Introduction
Le moteur à combustion interne (MCI) est un dispositif qui transforme l'énergie chimique d'un carburant en énergie mécanique. Son développement a été un moteur de l'innovation technologique, en commençant par les premières conceptions d'Otto et de Diesel jusqu'aux moteurs modernes à haute efficacité. Cet article explore les principes de fonctionnement du MCI, ses composants essentiels, les cycles thermodynamiques impliqués et les améliorations technologiques qui visent à optimiser ses performances.
Développement historique
En 1867, en Allemagne, Nikolaus August Otto (1832-1891) et Eugen Langen (1833-1895) ont mis au point le moteur Otto à piston libre, basé sur la combustion d'un mélange d'air et de carburant à l'intérieur d'un cylindre. Ce moteur atteignait un rendement thermique de 11 %. En 1876, Otto réussit à développer le moteur à quatre temps (admission, compression, détente ou puissance et échappement), caractérisé par un poids et un volume réduits et un rendement thermique élevé. Quelques années plus tard, en 1892, Rudolf Diesel (1858-1913) a mis au point un autre moteur, dans lequel un taux de compression élevé était utilisé pour brûler le carburant. Le carburant était injecté vers la fin de la phase de compression, où il était ensuite brûlé par de l'air comprimé très chauffé. L'efficacité de ce moteur a été augmentée grâce au taux de compression et aux taux de détente élevés.
Composants essentiels d'un moteur à quatre temps
Les pièces essentielles des moteurs à quatre temps sont classées en pièces fixes (bloc, carter et culasse) et en pièces mobiles (piston, bielle, vilebrequin, arbre à cames, soupapes, ensemble d'entraînement de soupapes, engrenages et poulies), ainsi qu'en pompes (pompes à huile et à eau).
Bloc moteur
Les cylindres sont situés dans le bloc moteur. Dans sa partie supérieure se trouve la culasse et dans sa partie inférieure, le carter moteur. Le bloc est normalement en fonte grise, car il présente une grande résistance à l'usure et à la compression et un faible coût de fabrication. Le bloc dispose de conduits internes pour le passage de l'eau de refroidissement.
Piston
Le piston, normalement en aluminium, travaille dans un mouvement alternatif dans le cylindre, transmettant la force du gaz de détente à la bielle puis à l'épaulement du vilebrequin, qui tourne, fournissant la puissance du moteur aux autres secteurs. Des segments de compression et des racleurs d'huile sont situés sur le piston. Trois anneaux en acier sont responsables de la compression du moteur et peuvent être chromés ou nitrurés. Les anneaux d'huile en deux parties sont fabriqués en fonte grise ou nodulaire ou en acier. Le premier segment, qui se trouve presque à la tête du piston, a pour fonction de contenir la pression générée par l'explosion et d'éviter la perte de pression lors de la compression. Les deuxième et troisième segments ont pour fonction de contribuer à retenir la compression comme le premier et de créer un film d'huile lorsqu'il gratte les parois internes du cylindre.
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Bielle et vilebrequin
La bielle et l'épaulement du vilebrequin transmettent le mouvement linéaire du piston au mouvement circulaire du vilebrequin. La plus petite extrémité de la bielle travaille en mouvement alternatif avec le piston et la plus grande partie effectue le mouvement de rotation avec le vilebrequin. La bielle est normalement fabriquée en acier forgé, avec une bague et une goupille en acier allié qui la fixent au piston.
Culasse
La culasse est le couvercle du cylindre et est en aluminium ou en fonte et possède les buses d'injection. La culasse contient également le système d'entraînement des soupapes et les buses d'injection. Les moteurs actuels ont quatre soupapes par cylindre : deux soupapes d'admission pour permettre à l'air d'entrer dans le cylindre et deux soupapes d'échappement pour faire sortir les gaz brûlés du cylindre. Les soupapes d'admission ont un diamètre plus grand que les soupapes de refoulement et sont en acier allié. Lorsqu'ils travaillent dans un environnement brûlant du carburant, ils sont exposés à des températures d'environ 700 °C. Les soupapes sont actionnées par un système de commande de soupape et des culbuteurs. Ils sont normalement fermés au moyen d'une pression à ressort. Ils s'ouvrent lorsque le lobe de l'arbre à cames actionne chaque culbuteur. L'arbre à cames est entraîné par le vilebrequin par des engrenages, une courroie ou une chaîne crantée.
Carter
Au bas du bloc moteur se trouve le carter, qui ferme le bloc avec un couvercle en acier moulé ou en aluminium. Le carter fonctionne comme un réservoir d'huile qui lubrifie le système. L'huile lubrifiante est aspirée par une pompe à huile, entraînée par le vilebrequin, et est dirigée vers les pièces mobiles du moteur par des canaux internes.
Système d'alimentation en carburant
Le fioul est aspiré du réservoir par une pompe basse pression, et après avoir traversé une série de décanteurs et de filtres, il est acheminé vers la pompe d'injection qui a pour fonction d'envoyer un certain débit de carburant à haute pression vers les injecteurs.
Cycle de fonctionnement du moteur à quatre temps
Le moteur à quatre temps fonctionne dans les phases d'admission, de compression, de détente et d'échappement.
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Admission
Lors de l'admission, l'air entre par la soupape d'admission lorsque le piston traverse le cylindre du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMI). A ce stade, seule la soupape d'admission est ouverte.
Compression
Dans la deuxième phase, le piston se déplace du PMI au PMH avec les soupapes fermées, l'air est comprimé à une petite fraction de son volume initial et est chauffé à environ 440 °C en raison de cette compression, la pression augmentant également.
Détente
Lorsque le piston atteint presque le PMH, le carburant est injecté dans la chambre de combustion via la buse d'injection et brûle instantanément en raison de la température élevée de l'air dans la chambre. Cette combustion déplace le piston vers le bas dans la troisième phase. Le travail s'effectue par pression de gaz sur le piston. Durant la phase de détente, la température et la pression des gaz brûlés diminuent.
Échappement
Lorsque le piston s'approche du PMI, la soupape d'échappement s'ouvre. Le quatrième temps se produit lorsque le piston monte et expulse les gaz brûlés à travers la soupape d'échappement.
Taux de compression
Le taux de compression (TC) est le rapport entre le volume lorsque le piston est au PMI et le volume lorsque le piston est au PMH.
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Cycle de Beau de Rochas
Dans son brevet déposé en 1862, le français Beau de Rochas propose d'appliquer le processus décrit ci-dessous à une masse gazeuse emprisonnée dans un moteur à piston. Variations de volume en abscisses (horizontale), de pression en ordonnées (verticale), avances et retards, points morts. Le cycle Beau de Rochas a été conçu pour un moteur tel que l'entrée et la sortie des gaz se fait par des orifices à soupapes placés à l'extrémité fermée d'un cylindre dont l'autre extrémité est constituée par la tête du piston. Sur ce moteur, l'évolution de la pression relevée ne correspondait pas exactement au cycle théorique et le rendement en était très inférieur. Compression : la compression n'est pas adiabatique. Le cycle réel fut ensuite amélioré afin d'en augmenter le rendement. Pour des raisons pratiques, le cycle est souvent représenté par un diagramme pression, variation angulaire (p,a).
Facteurs influençant le remplissage du cylindre
Plusieurs facteurs peuvent influencer le remplissage du cylindre, notamment :
- Position du papillon des gaz : La position du papillon des gaz même lorsqu'il est grand ouvert produit dans le circuit d'admission une restriction de section qui s'oppose à l'écoulement des gaz frais. La veine d'air est ralentie ; la pression d'admission est inférieure à la pression atmosphérique.
- Etat du filtre à air : Suivant l'état du colmatage du filtre à air, la pression d'admission sera inférieure à la pression atmosphérique.
- Réglage du jeu aux soupapes : Le réglage du jeu de fonctionnement des culbuteurs influence le remplissage moteur. En effet, la pérennité du réglage n'est pas conservée dans le temps à cause de l'usure du moteur. Le jeu tend à augmenter ce qui réduit la section de passage entre la soupape d'admission et son siège.
- Vitesse de lancement (démarreur) : La vitesse de lancement moteur dépend de la tension batterie. Plus la tension est faible plus la vitesse de rotation est faible. Si la vitesse de lancement est faible, le piston se déplace lentement lors de la phase compression, les gaz frais ont le temps de s'échapper par la coupe des segments.
- Température du moteur : L'augmentation de la température du moteur diminue principalement le jeu entre chemise et piston.
Couple moteur
En physique, l'action d'une force par rapport à un axe de rotation s'appelle un moment. Le motoriste utile le terme de "couple" pour la même grandeur. Le couple moteur s'exprime souvent en m.daN ou en m.kg. Le piston a changé de sens de déplacement, mais la force engendrée par la pression dans le cylindre a également chargée de sens. Cette fois, la force et le déplacement sont dans le même sens, nous avons un couple moteur. La force engendrée par la pression des gaz brûlés est opposée au sens de déplacement du piston. Nous avons donc un couple résistant.
Pression moyenne effective (PME)
La grandeur prépondérante est l'énergie produite par la combustion de la charge qui dépend essentiellement de la masse de gaz admise pendant la phase admission. Une autre approche est utilisée par les motoristes : les pressions moyennes. On peut donc dire que la PME est proportionnelle au couple effectif par unité de cylindrée. Elle permet de comparer des moteurs de cylindrée différentes.
Consommation spécifique
Le point caractéristique le plus bas de la courbe de Csp correspond au rendement effectif maximal du moteur. i.e. Csp = M / W = (V . r . 3600) / (P .
Contraintes mécaniques
Les moteurs à combustion interne sont soumis à des contraintes mécaniques importantes : résistance au frottement, à l'usure, à la chaleur (chocs thermiques), à la pression, à la corrosion (liquide de refroidissement).
Disposition des cylindres
Rechercher les raisons pour lesquelles les constructeurs utilisent parfois les dispositions de cylindres en V ou à plat opposés. La répartition angulaire des manetons est fonction du nombre de cylindres. Le cycle étant de 2 tours soit 720°, on trouve la répartition des manetons en divisant 720° par le nombre de cylindres.
Cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est celui de la machine dans laquelle les échanges de chaleur se font uniquement avec deux sources aux températures fixes T1 et T2. Les machines à vapeur modernes travaillent sur des cycles beaucoup plus compliqués, en particulier la vapeur est toujours surchauffée. Il peut paraître scabreux d'assimiler à un gaz parfait le mélange complexe en réaction chimique qui évolue dans le cylindre d'un moteur à explosions. Le refroidissement ne pose aucun problème lorsqu'on dispose d'une source de chaleur à température inférieure à celle du corps que l'on veut refroidir. En effet l'entropie S2 = Q2 / T2 prise à la source froide doit être, après un cycle pour l'agent qui évolue, rendue entièrement à la source chaude qui de ce fait reçoit une quantité de chaleur Q1 telle que Q1 = T1 . Pour extraire le même nombre de calories il faut dépenser plus de travail. Le cycle à deux sources que nous venons d'étudier est évidemment un cycle de Carnot parcouru à l'envers. Il va de soi qu'à chaque cycle de machine thermique correspond un cycle de machine frigorifique.
Cycle de Miller
Défini par James Atkinson en 1882 et appliqué au moteur 4 temps par Ralph Miller en 1947. On essaie d'abaisser autant que possible la pression de fin de détente afin de récupérer un maximum d'énergie mécanique. Dans le cycle Miller, la soupape d'admission est maintenue ouverte bien au delà du point mort bas (RFA), provoquant l'éjection d'une partie du mélange précédemment admis et réduisant la pression régnant dans le cylindre. C'est un cycle en "5 temps" : admission, refoulement, compression, détente et échappement. Le rapport volumétrique réel est plus faible que le rapport théorique (géométrique) mais le taux de détente est inchangé, donc plus élevé que le taux de compression. En allongeant la détente par rapport à la compression, on améliore le rendement mais on limite la puissance du moteur puisque l'on admet moins d'air et donc moins de combustible. On peut améliorer cela en ajoutant un compresseur à l'admission.
Moteur Wankel
Le moteur Wankel est un moteur à piston rotatif. Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel.
Bilan énergétique d'un cycle à 4 temps
Le rendement global d'un moteur thermique est influencé par divers facteurs. L'énergie perdue dans le circuit de refroidissement représente environ 15 %, tandis que les pertes calorifiques par rayonnement sont d'environ 5 %. Le moteur à allumage commandé aura un rendement qui dépassera difficilement 0,3.
Cycles thermodynamiques
Le cycle de SABATHE ou cycle mixte est aussi appelé cycle de SEILIGER.
Systèmes d'injection
Les systèmes d'injection ont pour fonction d'alimenter en carburant liquide le circuit d'injection à une pression déterminée. Les systèmes d'injection de nouvelle génération utilisent une pression comprise entre 100 et 200 bars. Les systèmes d'injection directe utilisent une pompe haute pression (1300-1800 bars). L'injecteur pompe comporte une électrovanne intégrée qui pilote la courbe d'injection.
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