Moteur a explosion

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Moteur a explosion

Moteur à explosion

Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile, moto, camion, bateau), pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène, pompe).

L'expression ¬ę moteur √† explosion ¬Ľ, consacr√©e par l'usage, est impropre car elle ne rend pas compte de tous les ph√©nom√®nes se produisant dans ces moteurs ; la d√©nomination ¬ę moteur √† combustion interne ¬Ľ est plus ad√©quate.

Une d√©tonation, forme particuli√®re de combustion pour laquelle la vitesse du front de flamme est sup√©rieure √† 1 km/s, a parfois lieu, mais c'est un d√©faut de fonctionnement (sauf lors du d√©marrage de la combustion des moteurs Diesel). Normalement, c'est une d√©flagration qui se produit au sein de ces moteurs. Les moteurs √† allumage command√©, contrairement aux moteurs Diesel n√©cessitent une √©tincelle pour le d√©clenchement de la combustion du m√©lange carburant / air.

Sommaire

Moteur quatre temps à allumage commandé

Article d√©taill√© : Moteur √† allumage command√©.

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


Ces moteurs transforment l'√©nergie potentielle chimique stock√©e dans un carburant en travail (√©nergie m√©canique) gr√Ęce √† des combustions tr√®s rapides, d'o√Ļ le terme d'¬ę explosion ¬Ľ. Ils sont constitu√©s d'un ou plusieurs cylindres confinant les combustions. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transform√© en rotation par l'interm√©diaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin, un assemblage de manivelles sur un axe.

Chaque cylindre est ferm√© par une culasse munie ou non (cas de soupapes laterales) d'au moins deux soupapes :

  • la soupape d'admission permet l'alimentation en m√©lange air/essence du cylindre par le collecteur d'admission ;
  • la soupape d'√©chappement permet l'√©vacuation des gaz brul√©s vers l'√©chappement.

Il a exist√© des moteurs sans soupapes, celles-ci √©tant remplac√©es par des chemises mobiles dites ¬ę louvoyantes ¬Ľ d√©couvrant des lumi√®res. Ce principe a √©t√© utilis√© avec succ√®s (excellente fiabilit√©, tr√®s bon rendement, silence de fonctionnement[r√©f. n√©cessaire]) sur les moteurs d'avion Bristol qui furent construits sous licence par la Snecma jusque dans les ann√©es 1970 pour l'√©quipement des avions de transport militaire Noratlas. Ce principe √©tant par conception (inerties) limit√© √† des r√©gimes de fonctionnements ne d√©passant pas les 4 000 tr/mn et augmentant la consommation d'huile, il n'a pas √©t√© d√©velopp√© davantage.

Fonctionnement

Article d√©taill√© : cycle de Beau de Rochas.
Cycle quatre temps à allumage commandé

Le cycle de fonctionnement se d√©compose de mani√®re analytique en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initi√© par la combustion (augmentation rapide du volume des gaz) d'un m√©lange de carburant et d'air (comburant) qui a lieu durant le temps moteur. C'est le seul temps produisant de l'√©nergie ; les trois autres temps en consomment mais le rendent possible.

Le piston se d√©place pendant le d√©marrage gr√Ęce √† une source d'√©nergie externe (souvent un d√©marreur ou lanceur : un moteur √©lectrique est coupl√© temporairement au vilebrequin) jusqu'√† 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 d√®s lors seul et produit un couple sur son arbre de sortie.

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

  1. admission d'un m√©lange air et de carburant vaporis√©, pr√©sent dans le conduit d'admission, m√©lange pr√©par√© par divers composants (carburateur ou syst√®me d'injection indirecte) : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston, ce dernier aspire ainsi ce m√©lange dans le cylindre √† une pression de -0,1 √† -0 3 bar ;
  2. compression du m√©lange : fermeture de la soupape d'admission, puis remont√©e du piston qui comprime le m√©lange jusqu'√† 30 bars et 400 √† 500 ¬įC dans la chambre de combustion ;
  3. combustion (d√©tente aux environs du point mort haut) : moment auquel le piston atteint son point culminant et auquel la compression est au maximum ; la bougie d'allumage, connect√©e √† un g√©n√©rateur d'√©lectricit√© haute tension, produit une √©tincelle ; la combustion rapide qui s' ensuit constitue le temps moteur ; les gaz chauds √† une pression de 40 √† 60 bars repoussent le piston, initiant le mouvement ;
  4. √©chappement : ouverture de la soupape d'√©chappement et remont√©e du piston qui chasse les gaz br√Ľl√©s d√©tendus dans le collecteur d'√©chappement, laissant la place √† une nouvelle charge de m√©lange air/carburant.
  1. Un nouveau cycle commence en 1.

Moteur Diesel quatre temps

Article d√©taill√© : Moteur Diesel.

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 v√©g√©tale brute dans de l'air comprim√© √† plus de 1:20 du volume du cylindre (environ 20 bar), dont la temp√©rature est port√©e √† quelque 600 ¬įC. Sit√īt le carburant inject√© (pulv√©ris√©) dans l'air comprim√©, celui-ci s'enflamme presque instantan√©ment, sans qu'il ne soit n√©cessaire de recourir √† un allumage command√© par bougie. En br√Ľlant, le m√©lange augmente fortement la temp√©rature et la pression dans le cylindre (sur les anciens diesel la pression d'injection est de 150 √† 200 bars, dans les diesels modernes √† injection directe type HDI la pression d'injection est de 1200 bars ce favorise une combustion plus compl√®te moins polluante), repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entra√ģne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d'axe moteur).(voir syst√®me bielle-manivelle)

Le cycle Diesel √† quatre temps comporte :

  1. admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston ;
  2. compression de l'air par remont√©e du piston, la soupape d'admission √©tant ferm√©e ;
  3. injection - combustion - d√©tente : peu avant le point mort haut, on introduit, par un injecteur haute pression le carburant pour former un m√©lange instable avec l'oxyg√®ne de l'air comprim√©. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds en expansion rapide repoussent le piston, lib√©rant une partie de leur √©nergie. Celle-ci peut √™tre mesur√©e par la courbe de puissance moteur ;
  4. √©chappement des gaz br√Ľl√©s par l'ouverture de la soupape d'√©chappement, pouss√©s par la remont√©e 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.

Moteur deux temps

Historique

Le premier moteur √† deux temps fut imagin√© et r√©alis√© par Jean-Joseph √Čtienne Lenoir en 1862. Il utilisait un gaz d'√©clairage. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir.

  • Dans sa version √©conomique dot√©e d'un simple carburateur, son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d‚Äôune puissance et d'un couple nettement plus √©lev√©s (60 √† 70 %) qu'un moteur √† quatre temps de la m√™me cylindr√©e au m√™me r√©gime ; il est demeur√© longtemps et reste encore le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs et de quelques motos sportives r√©pliques de motos de comp√©tition en GP et tout-terrain.
  • Depuis 1990, on s‚Äôint√©resse de nouveau aux moteurs √† deux temps pour l'automobile mais en injection directe pneumatique Orbital, une solution de plus en plus utilis√©e de nos jours sur les 2 roues de petite cylindr√©e et qui r√©pond aux normes de pollution Euro 3.

Technique

Fonctionnement du cycle 2 temps

Les moteurs ¬ę deux temps ¬Ľ respectent le cycle de Beau de Rochas en utilisant les deux c√īt√©s du piston : la partie sup√©rieure pour les phases de compression et de combustion et la partie inf√©rieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de cons√©quence, d'√©chappement). Ils √©pargnent ainsi les mouvements (donc latences, frottements‚Ķ) de deux cycles non producteurs d'√©nergie et produisent davantage de couple et de puissance.

Avantages

Les moteurs ¬ę deux temps ¬Ľ permettent de b√©n√©ficier th√©oriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'√©tanch√©it√© demeure difficile √† assurer et certains effets de l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et √©chappement) limitent le gain pratique √† 70 % du travail.

Les principaux avantages de ces moteurs sont :

  • une combustion √† chaque tour moteur et une puissance sp√©cifique (puissance/cylindr√©e) tr√®s √©lev√©e possible, donc une puissance massique tr√®s √©lev√©e.
  • une simplicit√© de construction (peu de pi√®ces en mouvement)
  • un graissage des √©l√©ments en rotation quelle que soit l'inclinaison du moteur (plus d'informations : [1])

Inconvénients

Les principaux inconv√©nients des moteurs deux temps sont :

  • une plus forte consommation sp√©cifique, due √† la partie de gaz imbrul√©s qui sont rejet√©s hors du moteur durant la phase de transfert. Pour y rem√©dier en partie, une injection directe permet de faire p√©n√©trer une dose pr√©cise de carburant, dans la chambre de combustion transferts ferm√©s.
  • une courbe de puissance moins √©tal√©e que celle d'un 4 temps, qui rend la conduite un peu moins agr√©able.
  • une usure plus rapide due aux lumi√®res des canaux de transferts qui torturent les segments √† leur passage : ils y subissent des contraintes diff√©rentes et importantes, usant le cylindre anormalement dans ces zones) ;
  • la lubrification pose probl√®me (surtout au niveau des segments et du bas moteur) car l'huile dilu√©e dans l'essence pour assurer la lubrification ne privil√©gie pas sp√©cialement ces zones ; de plus, elle br√Ľle mal donc produit des compos√©s imbr√Ľl√©s, qui ont tendance √† se d√©poser au lieu d'√™tre √©vacu√©s par l'√©chappement;
  • faible frein moteur.

Pour ces différentes raisons, 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, vélomoteurs, moteurs hors-bord, petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélisme…).

Les émissions polluantes des moteurs 2 temps et le nombre élevé de ces moteurs rendent nécessaire l'application de normes de fonctionnement, induisant la réduction de cette pollution.

Diesels deux temps

Article d√©taill√© : cycle √† deux temps.

Toutefois, les moteurs deux temps pr√©sentent encore un fort potentiel dans des secteurs sp√©cifiques, par exemple celui des tr√®s grandes puissances (propulsion marine ou production √©lectrique) o√Ļ des diesels deux temps dits ¬ę moteurs lents ¬Ľ d√©livrent plus de 100 000 ch avec un rendement de 50 %.

Ce sont des moteurs comptant cinq √† quatorze cylindres en ligne dont le diam√®tre des pistons atteint 1 m√®tre et la course 2,50 m√®tres[1]. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 100 tours/minute. Leurs principales qualit√©s sont la fiabilit√© et la faible consommation. Par contre leur volume (ils occupent trois √©tages de la plupart des navires √©quip√©s) est toutefois une tare pour d'autres applications : leurs homologues, en puissance, quatre temps ne font pas vraiment mieux.

Certains moteurs d'avion utilisent également ce principe, assez ancien, puisque déjà utilisé par les moteurs Clerget des années 1930. Aujourd'hui 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 2 temps est un rapport poids/puissance √©quivalent √† un 4 temps essence, mais avec un meilleur rendement et l'utilisation d'un carburant trois fois moins cher, le k√©ros√®ne, au lieu de la co√Ľteuse et polluante essence d'aviation au plomb .

Rendement

Article d√©taill√© : rendement d'un moteur √† explosion.

Le rendement d'un moteur est le ratio 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 (pompes d'injection, ventilateur et pompe de refroidissement).

Le rendement maximum est pour les moteurs automobiles modernes, de 35 % environ pour les moteurs √† allumage et de 45 % pour les moteurs Diesel. Les plus gros moteurs industriels d√©passent 50 %.

Dans le cas d'un moteur automobile qui fonctionne rarement √† forte charge et de mani√®re toujours transitoire, le rendement r√©el pratique est beaucoup plus faible. Pour rouler √† vitesse stabilis√©e √† 120 km/h, la majorit√© des voitures n'a gu√®re besoin de plus de 25 ch, alors que les moteurs peuvent souvent en fournir quatre √† huit fois plus, ce qui conduit √† un rendement pratique tr√®s d√©grad√©. Du fait des pertes compl√©mentaires li√©es √† la transmission, aux accessoires tels que la direction assist√©e et la climatisation, aux p√©riodes d'arr√™t, le rendement r√©el pratique d'une voiture ne d√©passe gu√®re 12 %[2].

Architectures alternatives

Les d√©fauts du moteur √† combustion interne classique sont : son m√©diocre rendement, ses vibrations et son niveau de pollution. De nombreuses architectures distinctes sont n√©es au cours de l'histoire, beaucoup sont rest√©es √† l'√©tat de dessins ou de maquettes, certaines ont donn√©es des prototypes fonctionnels, et quelques rares architectures ont eu droit √† la production industrielle.

La plus connue, utilis√©e notamment dans les automobiles, est celle du moteur √† piston rotatif, le moteur Wankel, utilis√© par Citro√ęn et NSU, puis perfectionn√© par Mazda. Une architecture tout aussi originale, √† l'√©tat de prototype, est celle de la Quasiturbine.

Pour l'instant, aucune autre solution ne semble pouvoir d√©tr√īner le moteur √† pistons avec son vilebrequin et ses soupapes...

Caractérisation

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.

La puissance d√©velopp√©e, souvent exprim√©e par une courbe de puissance moteur, doit √™tre mesur√©e selon certaines normes d√©finissant en particulier les accessoires mis en Ňďuvre et les conditions de temp√©rature et de pression. Elle est toujours sup√©rieure √† la puissance r√©ellement disponible aux roues pour un v√©hicule du fait des pertes dans la transmission. L'unit√© l√©gale utilis√©e est le kW mais souvent accol√©e au cheval-vapeur (ch) (1 cheval-vapeur = 736 watts).

Le couple maximal exerc√© sur l'axe. L'unit√© l√©gale utilis√©e est le N √ó m (bien que le kg √ó m reste courant). La puissance est le produit du couple par la vitesse de rotation (attention, pour obtenir des watts, il faut multiplier le couple en N √ó m par la vitesse de rotation en radians par seconde !).

La vitesse maximale de rotation généralement exprimée en tours par minute.

La puissance sp√©cifique exprime la puissance produite en fonction de la cylindr√©e (volume de gaz contenus apr√®s le cycle d'admission). Elle est souvent exprim√©e en la rapportant au litre de cylindr√©e. Un moteur de 500 cm¬≥ d√©veloppant 33 ch pr√©sente ainsi un rendement de puissance de 66 ch au litre tandis qu'un 3 000 cm¬≥ d√©veloppant 120 ch n'en offre que 40. L'augmentation de la puissance sp√©cifique est d'autant plus ais√©e que la cylindr√©e unitaire diminue (donc que le nombre de cylindres augmente) puisque la puissance augmente avec le r√©gime. Or, un moteur de forte cylindr√©e unitaire fonctionnant rapidement d√©veloppe des moments mettant l'ensemble, en particulier le piston, √† rude √©preuve et, donc menace sa fiabilit√©.

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.

Le taux de compression d'un moteur exprime le rapport entre le volume laiss√© dans l'un de ses cylindres au point mort bas et au point mort haut. Plus il est √©lev√© plus le m√©lange est comprim√© donc plus l'explosion sera forte, donc difficile √† g√©rer (choc m√©canique, temp√©rature‚Ķ) mais plus le rendement du moteur sera √©lev√© : voir l'√©tude thermodynamique.

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 et du rendement

Refroidissement

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

Refroidissement à air

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 vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais aussi sur des automobiles, comme certaines Porsche, GS, la 2CV ou la Coccinelle. Le refroidissement par air est aussi majoritaire pour les moteurs à pistons équipant les avions.

Le refroidissement √† air a longtemps √©t√© la r√©f√©rence pour les moteurs de motocyclette (m√™me s'il a toujours exist√© des moteurs de motocyclette √† refroidissement liquide), mais les probl√®mes entra√ģn√©s par le haut rendement de ces moteurs (casses, usure pr√©matur√©e) ont conduit √† la quasi g√©n√©ralisation du refroidissement liquide, malgr√© les avantages sp√©cifiques pour la motocyclette du refroidissement √† air (encombrement, poids, simplicit√©, 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.

Refroidissement liquide

Radiateur moderne, en aluminium

C'est l'anglais Samuel Brown qui inventa le refroidissement du moteur par de l'eau afin d'am√©liorer les performances du refroidissement. Dans son moteur, l'eau entra√ģn√©e par une pompe circule autour des cylindres entour√©s d'une chemise, l'eau est refroidie par contact direct avec l'air ambiant. Plus tard, on ajouta √† l'eau diff√©rents adjuvants qui devint alors le liquide de refroidissement.

  • Le radiateur fut invent√© en 1897 par l'ing√©nieur allemand Wilhelm Maybach. Apr√®s de nombreux t√Ętonnements, il mit au point le radiateur dit ¬ę nid d'abeille ¬Ľ qui permet le refroidissement tr√®s efficace d'un liquide. Il est compos√© d'un faisceau de conduits courts et √©troits entre lesquels circule l'air. L'air peut √™tre acc√©l√©r√© par un ventilateur plac√© devant ou derri√®re lui. Ce radiateur est situ√© dans un circuit ferm√© ou semi-ferm√© emplit d'un liquide (√† base d'eau) assurant le refroidissement du moteur.
  • Dans les moteurs les plus anciens, la circulation d'eau est assur√©e par thermosiphon : l'eau chauff√©e par le moteur monte vers le radiateur, plac√© en hauteur. Une fois refroidie, elle redescend vers le moteur. Dans les moteurs modernes, on utilise une pompe √† eau.
  • Un contr√īle permanent de la temp√©rature vise √† maintenir l'eau et l'huile dans des conditions permettant une lubrification optimale.
  • Id√©alement, la temp√©rature du liquide de refroidissement est d'environ 90-105 degr√©s Celsius, d√©termin√©e par plusieurs facteurs tels que tol√©rances d'usinage et r√©sistance au frottement des pi√®ces m√©caniques, lubrifiants utilis√©s.
  • La r√©gulation de cette temp√©rature est g√©n√©ralement obtenue par une vanne thermostatique thermostat situ√©e dans le circuit de refroidissement, associ√©e √† un ou plusieurs ventilateurs asservi par une sonde thermocontact √† la temp√©rature du liquide dans le radiateur.
  • Dans les moteurs marins, le radiateur est remplac√© par un √©changeur de temp√©rature. L'eau de mer assurant le refroidissement du circuit d'eau douce du moteur.

Le dispositif de radiateur √† buses (en allemand : D√ľsenk√ľhler) est un √©changeur de chaleur dans lequel l'air en se r√©chauffant g√©n√®re une certaine pouss√©e. Cet effet est cr√©√© par l'introduction de l'air dans le refroidisseur au travers de fentes minces orient√©es dans le sens du d√©placement du v√©hicule o√Ļ il se dilate en se r√©chauffant et sort par une buse dans le sens inverse au d√©placement. Le syst√®me ne g√©n√®re aucune pouss√©e lorsque le v√©hicule est immobilis√©. Ce principe de refroidissement a √©t√© mis en Ňďuvre sur les avions √† moteur refroidi par eau.
Le brevet de ce dispositif a été déposé en 1915 par Hugo Junkers.

Refroidissement par huile

Tous les moteurs à combustion interne utilisent déjà un liquide pour la lubrification des pièces en mouvement, l'huile qui circule, propulsée 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 ventil√©, parfois muni d'ailettes, un petit radiateur d'huile.

Ou d'une manière plus déterminante. Exemple: certaines motos à 4 cylindres de marque Suzuki utilisent un refroidissement mixte air-huile, avec un gros radiateur d'huile.

Avantages : les canalisations, pompe, radiateur ind√©pendant et liquide, sp√©cifiques au refroidissement deviennent inutiles. Cela permet un net gain de poids et une plus grande simplicit√© de conception.

Inconv√©nients : l'huile transporte moins bien la chaleur que l'eau et les sp√©cificit√©s de ces huiles les rendent plus co√Ľteuses pour l'utilisateur. De plus, le graissage du moteur est moins performant (√† isop√©rim√®tre) car il y a des pertes de charges dues √† la circulation dans le radiateur d'huile.

Architecture

Photographie d'un moteur en double étoile à 14 cylindres.

Maintenance

Article d√©taill√© : Maintenance des moteurs √† explosion.

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

Historique

Monocylindre

Le premier brevet concernant un moteur √† explosion a √©t√© d√©pos√© par le Suisse Fran√ßois Isaac de Rivaz le 30 janvier 1807. Le premier moteur √† deux temps fut imagin√© et r√©alis√© par Jean-Joseph √Čtienne Lenoir en 1860. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir.

Vers 1862, les Allemands Otto et Langen, constatant le faible rendement du moteur √† deux temps de Lenoir (1860), entreprirent une s√©rie d'am√©liorations : la plus d√©cisive consista √† synchroniser les mouvements dans la phase de compression. Ce moteur n'avait pourtant que peu √† voir avec les moteurs actuels ; c'√©tait en effet un moteur atmosph√©rique, c'est-√†-dire que le piston, propuls√© par l'explosion du gaz, n'√©tait en prise et n'exer√ßait un travail moteur sur l'arbre qu'au d√©but de la phase d'√©chappement, 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). 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

Schéma d'un moteur 4 cylindres vers 1900

Panhard et Levassor, d√®s 1896, engagent un ¬ę quatre cylindres en ligne ¬Ľ sur l'√©preuve Paris-Marseille-Paris. Deux ans plus tard, les multicylindres (√† quatre cylindres) gagnent les grosses voitures et, progressivement, se g√©n√©ralisent √† l'ensemble de la gamme, devenant, en quelque sorte, l'arch√©type 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.

Deuxi√®me variante, le quatre cylindres (en ligne) couch√©, que l'on trouve en comp√©tition chez Am√©d√©e Boll√©e (1898/99) (premier moteur √† quatre cylindre monobloc (les autres moteurs quatre cylindres √† l'√©poque √©taient des bicylindres ou des monocylindres accoupl√©s)) et chez Wolseley et Winton (1903, voir (en) Wolseley Motor Company et Winton Motor Carriage Company)). On l'a trouv√©e sur les motocyclettes BMW s√©rie K et sur les Peugeot 104 - 205, mais aussi sur les v√©hicules utilitaires ou monospace optant pour la solution ¬ę moteur sous le plancher ¬Ľ.

Troisi√®me variante, le quatre cylindres √† plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert √† 180¬į. Embl√©matique, dans sa version refroidissement √† air, des ¬ę coccinelles ¬Ľ de Volkswagen. Cette architecture a le grand avantage de faire b√©n√©ficier le v√©hicule qu'il motorise d'un centre de gravit√© assez bas. Une version muscl√©e et turbocompress√©e √©quipe actuellement les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallyes WRC.

Moteur V6 moderne (Mercedes)

Mais la course ‚ÄĒ o√Ļ l'on recherche la vitesse ‚ÄĒ est exigeante en mati√®re de puissance, surtout quand il s'agit de courses de c√īte. D'o√Ļ la tentation d'augmenter le nombre de cylindres.

La marque n√©erlandaise Spyker avait pr√©sent√© un mod√®le 6 cylindres en 1903[3]. Un mod√®le Chadwick aux √Čtats-Unis franchit le pas en 1907 pour la course de c√īte de Fairmont. L'ann√©e suivante, cette fois en Europe, Rolls-Royce fait de m√™me pour la course Londres-√Čdimbourg, en faisant appel √† des six cylindres. La transposition aux mod√®les courants est quasi-imm√©diate pour les voitures de sport et de luxe. En Europe, c'est le cas pour Delaunay-Belleville, Napier, Mercedes, aux √Čtats-Unis pour Marmon. Plus tard, √† partir de 1927, on trouvera des six cylindres (presque toujours en ligne) sur un grand nombre de mod√®les non sportifs, m√™me pour des cylindr√©es modestes. L'atout principal de cette solution √©tant 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

Moteur W16 de la Bugatti Veyron 16.4

Une nouvelle √©tape est franchie quand on passe au ¬ę huit cylindres ¬Ľ. Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unit√© √† huit cylindres en V. La m√™me ann√©e, apparaissent, toujours pour la comp√©tition, 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[4]. Cette solution, adoptée pour beaucoup d'avions de la première guerre mondiale, ne survivra pas.

Les moteurs d'avion des ann√©es 1930 et 1940 r√©pondent √† la demande sans cesse croissante de puissance. Les moteurs courants sont des V12 ou des moteurs en √©toile de une √† quatre rang√©es de 7 √† 9 cylindres, soit 28 cylindres √† la fin de la guerre pour le Pratt & Whitney R-4360 (en) d√©veloppant 3 500 ch ou 18 pour le Wright R-3350 (en) aussi puissant, qui √©quipent le bombardier B29 puis la premi√®re g√©n√©ration d'avions de ligne transatlantiques, bient√īt remplac√©s par les r√©acteurs.

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 2004 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

  • Les moteurs √† vapeur sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants. De plus, ils n√©cessitent une longue phase de chauffage. En revanche, ils permettent un d√©marrage tr√®s efficace, gr√Ęce √† la pression de vapeur accumul√©e ;
  • Les moteurs √©lectriques b√©n√©ficient d'un excellent rendement, mais utilisent une source d'√©nergie dont on ma√ģtrise assez mal le stockage ou la production embarqu√©e: les batteries d'accumulateur restent lourdes, encombrantes et, surtout, longues √† recharger ;
  • Les moteurs √† explosion sont assez l√©gers et petits, compensant un couple un peu faible par une vitesse de rotation √©lev√©e. Leur source d'√©nergie est peu encombrante et rapidement "renouvelable", ce qui en fait des moteurs tout √† fait indiqu√©s pour √©quiper de petits v√©hicules roulants, mais aussi volants. Il n'est plus n√©cessaire de tra√ģner sa tonne de charbon en plus d'une citerne d'eau pour esp√©rer avancer √† une vitesse raisonnable ;
  • La facilit√© d'utilisation et de maintenance de ce type de moteur explique √©galement son succ√®s. Aussi, ces moteurs ne sont pas d√©licats et fonctionnent sans probl√®me avec divers carburants, sans qu'il soit n√©cessaire de proc√©der √† des modifications importantes. L'essence d'origine p√©troli√®re est parfois √™tre remplac√©e par de l'alcool ou du gaz et le gazole par des huiles v√©g√©tales, ce qui lui donne un int√©r√™t m√™me en cas de p√©nurie de combustibles fossiles.

Inconvénients

  • Ils ne sont vraiment efficaces qu'√† assez basse altitude, l√† o√Ļ la teneur en oxyg√®ne de l'air est forte ; les moteurs √† explosion ont permis l'envol des avions, mais ils les limitent √©galement dans leur √©volution. On peut compenser partiellement cet inconv√©nient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs.
  • Ces moteurs sont inutilisables dans des milieux ne contenant pas de dioxyg√®ne (sous-marins, v√©hicules extra-terrestres).
  • La combustion entra√ģne le rejet de gaz polluants. Ils sont une des principales sources de pollution atmosph√©rique des villes.
  • Le rendement du moteur √† explosion est plut√īt mauvais comparativement au moteur √©lectrique.
  • Le rendement des moteurs √† explosion se d√©grade tr√®s fortement en dehors de la plage de fonctionnement optimal. Dans le cas ou la vitesse de rotation du dispositif doit pouvoir varier significativement (v√©hicule, par exemple), ils n√©cessitent l'intercalage d'un syst√®me m√©canique complexe (bo√ģte de vitesses) permettant la modification des rapports de rotations afin de maintenir le moteur dans sa plage de fonctionnement. Le couple est nul au d√©marrage, d'o√Ļ la n√©cessit√© d'un dispositif auxiliaire pour d√©marrer le moteur (manivelle, d√©marreur √©lectrique, etc.).
  • Les moteurs √† explosion utilisent g√©n√©ralement un carburant d'origine fossile, ils ont donc besoin d'une source d'√©nergie qui n'est pas renouvelable. L'utilisateur d'un moteur √† explosion d√©pend de la fourniture de carburant et de son co√Ľt.
  • Les moteurs √† explosion utilisant des carburants fossiles rejettent du CO2 et contribuent √† l'effet de serre.
  • Le moteur √† explosion r√©clame un entretien r√©gulier (vidange huile et eau, changement des filtres air et carburant, r√©glages), pour conserver un rendement optimal et avoir une dur√©e de vie maximum.

Améliorations

Modification du mélange gazeux

Parmi toutes les modifications am√©liorant le fonctionnement, on peut citer l'ajout d'eau ou de vapeur d'eau dans le m√©lange gazeux. Voir pour cela deux liens : Moteur √† eau, (en particulier la partie Moteur √† eau : L'eau comme additif dans le carburant), et l'article d√©di√© Injection d'eau dans les moteurs

Taux de compression variable

Appelé moteur VCR (Variable Compression Ratio).

Meilleure est la compression du m√©lange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compress√©, le m√©lange s'auto-enflamme, ce qui entra√ģne un ph√©nom√®ne de cliquetis. Une solution √† ce probl√®me consisterait √† varier dynamiquement le volume de la chambre de combustion. En effet, en ville par exemple, le moteur fonctionne souvent au ralenti, tr√®s loin de sa charge optimale et, donc avec un mauvais rendement, que l'on peut constater par une consommation √©lev√©e. D'o√Ļ l'int√©r√™t d'adapter le volume de la chambre de combustion entre faible charge et de fortes sollicitations.

D√©j√† en 1928, Louis Damblanc d√©pose un brevet pour moteur √† compression variable. Apr√®s Volkswagen en 1987, c'est Saab qui d√©pose en 1990 son brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour cause de bruit et vibrations excessives.

Une solution propos√©e 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 gr√Ęce √† une roue dent√©e et une cr√©maill√®re, avec un calcul √©lectronique de la position optimale. La bielle commandant l'axe de la roue dent√©e et non plus le piston permet une suppression des efforts lat√©raux sur le piston et un gain compl√©mentaire de rendement.

Le VCR est particuli√®rement int√©ressant coupl√© avec un turbocompresseur ‚ÄĒ sa pr√©sence imposant un faible taux de compression sur un moteur classique ‚ÄĒ alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz‚Ķ) et les gaz d'√©chappement √©tant plus chauds, le pot catalytique monte plus vite en temp√©rature.

Il faut r√©gler des probl√®mes de poids, de tenue m√©canique et des questions de co√Ľts industriels. L'industrialisation d'un moteur VCR √† grande √©chelle √† l'horizon 2015-2020 reste tr√®s possible si pour des questions de co√Ľt de carburant ou de volont√© politique, la r√©duction de la consommation devient un objectif prioritaire. Son industrialisation serait plus simple que celle d'un v√©hicule hybride.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ moteur Wartsila [pdf]
  2. ‚ÜĎ Advanced Technologies & Energy Efficiency
  3. ‚ÜĎ Source : Autos, Encyclop√©die compl√®te 1885 √† nos jours Editions de la Courtille, page 579 : ¬ę la premi√®re voiture 6 cyl. fabriqu√©e dans le monde ¬Ľ
  4. ‚ÜĎ Les premiers moteurs d'aviation - Dominique Otello, sur le site Aviation-fr.info [pdf]

Bibliographie

  • Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einf√ľhrung., Steiger Verlag, Moers, 1984 (ISBN 3-9215-6470-0)
  • Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, M√ľnchen, 1949 (ISBN B-0000-BMMS-D)

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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