quelconque du manchon faisait une sorte d'ellipse, qui n'avait pas les sérieux problèmes du système Knight, et aussi éliminait les régions à forte usure par faible graissage proches du PMS et PMI de la course du piston. D'après un entretien avec Mike Hewland (Car&Driver, juil. 1974) il a réussi à faire tourner au-dessus de 10 000 tours par minute un monocylindre 500 cm3 avec de type de distribution, premièrement installée sur les voitures Argyll, et après dans les moteurs d'aviation Bristol, avec une consommation d'huile plus réduite que sur les moteurs avec soupapes traditionnelles, et une consommation spécifique de gazoline aux alentours de 175 g/ch/h, le moteur fonctionnait aussi avec de la créosote. Les efforts plus intenses pour le développement du système Burt-McCollum ont été faits en Angleterre par H. Ricardo et R. Fedden. Le moteur Wankel (/[vɑ̃kɛl ]/) est un moteur à piston rotatif fonctionnant selon le cycle de Beau de Rochas, dans lequel un piston « triangulaire » convertit l'énergie issue de la combustion du carburant en une énergie mécanique de rotation.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Cycle de Beau de Rochas.
Cycle quatre temps à allumage commandé 1:admission 2:compression 3:combustion 4:échappement.

Le cycle de fonctionnement se décompose de manière analytique en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initié par la combustion (augmentation rapide de la température et donc de la pression des gaz) d'un mélange de carburant et d'air (comburant) qui a lieu durant le temps moteur. C'est le seul temps produisant de l'énergie ; les trois autres temps en consomment mais le rendent possible. Le piston se déplace pendant le démarrage grâce à une source d'énergie externe (souvent un démarreur ou lanceur : un moteur électrique est couplé temporairement au vilebrequin) jusqu'à ce qu'au moins un temps moteur produise une force capable d'assurer les trois autres temps avant le prochain temps moteur. Le moteur fonctionne dès lors seul et produit un couple sur son arbre de sortie.

Voici une description des cycles successifs d'un moteur à quatre temps :

  1. Admission d'un mélange d'air et de carburant pulvérisé, préalablement mélangé et préparé par divers composants (carburateur ou système d'injection indirecte) : ouverture de la (des) soupape(s) d'admission et descente du piston, ce dernier aspire ce mélange dans le cylindre à une pression de 100 à 300 mbars (moteur non-suralimentés dits "atmosphériques") à 2500 mbars environ pour un moteur suralimenté d'automobile de série (exprimé en pression absolue).
  2. Compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à 30 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;
  3. Combustion[N 3] et détente aux environs du point mort haut (PMH): moment auquel le piston atteint son point culminant et auquel la compression est au maximum ; la bougie d'allumage, connectée à un système d'allumage haute tension, produit une étincelle quelques dégrés avant le PMH; la combustion initiée qui s'ensuit constitue le temps moteur ; les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bars repoussent le piston, initiant le mouvement ;
  4. Échappement : ouverture de la (ou des) soupape(s) d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés détendus dans le collecteur d'échappement.

Et un nouveau cycle commence en 1.

Moteur Diesel quatre temps[modifier | modifier le code]

Comme le moteur thermique à allumage commandé, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d'admission et d'échappement, culasse équipée de soupapes commandées par un ou plusieurs arbres à cames. Le fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute dans de l'air comprimé à un rapport de compression de plus de 1:15 du volume du cylindre, dont la température est portée à quelque 600 °C. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé) dans l'air comprimé, celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il ne soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression (sur les anciens Diesel la pression d'injection était de 130 à 200 bars alors que dans les Diesel modernes Common rail elle peut atteindre 2 000 bars ce qui favorise une combustion plus complète et moins polluante), repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d'axe moteur, voir système bielle-manivelle).

Le cycle Diesel à quatre temps comporte :

  1. Admission d'air par l'ouverture de la (des) soupape(s) d'admission et la descente du piston ;
  2. Compression de l'air par remontée du piston, la (les) soupape(s) d'admission étant fermée(s) ;
  3. Injection - combustion - détente : peu avant le point mort haut, on introduit, par un injecteur haute pression le carburant pour former un mélange instable avec l'oxygène de l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds en expansion rapide repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur ;
  4. Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la (des) soupape(s) d'échappement, poussés par la remontée du piston.

Les seules bougies présentes sur un moteur Diesel sont les bougies de « préchauffage » qui, comme leur nom l'indique, préchauffent les chambres de combustion (ou les préchambres suivant le type de Diesel) afin d'obtenir, lorsque le moteur est froid, une température suffisante pour l'auto-inflammation du carburant. Ce système assure parfois également un "post-chauffage" visant à assurer la stabilité en rotation du moteur et la diminution des émissions polluantes lors des basses températures.

Moteur deux temps[modifier | modifier le code]

Historique[modifier | modifier le code]

Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Étienne Lenoir en 1859. Il utilisait un gaz d'éclairage. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir. Dans sa version économique dotée d'un simple carburateur, son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d’une puissance et d'un couple nettement plus élevés (60 à 70 %) qu'un moteur à quatre temps de la même cylindrée au même régime ; il est demeuré longtemps et reste encore le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs et de quelques motos sportives répliques de motos de compétition en GP et tout-terrain. Depuis 1990, on s’intéresse de nouveau aux moteurs à deux temps pour l'automobile mais en injection directe pneumatique[2], solution de plus en plus utilisée de nos jours sur les 2 roues de petite cylindrée et qui répond aux normes de pollution Euro 3.

Technique[modifier | modifier le code]

Animation du cycle 2 temps
1) Admission, compression et explosion
2) transfert et échappement.

Les moteurs « deux temps » respectent le cycle de Beau de Rochas en utilisant les deux côtés du piston : la partie supérieure pour les phases de compression et de combustion et la partie inférieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de conséquence, d'échappement). Ils épargnent ainsi les mouvements (donc latence, frottements…) de deux cycles non producteurs d'énergie et produisent davantage de couple et de puissance. Entre les deux systèmes de balayage existant pour les moteurs deux temps (le système Schnürle - Schuerle porting en anglais - ou en boucle et l’écoulement à sens unique appelé uniflux ou "équicourant"), des recherches récentes ont montré que le système à boucle est toujours meilleur que le système uniflux (ou équicourant).

La puissance théorique d'un moteur 2 temps est le double de celle d'un moteur 4 temps, mais le fait de supprimer deux temps créé des difficultés car il faut expulser les gaz brulés avant d'admettre l'air et cela dans un temps très court. On doit effectuer simultanément l'échappement et l'admission au voisinage du PMB (point mort bas) avec le secours obligatoire d'une pression d'air supérieur à la pression atmosphérique fournie soit par une pompe de balayage attelée (alternative ou rotative), soit par une turbo-soufflante. 30 à 40 % de l'énergie créée par la course motrice est absorbée par les pompes de balayage attelées ; d'où l'utilisation des turbo-soufflantes (TS) qui utilisent l'énergie gratuite des gaz d'échappement.

Avantages[modifier | modifier le code]

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Les moteurs « deux temps » permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un cycle moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un cycle moteur pour deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'étanchéité demeure difficile à assurer et certains effets liés à l'emplacement des canaux de transfert de gaz (admission et échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.[pas clair]

Les principaux avantages de ces moteurs incluent :

  • une combustion à chaque tour moteur et une puissance spécifique (puissance/cylindrée) très élevée, donc une puissance massique très élevée ;
  • une simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ;
  • un graissage des éléments en rotation quelle que soit l'inclinaison du moteur ;
  • des pertes par frottements internes nettement plus faibles que sur un 4 temps (vilebrequin sur roulements, pas de distribution à entrainer, pas de segment racleur, régime nettement plus faible à puissance équivalente fournie) ;
  • un caractère moteur très expressif, qui fonctionne de mieux en mieux à l'approche de son régime maxi. Tout l'opposé du quatre temps qui semble forcer et vouloir éjecter ses composants dans ce cas ;
  • à puissance égale une fiabilité supérieure au quatre temps qui doit tourner beaucoup plus vite,[pas clair] ce qui est mis en évidence en comparant la NR500 Honda de grand prix des années 1980 aux 500 deux temps de l'époque.[réf. nécessaire]
  • un transfert de chaleur au système de refroidissement du moteur plus faible par rapport aux moteurs a quatre temps, donc une meilleure efficacité du point de vue du cycle thermodynamique.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Les principaux inconvénients des moteurs deux temps incluent :

  • Une plus forte consommation spécifique, due à la partie de gaz imbrûlés qui sont expulsés du moteur durant la phase de transfert. Pour y remédier, une injection directe permet de faire pénétrer une dose précise de carburant dans la chambre de combustion transferts fermés. Un pot d'échappement accordé, dit pot de détente, permet d'éviter la perte par l'échappement et fait profiter au remplissage d'un effet « compresseur » en gavant le cylindre avant la fermeture de la lumière d'échappement dans sa plage d'accord. Une valve à l'échappement étend cette plage, soit en diminuant la hauteur de la lumière d'échappement, soit en faisant communiquer avec le pot une chambre qui va abaisser la fréquence de résonance de ce dernier. L'injection d'eau dans le pot (le refroidir) le fait s'accorder plus bas. La diminution de l'avance à l'allumage le fait chauffer et s'accorder plus haut (la vitesse des ondes étant proportionnelle à la température du pot).
  • Une usure plus rapide due à la partie supérieure de la (des) lumière d'échappement qui torture les segments lors de leur passage : ils y subissent des contraintes différentes et importantes, compensée par une vitesse de rotation plus faible à puissance égale.
  • La lubrification est réalisée par mélange (1,5 à 3 % d'huile dans l'essence) ou graissage séparé par pompe avec injection d'huile directement dans les roulements parfois (Suzuki). Les huiles modernes brulent quasi complètement lors de la combustion, cependant la pollution est due aux hydrocarbures imbrulés, liés à la simultanéité du transfert, du mélange air/carburant vers le haut du cylindre, et de l'échappement.
  • Faible frein moteur.

Pour ces différentes raisons, mais surtout à cause de l'entrée en vigueur partout dans le monde de normes d'émissions polluantes plus contraignantes, y compris pour les motocyclettes, les moteurs deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition, car ils polluent beaucoup plus que des moteurs quatre temps équivalents (tondeuses à gazon, tronçonneuses, cyclomoteurs, moteurs hors-bord, petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélisme…). En revanche, plusieurs entreprises ont conçu des moteurs deux temps à injection directe (l'australien Orbital Engine Corporation - maintenant Synerject - notamment et son système AsDI - Air-assisted Synerject Direct Injection) et de grands constructeurs de scooters l'ont adopté sur certains de leurs modèles (Peugeot, Aprilia, Piaggio et Kymco)[3].

Diesel deux temps[modifier | modifier le code]

Article détaillé : cycle à deux temps.

Toutefois, les moteurs deux temps présentent encore un fort potentiel dans des secteurs spécifiques, par exemple celui des très grandes puissances (propulsion marine ou production électrique) où des Diesel deux temps dits « moteurs lents » délivrent plus de 100 000 ch avec un rendement de 50 %. Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre des pistons atteint 1 mètre et la course 2,50 mètres[4]. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 100 tours par minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et la faible consommation. Par contre, leur hauteur (environ 17 m) et leur masse (plus de 1 000 tonnes) limitent leur utilisation. Les moteurs à quatre temps de puissance équivalente sont environ trois fois moins lourds et moins coûteux, au prix d'une chute de rendement de l'ordre de 3 % et d'une durabilité moindre [réf. nécessaire]. Certains de ces moteurs deux temps utilisés en génération électrique ont duré plus de cinquante ans.[réf. nécessaire]

Certains moteurs d'avions utilisent également ce principe, assez ancien, puisque déjà utilisé par les moteurs Clerget des années 1930. Aujourd'hui[Quand ?], le plus connu est le moteur Wilksch, un tricylindre 2 temps de 120 ch suralimenté par compresseur. Il existe aussi en 2 et 4 cylindres, ainsi que le prometteur prototype en cours de certification du moteur en étoile Zoche (300 ch). L'avantage dans ce cas du moteur Diesel deux temps est un rapport poids/puissance équivalent à un 4 temps essence, mais avec un meilleur rendement et l'utilisation d'un carburant trois fois moins cher, le kérosène, au lieu de la coûteuse et polluante essence d'aviation au plomb.

Rendement[modifier | modifier le code]

Le rendement d'un moteur est le rapport entre la puissance mécanique délivrée et la puissance thermique fournie par le carburant. Il dépend du cycle thermodynamique choisi, des paramètres de fonctionnement (taux de compression) et des pertes thermiques, mécaniques (frottement), d'écoulement (dans l'admission et l'échappement) ainsi que des pertes dues aux accessoires nécessaires à son fonctionnement tels que pompe d'injection (moteur diesel), ventilateur de refroidissement, pompe de refroidissement, pompe à huile, alternateur, compresseur de climatisation et autres éventuels accessoires[N 4]. Le rendement maximal pour les moteurs automobiles modernes est de 35 % environ pour les moteurs à allumage et de 45 % pour les moteurs Diesel alors que les plus gros moteurs industriels dépassent 50 %. L'énergie nécessairement perdue suivant le cycle de Carnot peut, être récupérée par cogénération (pour réchauffer un autre fluide tel que l'eau chaude sanitaire par exemple), améliorant sensiblement le bilan énergétique global de l'installation dans son ensemble.

Dans le cas d'un moteur automobile qui fonctionne rarement à forte charge et de manière toujours transitoire, le rendement réel pratique est beaucoup plus faible. Pour rouler à vitesse stabilisée à 120 km/h, la majorité des voitures n'a guère besoin de plus de 20 kW alors que les moteurs peuvent souvent en fournir trois à huit fois plus, ce qui conduit à un rendement pratique très dégradé. Du fait des pertes complémentaires liées à la transmission, aux périodes d'arrêt moteur au ralenti, le rendement réel pratique d'une voiture ne dépasse guère 12 %[5].

Architectures alternatives[modifier | modifier le code]

Les défauts du moteur à combustion interne classique sont : son médiocre rendement, ses vibrations et son niveau de pollution. De nombreuses architectures distinctes sont nées au cours de l'histoire, beaucoup sont restées à l'état de dessins ou de maquettes, certaines ont donné des prototypes fonctionnels, et quelques rares architectures ont eu droit à la production industrielle. La plus connue, utilisée notamment dans les automobiles, est celle du moteur à piston rotatif, le moteur Wankel, utilisé par Citroën et NSU, puis perfectionné par Mazda. Il existe aussi l'architecture de type Cycle d'Atkinson, utilisée par Toyota dans ses véhicules hybrides commercialisés depuis 1997.

Une architecture tout aussi originale, à l'état de prototype, est celle de la quasiturbine. Pour l'instant, aucun constructeur ne semble vouloir détrôner le moteur à pistons avec son vilebrequin et ses soupapes. La société anglaise ILMOR a mis au point un moteur 5-temps, avec double expansion pour faire un meilleur usage de l'énergie qui est perdue dans les gaz d'échappement. Otto lui-même avait construit au XIXe siècle quelque chose de semblable, mais sans succès.

Caractérisation[modifier | modifier le code]

Cylindrée[modifier | modifier le code]

La cylindrée d'un moteur est le volume total (tous cylindres) déplacé durant un cycle. Elle est calculée à partir du diamètre d'un cylindre (l'alésage), de la distance parcourue par un piston (la course) et, du nombre de cylindres. V_{m}=\frac{\pi\cdot Crs\cdot Al^2\cdot Nb}{4}

avec:

  • V_{m}: volume en cm^3
  • Crs: course en cm
  • Al: alésage en cm
  • Nb: nombre de cylindres

Puissance[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Puissance (physique) et Régime moteur.

La puissance développée par un moteur est souvent représentée par une courbe de puissance moteur. Elle doit être mesurée selon certaines normes définissant en particulier les accessoires mis en œuvre et les conditions de température et de pression. Elle est toujours supérieure à la puissance réellement disponible aux roues pour un véhicule du fait des pertes dans la transmission. L'unité légale utilisée est le kW mais souvent accolée au cheval-vapeur (ch)[6] pour des raisons historiques.

C'est le « couple a bas régime » qui permet de faire accélérer un véhicule sans avoir besoin de faire "monter le régime moteur[7]", mais c'est la puissance maximum qui détermine la vitesse que pourra atteindre ce véhicule[7]. la boite de vitesse permet d’augmenter le couple sur les roues motrices tout en réduisant le régime moteur et réciproquement, selon l'objectif poursuivi (accélération/économie de carburant).

La puissance est la capacité à transmettre de l'énergie en fonction du temps. Le Watt étant en fait une Joule par seconde, 1 W = 1 J/s. La notion de couple prise isolée ne fait pas intervenir le mouvement.

Équations notables du calcul de la puissance :

  • Puissance (HP) = (Couple (m.kg) x RPM) / 716
  • Puissance (HP) = (Couple (m.daN) x RPM) / 702,83
  • Puissance (HP) = Couple (lb.pied) x RPM / 5252;
  • Puissance (HP) = Force (kg) x Vitesse (km/h) / 273,8;
  • Puissance (HP) = Force (lb) x Vitesse (mph) / 77,2;
  • Puissance (W ) = Couple (N.m) x ((RPM x Pi) / 30)

avec :

Couple[modifier | modifier le code]

Le couple maximal exercé sur l'axe. L'unité légale utilisée est le N × m (bien que le kg × m reste courant). La puissance est le produit du couple par la vitesse de rotation (pour obtenir des watts, il faut multiplier le couple en N × m par la vitesse de rotation en radians par seconde "omega".).

Taux de compression[modifier | modifier le code]

Le taux de compression d'un moteur exprime le rapport entre le volume laissé dans l'un de ses cylindres au point mort bas et au point mort haut. Plus il est élevé plus le mélange est comprimé donc plus l'explosion sera forte, donc difficile à gérer (choc mécanique, température…) mais plus le rendement du moteur sera élevé : voir l'étude thermodynamique.

Vitesse maximale de rotation[modifier | modifier le code]

La vitesse maximale de rotation est généralement exprimée en tours par minute. Elle correspond à la vitesse de rotation que le moteur peut atteindre quand on accélère au maximum. On peut augmenter cette vitesse maximale de rotation avec une préparation moteur mais il faut savoir que plus le moteur tourne vite plus il s'use (les moteurs de Formule 1 récents atteignent 19 500 tr/min comme le moteur "RS26" de Renault en 2006 mais doivent être révisés, voire remplacés, fréquemment).

Aussi, avec l'augmentation de régime d'un moteur thermique, les pertes par frictions internes croissent avec le cube de ce dernier; il en résulte donc une dégradation du rendement global du moteur avec l'augmentation du régime.

Puissance spécifique[modifier | modifier le code]

La puissance spécifique exprime la puissance produite en fonction de la cylindrée (volume de gaz contenus après le cycle d'admission). Elle est souvent exprimée en la rapportant au litre de cylindrée. Un moteur de 500 cm3 développant 33 ch présente ainsi un « rendement de puissance » de 66 ch au litre tandis qu'un 3 000 cm3 développant 120 ch n'en offre que 40. L'augmentation de la puissance spécifique est d'autant plus aisée que la cylindrée unitaire diminue (donc que le nombre de cylindres augmente) puisque la puissance augmente avec le régime. Or, un moteur de forte cylindrée unitaire fonctionnant rapidement développe des moments mettant l'ensemble, en particulier le piston, à rude épreuve et, donc menace sa fiabilité.

Tel que décrit précédemment, la norme est de parler de puissance au litre, mais il est parfois plus avantageux de parler de puissance au litre par 1 000 tr/min (défini ici comme étant Plm) afin de pouvoir avoir une idée plus précise du travail fait sur le moteur. Faire le calcul donne le niveau de développement d'un moteur. On retrouve des moteurs de série procurant des Plm de beaucoup inférieurs à 15 ch (moteur sans suralimentation). La configuration de certains moteurs ne permettra pas de se rendre à ce niveau de rendement même avec des modifications. Pour les moteurs deux soupapes atmosphériques, bien souvent, la limite est d’environ 13 ch / litre / 1 000 tr/min.

La limite de puissance qu’un moteur peut obtenir est fonction de sa configuration, de sa cylindrée et du régime moteur. L’expérience montre toutefois que pour un moteur atmosphérique, la limite de puissance Plm est aux alentours de 16 ch / litre / 1 000 tr/min, mais souvent de 15 ch / litre / 1 000 tr/min au régime où la puissance maximale est atteinte pour un moteur atmosphérique.

Voici quelques exemples :

  • Moteur de 1 litre, tournant à 12 000 tr/min peut procurer 180 ch (moteur de moto)
  • Moteur de 3 litres, tournant à 18 000 tr/min peut procurer 810 ch (moteur de Formule-1)

Ceci est vrai peu importe la cylindrée, l'alésage et la course d'un moteur.

Puissance massique[modifier | modifier le code]

La puissance massique est un rapport entre la puissance développée et la masse du moteur. Dans le cas d'un moteur à poste fixe, elle n'exprime le plus souvent rien d'utile, mais les constructeurs d'aéronefs lui accordent par contre une grande importance.

Pressions moyennes[modifier | modifier le code]

La pression moyenne indiquée représente la qualité de la combustion et l'étanchéité du moteur.

La pression moyenne effective est une image de la puissance spécifique. C'est le produit de la pmi par le rendement

Refroidissement[modifier | modifier le code]

Les combustions répétées surchauffent les pièces en contact (piston, cylindre, soupape) et se diffusent par conduction sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à combustion interne ont besoin d’une température stabilisée et adaptée.

Refroidissement à air[modifier | modifier le code]

Moteur de la Coccinelle.

En 1875 le français Alexis de Bischop utilise l'air pour le refroidissement. Son moteur sans compression préalable, de type mixte, comportait un cylindre entouré d'ailettes métalliques augmentant ainsi la surface en contact avec l'air. Ce type de refroidissement est surtout utilisé pour les moteurs équipant les cyclomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais aussi sur des automobiles, comme certaines Porsche, GS, la 2CV ou la Coccinelle et les Panhard PL 17. Le refroidissement par air est aussi majoritaire pour les moteurs à pistons équipant les avions. Le refroidissement à air a longtemps été la référence pour les moteurs de motocyclettes (même s'il a toujours existé des moteurs de motocyclettes à refroidissement liquide) mais les problèmes entraînés par le haut rendement de ces moteurs (casse, usure prématurée) ont conduit à la quasi généralisation du refroidissement liquide malgré les avantages spécifiques pour la motocyclette du refroidissement à air (encombrement, poids, simplicité, prix).

Il peut être optimisé par l'utilisation d'un ventilateur dont la présence ne révèle toutefois pas toujours un refroidissement à air car il dissipe parfois la chaleur du radiateur d'un système de refroidissement liquide. Le refroidissement par air convient mieux aux températures extrêmes d'ambiance, très chaudes ou sous zéro, mais surtout en usage aéronautique où elles ont causé quelques problèmes par refroidissement trop intensif et rapide dans certaines situations (en anglais : shock cooling). L'avantage pour les moteurs à refroidissement d'air pour l'aéronautique est la légèreté de la construction ainsi que sa simplicité. Les moteurs à pistons sur les avions sont équipés d'un allumage doublé avec deux bougies par cylindre[8], par exemple le moteur Continental O-200 ou Rolls-Royce O-200 (identique) qui équipe l'avion d'école le plus répandu au monde : le Cessna 150/152[9].

Refroidissement liquide[modifier | modifier le code]

Radiateur moderne, en aluminium.

C'est l'anglais Samuel Brown (en) qui inventa le refroidissement du moteur par de l'eau afin d'améliorer les performances du refroidissement. Dans son moteur, l'eau entraînée par une pompe circule autour des cylindres entourés d'une chemise, l'eau est refroidie par contact direct avec l'air ambiant. Plus tard, on ajouta à l'eau différents adjuvants qui devint alors le liquide de refroidissement. Le radiateur fut inventé en 1897 par l'ingénieur allemand Wilhelm Maybach. Après de nombreux tâtonnements, il mit au point le radiateur dit « nid d’abeille » qui permet le refroidissement très efficace d'un liquide. Il est composé d'un faisceau de conduits courts et étroits entre lesquels circule l'air. L'air peut être accéléré par un ventilateur placé devant ou derrière lui. Ce radiateur est situé dans un circuit fermé ou semi-fermé empli d'un liquide (à base d'eau) assurant le refroidissement du moteur. Dans les moteurs les plus anciens, la circulation d'eau est assurée par thermosiphon : l'eau chauffée par le moteur monte vers le radiateur, placé en hauteur. Une fois refroidie, elle redescend vers le moteur. Dans les moteurs modernes, on utilise une pompe à eau.

Un contrôle permanent de la température vise à maintenir l'eau et l'huile dans des conditions permettant une lubrification optimale. Idéalement, la température du liquide de refroidissement est d'environ 80-90°C, déterminée par plusieurs facteurs tels que tolérances d'usinage et résistance au frottement des pièces mécaniques, les lubrifiants utilisés. La régulation de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique située dans le circuit de refroidissement, associée à un ou plusieurs ventilateurs asservi par un thermocontact qui ferme leur circuit d'alimentation électrique) réglé à la température maximale supportable en permanence par le moteur. Dans les moteurs marins, le radiateur est remplacé par un échangeur de chaleur eau / eau. L'eau extérieure récupérant l'énergie du liquide de refroidissement interne au moteur.

Le radiateur à buses est un échangeur de chaleur dans lequel l'air en se réchauffant génère une certaine poussée. Cet effet est créé par l'introduction de l'air dans le refroidisseur au travers de fentes minces orientées dans le sens du déplacement du véhicule où il se dilate en se réchauffant et sort par une buse dans le sens inverse au déplacement. Le système ne génère aucune poussée lorsque le véhicule est immobilisé. Ce principe de refroidissement a été mis en œuvre sur les avions à moteur refroidi par eau. Le brevet de ce dispositif a été déposé en 1915 par Hugo Junkers.

Refroidissement par huile[modifier | modifier le code]

Tous les moteurs à combustion interne utilisent un liquide pour la lubrification des pièces en mouvement, l'huile qui circule mise souspression par une pompe. Il suffit donc de faire circuler ce liquide dans les zones les plus chaudes et, surtout, d'en assurer le refroidissement correct. Tous utilisent plus ou moins le refroidissement par huile : carter d'huile bas moteur ventilé, parfois muni d'ailettes, un petit radiateur d'huile.

Exemples: certaines motos à 4 cylindres de marque Suzuki, le moteur bicylindre à plat de la Citroën 2 CV utilisent un refroidissement mixte air-huile, avec un radiateur d'huile.

Comme avantages: les canalisations, pompe, radiateur indépendant et liquide, spécifiques au refroidissement deviennent inutiles. Cela permet un net gain de poids et une plus grande simplicité de conception.

Comme inconvénient, l'huile transporte moins bien la chaleur que l'eau et les spécificités de ces huiles les rendent plus coûteuses pour l'utilisateur. De plus, le graissage du moteur est moins performant (à isopérimètre) car il y a des pertes de charges dues à la circulation dans le radiateur d'huile.

Architecture[modifier | modifier le code]

Moteur en double étoile à 14 cylindres.

Maintenance[modifier | modifier le code]

Les moteurs à combustion interne exigent une maintenance régulière de leurs différents organes. Le programme en est établi au moment de la conception par les constructeurs eux-mêmes.

Histoire[modifier | modifier le code]

Monocylindre[modifier | modifier le code]

Le premier brevet concernant un moteur à combustion interne a été déposé par le Suisse François Isaac de Rivaz le 30 janvier 1807[10],[11]. Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Étienne Lenoir en 1860[12]. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir. L'on connaît un dispositif qui brûlait de la poudre, très proche d'un moteur à combustion interne et utilisé pour envoyer 3 000 m3 d'eau chaque jour aux jardins du palais de Versailles sous Louis XIV, dessiné par Christian Huygens en 1673 et construit en 1685. Vers 1862, les allemands Otto et Langen, constatant le faible rendement du moteur à deux temps de Lenoir (1860), entreprirent une série d'améliorations : la plus décisive consista à synchroniser les mouvements dans la phase de compression. Ce moteur n'avait pourtant que peu à voir avec les moteurs actuels ; c'était en effet un moteur atmosphérique, c'est-à-dire que le piston, propulsé par l'explosion du gaz, n'était en prise et n'exerçait un travail moteur sur l'arbre qu'au début de la phase d'échappement, l'appel d'air rappelant le piston vers sa position de compression.

L'entreprise Motorenfabrik Otto & Cie fondée à Cologne en 1864 donna naissance en 1876 à la Deutz AG (qui existe toujours), une firme de construction de matériel agricole. Otto développa cette même année un moteur à combustion à quatre temps qu'il fit breveter en Allemagne. Toutefois, par suite d'un droit d'antériorité invoqué devant les tribunaux par Beau de Rochas, ce brevet fut annulé en 1886. Gottlieb Daimler et Carl Benz (1886), puis indépendamment, Siegfried Marcus à Vienne à partir de 1889, construisirent alors leurs premiers tracteurs en exploitant le moteur Otto.

Quatre cylindres[modifier | modifier le code]

Schéma d'un moteur 4 cylindres vers 1900.
Équipage mobile d'un moteur à quatre cylindres en ligne, avec double arbres à cames en tête: vilebrequin, bielles, pistons et distribution.

Panhard et Levassor, dès 1896, engagent un « quatre cylindres en ligne » sur l'épreuve Paris-Marseille-Paris. Deux ans plus tard, les multicylindres (à quatre cylindres) gagnent les grosses voitures et, progressivement, se généralisent à l'ensemble de la gamme, devenant, en quelque sorte, l'archétype mondial pour les voitures courantes de moyennes et basses gammes.

Une première variante, le quatre cylindres en V, fait son apparition en course à la charnière des deux siècles, sur des modèles Mors et Ader. Quelques années plus tard, cette solution séduit Peugeot et Ariès pour leurs modèles courants d'avant 1914. Beaucoup plus tard, à partir de 1962, Ford en fera une large utilisation, mais aussi Matra et SAAB. Deuxième variante, le quatre cylindres (en ligne) couché, que l'on trouve en compétition chez Amédée Bollée (1898/99) (premier moteur à quatre cylindre monobloc (les autres moteurs quatre cylindres à l'époque étaient des bicylindres ou des monocylindres accouplés)) et chez Wolseley et Winton (1903[13],[14]. On l'a trouvée sur les motocyclettes BMW série K et sur les Peugeot 104 - 205, mais aussi sur les véhicules utilitaires ou monospace optant pour la solution « moteur sous le plancher ». Troisième variante, le quatre cylindres à plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert à 180°. Emblématique, dans sa version refroidissement à air, des « coccinelles » de Volkswagen. Cette architecture a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe actuellement les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallyes WRC.

Mais la course — où la vitesse est recherchée — est exigeante en matière de puissance, surtout quand il s'agit de courses de côte. D'où la tentation d'augmenter le nombre de cylindres.

Six cylindres[modifier | modifier le code]

Moteur V6 moderne (Mercedes).

La marque néerlandaise Spyker avait présenté un modèle 6 cylindres en 1903[15]. Un modèle Chadwick aux États-Unis franchit le pas en 1907 pour la course de côte de Fairmont. L'année suivante, cette fois en Europe, Rolls-Royce fait de même pour la course Londres-Édimbourg, en faisant appel à des six cylindres. La transposition aux modèles courants est quasi-immédiate pour les voitures de sport et de luxe. En Europe, c'est le cas pour Delaunay-Belleville, Napier, Mercedes, aux États-Unis pour Marmon (en). Plus tard, à partir de 1927, on trouvera des six cylindres (presque toujours en ligne) sur un grand nombre de modèles non sportifs, même pour des cylindrées modestes. L'atout principal de cette solution étant la souplesse de fonctionnement du moteur. Dans le monde de la motocyclette, le 6 cylindres restera rare. On le trouve en compétition, en particulier chez Honda dans les années 1960 (moteur en ligne) ou chez Laverda en endurance (moteur en V).

Les moteurs de plus de 4 cylindres seront longtemps interdits en compétition. Sur les véhicules de tourisme, on trouvera essentiellement la Honda 1000 CBX (moteur à 24 soupapes refroidi par air) la Kawasaki Z 1300 (moteur à 12 soupapes refroidi par eau) et, plus marginalement, chez Benelli avec une 750, puis une 900. En 2006, Honda propose toujours à son catalogue un modèle 6 cylindres à plat, la GoldWing.

Huit cylindres et plus[modifier | modifier le code]

Moteur W16 de la Bugatti Veyron 16.4.

Une nouvelle étape est franchie quand on passe au « huit cylindres ». Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V. La même année, apparaissent, toujours pour la compétition, des huit cylindres en ligne. Les moteurs d'avion, à la recherche du plus faible poids pour une puissance donnée, aboutissent en 1908 au moteur rotatif à 5 ou 7 ou 9 ou 11 cylindres en étoile dont l'ensemble tourne autour d'un vilebrequin fixe[16]. Cette solution, adoptée pour beaucoup d'avions de la Première Guerre mondiale, ne survivra pas. Les moteurs d'avion des années 1930 et 1940 répondent à la demande sans cesse croissante de puissance. Les moteurs courants sont des V12 ou des moteurs en étoile de une à quatre rangées de 7 à 9 cylindres, soit 28 cylindres à la fin de la guerre pour le Pratt & Whitney R-4360 développant 3 500 ch ou 18 pour le Wright R-3350 aussi puissant, qui équipent le bombardier B29 puis la première génération d'avions de ligne transatlantiques, bientôt remplacés par les réacteurs.

Les américains, amateurs de grandes automobiles et sans souci du prix de l'essence, démocratisèrent les gros V8 au couple très élevé et aux vitesses de rotation assez lentes. Les constructeurs des monoplaces de Formule 1 utilisèrent pendant longtemps des V8 de 3 litres de cylindrée, dont le fameux Ford Cosworth. Dans les années 1990, c'est la structure V10 qui aura la faveur des motoristes de F1. Même l'écurie Ferrari, très attachée aux 12 cylindres en V, se pliera aux lois de cette formule. Depuis l'année 2006 les instances sportives (FIA) ont imposé un retour au V8 avec des contraintes de fiabilité plus importantes que par le passé. En 2006, les structures en V de 10 ou 12 cylindres et W16 sont réservées aux véhicules à forte tendance sportive.

Avantages[modifier | modifier le code]

Les moteurs à combustion interne sont assez légers et petits, compensant un couple un peu faible par une vitesse de rotation élevée. Leur source d'énergie est peu encombrante et rapidement « renouvelable », ce qui en fait des moteurs tout à fait indiqués pour équiper de petits véhicules roulants, mais aussi volants. Il n'est plus nécessaire de traîner sa tonne de charbon en plus d'une citerne d'eau pour espérer avancer à une vitesse raisonnable. La facilité d'utilisation et de maintenance de ce type de moteur explique également son succès. Aussi, ces moteurs ne sont pas délicats et fonctionnent sans problème avec divers carburants, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des modifications importantes. L'essence d'origine pétrolière est parfois remplacée par de l'alcool ou du gaz et le gazole par des huiles végétales, ce qui lui donne un intérêt même en cas de pénurie de combustibles fossiles.

Les moteurs à vapeur sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants. De plus, ils nécessitent une longue phase de chauffage. En revanche, ils permettent un démarrage très efficace, grâce à la pression de vapeur accumulée ;

Les moteurs électriques bénéficient d'un excellent rendement, mais utilisent une source d'énergie dont on maîtrise assez mal le stockage ou la production embarquée : les batteries d'accumulateur restent lourdes, encombrantes et, surtout, longues à recharger. Cependant, les progrès dans le stockage de l'énergie électrique permettront peut-être au moteur électrique de supplanter le moteur à combustion interne dans le domaine de l'automobile du fait de ses nombreux avantages ;

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Ces moteurs ne sont vraiment efficaces qu'à assez basse altitude, là où la teneur en oxygène de l'air est forte ; les moteurs à combustion interne ont permis l'envol des avions, mais ils les limitent également dans leur évolution. On peut compenser partiellement cet inconvénient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs. Ils sont inutilisables dans des milieux ne contenant pas de dioxygène (sous-marins, véhicules extra-terrestres). La combustion entraîne le rejet de gaz polluants. Ils sont une des principales sources de pollution atmosphérique des villes.

Le rendement du moteur à combustion interne est plutôt mauvais comparativement au moteur électrique son rendement se dégrade très fortement en dehors de la plage de fonctionnement optimal. Dans le cas ou la vitesse de rotation du dispositif doit pouvoir varier significativement (véhicule, par exemple), ils nécessitent l'intercalage d'un système mécanique complexe (boîte de vitesses) permettant la modification des rapports de rotations afin de maintenir le moteur dans sa plage de fonctionnement. Le couple est nul au démarrage, d'où la nécessité d'un dispositif auxiliaire pour démarrer le moteur (manivelle, démarreur électrique, etc.).

Ils utilisent généralement un carburant d'origine fossile, ils ont donc besoin d'une source d'énergie qui n'est pas renouvelable à l'échelle humaine.Son utilisateur dépend de la fourniture de carburant et de son coût. Les moteurs à combustion interne utilisant des carburants fossiles rejettent du CO2 qui contribue à l'effet de serre. Le moteur à combustion interne réclame un entretien régulier (vidange huile et eau, changement des filtres air et carburant, réglages), pour conserver un rendement optimal et avoir une durée de vie maximale. Comparativement à un moteur électrique, ils sont beaucoup plus bruyants et génèrent plus de vibrations du fait du déplacement des nombreuses pièces mécaniques à l'intérieur.

Améliorations[modifier | modifier le code]

Modification du mélange gazeux[modifier | modifier le code]

Parmi toutes les modifications améliorant le fonctionnement, on peut citer l'ajout d'eau ou de vapeur d'eau dans le mélange gazeux. Voir pour cela deux liens : Moteur à eau, (en particulier la partie Moteur à eau : L'eau comme additif dans le carburant), et l'article dédié Injection d'eau dans les moteurs

Taux de compression variable[modifier | modifier le code]

Appelé moteur VCR (Variable Compression Ratio). Le rendement s'améliore avec l'augmentation du taux de compression du mélange air/carburant. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme de manière prématurée, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis mécaniquement destructeur. Une solution à ce problème consiste à faire varier dynamiquement le taux de compression. En effet, en ville par exemple le moteur fonctionne souvent à faible régime loin de sa charge optimale, avec un mauvais rendement que l'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le taux de compression suivant la charge et les sollicitations.

En 1928, Louis Damblanc dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose en 1990 un brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour cause de bruit et vibrations excessives. Une solution proposée avec le moteur MCE-5 est de faire varier le volume de la chambre de combustion en faisant varier la hauteur du piston dans l'axe du cylindre grâce à une roue dentée et une crémaillère, avec un calcul électronique de la position optimale. La bielle commandant l'axe de la roue dentée et non plus le piston permet une suppression des efforts latéraux sur le piston et un gain complémentaire de rendement.

Le VCR est particulièrement intéressant couplé avec un turbocompresseur — sa présence imposant un faible taux de compression sur un moteur classique — alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz…) et les gaz d'échappement étant plus chauds, le pot catalytique monte plus vite en température. Il faut régler des problèmes de poids, de tenue mécanique et des questions de coûts industriels. L'industrialisation d'un moteur VCR à grande échelle à l'horizon 2015-2020 reste très possible si pour des questions de coût de carburant ou de volonté politique, la réduction de la consommation devient un objectif prioritaire. Son industrialisation serait plus simple que celle d'un véhicule hybride.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le moteur Wankel est un cas particulier qui n'utilise pas le système "bielle-manivelle".
  2. Sauf dans le cas particulier des moteurs à soupapes latérales
  3. et non explosion qui risquerait d’endommager la mécanique au niveau de la bielle et de vilebrequin
  4. Les accessoires tels que compresseur de climatisation, non nécessaires au fonctionnement du moteur, sont des consommateurs d'énergie au même titre que la propulsion du véhicule elle-même.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Contrairement au moteur Diesel ou la température atteinte dans le cylindre en fin de compression est suffisante pour enflammer le fuel injecté
  2. (en) 2 Stroke Motorcycle Direct Injection, sur le site orbeng.com
  3. L'injection directe met le deux-temps à l'heure de l'écologie., sur le site dkw-elge.com
  4. [PDF] moteur Wartsila
  5. Advanced Technologies & Energy Efficiency, sur le site fueleconomy.gov
  6. 1 cheval-vapeur = 736 watts
  7. a et b Voir formule 1
  8. Voir Moteurs d'avion Teledyne Continental
  9. Voir Continental O-200 sur WP-UK
  10. « François Isaac de Rivaz dépose le brevet du moteur à explosion », sur L'Internaute (consulté le 16 mai 2013)
  11. Henri Michelet, L'inventeur Isaac de Rivaz 1752-1828: Ses recherches techniques et ses tentatives industrielles,‎ 1965, p. 231
  12. Jacques Payen, Les brevets de Lenoir concernant le moteur à combustion interne, vol. 16, Revue d'histoire des sciences et de leurs applications,‎ 1963, 374-380 p., chap. 16-4
  13. (en) Wolseley Motor Company (en)
  14. Winton Motor Carriage Company (en)))
  15. Autos, Encyclopédie complète 1885 à nos jours Éditions de la Courtille, page 579 : « la première voiture 6 cyl. fabriquée dans le monde »
  16. Les premiers moteurs d'aviation - Dominique Otello, sur le site Aviation-fr.info [PDF]

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (de) Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, 1984 (ISBN 3-9215-6470-0)
  • (de) Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949 (ISBN B-0000-BMMS-D[à vérifier : isbn invalide])
  • (en) Arnold E Biermann et Hermann H Ellerbrock Jr. The design of fins for air cooled cylinders, NACA Report Nº 726, 1939 (Le dessin d'ailettes pour les cylindres refroidis par air). L'on peut l'obtenir sans frais dans le website NASA
  • (en) Takashi Suzuki, Ph.D.: The Romance of Engines, SAE, 1997

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]