Moteur à combustion et explosion

type de moteur à combustion interne
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L'expression moteur à combustion et explosion, couramment abrégée en moteur à explosion[a], désigne tout type de moteur à combustion interne à pistons alternatifs ou rotatifs, à allumage commandé ou non, dans lequel le front de flamme a une vitesse habituellement inférieure à celle du son[b].

Le premier moteur à combustion à un cylindre a été réalisé par Eugenio Barsanti et Felice Matteucci en 1854. Le premier moteur à combustion à deux temps est breveté et réalisé par Étienne Lenoir en 1860[1]. Le principe du moteur à combustion à quatre temps est inventé par Beau de Rochas en 1862 et développé industriellement par Nikolaus Otto à la fin des années 1870. Suivent les perfectionnements de Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach[2], puis les inventions du moteur à boule chaude (1891) et du moteur Diesel (1892)[3].

Ce type de moteur est très largement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (automobiles, motos, camions, bateaux, avions légers, etc.), pour de nombreux outils mobiles (tronçonneuses, tondeuses à gazon, etc.) et pour de nombreuses installations fixes (groupes électrogènes, pompesetc.)[4].

Principes généraux modifier

Un moteur à combustion interne et explosion est un moteur qui transforme en mouvement l'énergie qui lui est fournie par la combustion rapide d'un mélange généralement constitué d'air et d'un carburant (essence, fioul, alcool, gaz, etc.). Cette combustion se fait à l'intérieur du moteur, d'où le nom de moteur à combustion interne, et de façon très rapide, d'où le nom, parfois jugé impropre[c], d'explosion.

 
Le mouvement des pistons (gris) dans les cylindres (bleus) fait tourner le vilebrequin (rouge) par l'intermédiaire des bielles reliant les pistons au vilebrequin.

Un tel moteur comporte très généralement un ou plusieurs pistons ayant chacun un mouvement alternatif rectiligne à l'intérieur d'un cylindre fermé à son extrémité supérieure par une culasse. Un système d'alimentation, comprenant généralement un carburateur ou un injecteur, apporte le carburant ou le mélange air/carburant dans la partie haute du cylindre. Comprimé par le piston, ce mélange s'enflamme et sa combustion rapide crée une forte pression qui repousse le piston vers le bas du cylindre[5]. Ce mouvement rectiligne est transformé en mouvement circulaire par un système mécanique, l'embiellage, constitué d'un axe doté de manivelles, le vilebrequin, et d'une ou plusieurs bielles le reliant aux pistons[d].

Il existe de très nombreuses variantes de moteurs à explosion, qui, tout en utilisant les mêmes principes de base, peuvent présenter des différences notables, notamment relatives aux choix techniques suivants[6] :

  • allumage commandé ou non : un moteur à explosion doté d'un système dédié à déclencher la combustion de son carburant sera dit "à allumage commandé". Ce système d'allumage est généralement constitué d'un générateur électrique et d'une ou plusieurs bougies qui, en créant une étincelle à l'intérieur du cylindre, provoquent le début de la combustion du mélange air/carburant comprimé par le piston. Dans un moteur dépourvu d'un tel système, le mélange air/carburant s'enflamme spontanément sous la seule influence de la pression qui lui est appliquée.
  • cycle moteur à deux ou quatre temps : dans un moteur à deux temps, la combustion du mélange a lieu à chaque mouvement descendant du piston. Dans un moteur à quatre temps, il n'a lieu que lors d'une descente sur deux.
  • nombre et disposition des cylindres.
  • existence ou non de soupapes contrôlant l'admission du mélange air/carburant et l'expulsion des gaz d'échappement .

Les choix retenus pas les concepteurs de moteurs à explosion dépendent de plusieurs facteurs : état de la technologie au moment de la conception, contraintes physiques (poids, dimensions linéaires, volume), performances recherchées (puissance pour la vitesse de pointe, couple pour l'accélération), nature du carburant utilisé, conformité avec les réglementations, notamment celles relatives à l'environnement, etc.

Moteur à quatre temps à allumage commandé modifier

Il s'agit des moteurs à explosion dont le cycle de fonctionnement comporte quatre temps et dans lesquels la combustion est déclenchée par une source d'énergie externe fournie par un système d'allumage et se matérialisant généralement par une étincelle produite par une bougie.

Avec soupapes modifier

 
Coupe d'un moteur à quatre temps à soupapes: les deux soupapes sont visibles au-dessus du cylindre, avec la bougie entre elles. L'échappement se fait côté gauche, l'admission côté droit.

Chaque cylindre est fermé par une culasse munie d'au moins deux soupapes : la première, la soupape d'admission, permet l'alimentation en mélange air/carburant du cylindre par le collecteur d'admission ; la deuxième, la soupape d'échappement, permet l'évacuation des gaz brûlés vers le collecteur d'échappement. Le principe de ces moteurs a été défini et breveté en 1862 par l'inventeur français Alphonse Beau de Rochas, considéré comme l'inventeur du moteur à quatre temps, et dont les travaux sont à la base de ce que les thermodynamiciens et les concepteurs de moteurs appellent le cycle de Beau de Rochas[2]. L'ingénieur allemand Nikolaus Otto a été le premier à fabriquer de tels moteurs de façon industrielle à partir de 1867[2].

 
Cycle à quatre temps à allumage commandé : 1 : admission, 2 : compression, 3 : combustion, 4 : échappement.

Le cycle de fonctionnement se décompose en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initié par la combustion rapide du mélange de carburant et d'air (comburant) qui a lieu durant le temps moteur. C'est le seul temps avec un bilan de transformation d'énergie positif : les trois autres temps utilisent l'énergie ainsi transformée mais le bilan total est positif ce qui rend le fonctionnement cyclique possible[7].

Les phases successives du cycle d'un tel moteur sont les suivantes :

  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 mbar (moteur non-suralimentés dits « atmosphériques ») à 2 500 mbar 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 bar et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;
  3. Combustion[e] 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 degrés avant le PMH ; la combustion initiée qui s'ensuit constitue le temps moteur ; les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bar 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 le cycle recommence en 1.

Pour démarrer un tel moteur lorsqu'il est à l'arrêt, il faut une source d'énergie externe (manuelle via une manivelle ou un lanceur, ou électrique comme un démarreur) qui initie le mouvement des pistons jusqu'à ce qu'au moins l'un d'entre eux soit dans un temps moteur et produise une force capable d'assurer les trois autres temps avant le prochain temps moteur[f]. Le moteur fonctionne dès lors seul.

Sans soupapes modifier

Moteur à piston rotatif ou moteur Wankel modifier

 
Cycle du moteur Wankel à piston rotatif.

Le moteur Wankel 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[8]. Ce moteur comporte beaucoup moins de pièces mobiles et génère moins de vibrations qu'un moteur d'architecture classique. Il est également plus compact et plus léger. En revanche il présente certaines difficultés de fabrication (étanchéité, formes de certaines pièces, fortes températures de fonctionnement, etc.) et, s'il n'est pas turbocompressé, a un rendement médiocre. Ce type de moteur fut utilisé à partir du début des années 1960 sur certains modèles d'automobiles, notamment par les marques NSU[g], Citroën[h] et surtout Mazda[i]. Quasiment abandonné par le secteur automobile dans les années 2000, il est parfois considéré comme solution d'avenir comme moteur thermique dans les véhicules automobiles hybrides[9].

Moteur à chemises louvoyantes modifier

 
Chemise louvoyante d'un moteur d'aéronef Bristol.

Dès le début des années 1900, une variante des moteurs à quatre temps est conçue et brevetée l'américain Knight, puis améliorée par Burt et McCollum[10] : dans ces moteurs, les soupapes sont remplacées par des chemises mobiles, dites « louvoyantes », découvrant des lumières[j]. Des moteurs de forte puissance de ce type ont été conçus et fabriqués pour l'aviation durant la Seconde Guerre Mondiale. Ils ont notamment équipé les avions Hawker Typhoon et Hawker Tempest[11], puis, après guerre, les Bristol Hercules ou encore Noratlas et Breguet 890 Mercure[12].

Moteur à quatre temps à allumage par compression modifier

Le moteur à allumage par compression à quatre temps est également appelé moteur diesel ou Diesel[3], du nom de son inventeur, l'ingénieur allemand Rudolf Diesel qui le breveta en 1892. Comme le moteur à quatre temps à allumage commandé, il est constitué de pistons coulissant dans des cylindres fermés par une culasse équipée de soupapes commandées par un ou plusieurs arbres à cames. Il suit également le cycle de Beau de Rochas. Par contre son fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, du fioul lourd ou encore d'une huile végétale brute dans un volume (cylindre) d'air comprimé dont le rapport de compression est supérieur à 15 et où 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 pression, repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin. Sur les anciens moteurs Diesel la pression d'injection était de 130 à 200 bar alors que dans les Diesel modernes « common rail » elle peut atteindre 2 000 bar, ce qui favorise une combustion plus complète et moins polluante.

Ce type de moteur, initialement réservé aux machines lourdes, équipe une très grande partie des véhicules terrestres modernes (automobiles, autocars, camions, engins de chantiers, locomotives non électriques) ainsi que certains bateaux de transport. Il est également fréquemment utilisé dans les groupes électrogènes.

 
Animation du fonctionnement d'un cylindre de moteur Diesel.

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 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 permettre 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 à deux temps à allumage commandé modifier

Historique modifier

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[13], solution de plus en plus utilisée de nos jours sur les deux-roues de petite cylindrée et qui répond aux normes anti-pollution Euro 3.

Technique modifier

 
Animation du cycle à deux temps :
1) admission, compression et explosion,
2) détente, 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, etc.) 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 à deux temps (le système Schnürle – en anglais : Schuerle porting – 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 à deux temps est le double de celle d'un moteur à quatre temps, mais le fait de supprimer deux temps crée des difficultés car il faut expulser les gaz brûlés avant d'admettre l'air et cela dans un temps très court[k]. 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 supérieure 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 des gaz d'échappement, ce qui améliore le rendement global.

Avantages modifier

Les moteurs à 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 à 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) font perdre près de 30 % de l'énergie développée.

Les principaux avantages de ces moteurs sont :

  • 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 moteur à quatre temps (vilebrequin sur roulements, pas de distribution à entraîner, 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 moteur à quatre temps qui semble forcer et vouloir « éjecter » ses composants dans ce cas ;
  • plus de puissance développée qu'un moteur à quatre temps, pour le même nombre de tours moteurs (une explosion par tour de vilebrequin pour les moteurs à deux temps et une explosion tous les deux tours de vilebrequin pour les moteurs à quatre temps ;
  • un transfert de chaleur au système de refroidissement du moteur plus faible par rapport aux moteurs à quatre temps, donc une meilleure efficacité du point de vue du cycle thermodynamique.

Inconvénients modifier

Les principaux inconvénients des moteurs à deux temps sont :

  • 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 soupape 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 (pour 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 (ou des) lumière(s) 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 (en général de 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 brûlent quasi complètement lors de la combustion, cependant la pollution est due aux hydrocarbures imbrûlés, liés à la simultanéité du transfert, du mélange air/carburant vers le haut du cylindre, et de l'échappement ;
  • un faible frein moteur.

Pour ces différentes raisons, mais surtout à cause de l'entrée en vigueur, partout dans le monde, de normes anti-pollutions plus contraignantes, y compris pour les motos, les moteurs à deux temps à carburateur sont en voie de disparition, car ils polluent beaucoup plus que des moteurs à quatre temps équivalents (tondeuses à gazon, tronçonneuses, cyclomoteurs, moteurs hors-bord, petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélismeetc.). En revanche, plusieurs entreprises ont conçu des moteurs à 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)[14].

Moteur à deux temps à allumage par compression modifier

Les moteurs à deux temps présentent encore un fort potentiel dans des secteurs tels que celui des très grandes puissances[15][source insuffisante] (propulsion marine ou production électrique) où des Diesel à deux temps dits « moteurs lents » délivrent plus de 100 000 ch avec un rendement général pouvant dépasser 50 % grâce à la cogénération (la chaleur du circuit de refroidissement pouvant être utilisée pour la climatisation du navire par exemple). Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre des pistons atteint 1 m et la course 2,50 m[16]. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 100 tr/min d'où leurs principales qualités la fiabilité et la faible consommation. Par contre, leur hauteur (environ 17 m) et leur masse (plus de 1 000 t) 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 liée à l'usure plus rapide des pièces en mouvement (rotation plus rapide et faible guidage des pistons)[réf. nécessaire]. Certains de ces moteurs à deux temps utilisés en génération électrique ont duré plus de cinquante ans.[réf. nécessaire]

Certains moteurs d'avions utilisent également ce principe, assez ancien[Lequel ?], puisque déjà utilisé par les moteurs Clerget des années 1930. De nos jours, le plus connu est le moteur Wilksch, un tricylindre à deux temps de 120 ch suralimenté par compresseur. L'avantage du moteur Diesel à deux temps est un rapport poids/puissance équivalent à un quatre temps essence, mais avec un meilleur rendement et l'utilisation d'un carburant trois fois moins cher, le kérosène voire le fioul lourd économique mais très polluant[17].

Systèmes fonctionnels complémentaires modifier

Un moteur à explosion doit être complété de plusieurs équipements chargés d'en permettre le fonctionnement et d'en optimiser les performances et la longévité, dont certains des plus importants sont présentés ci-dessous.

Système de démarrage modifier

Pour démarrer un moteur à explosion lorsqu'il est à l'arrêt, il faut une source d'énergie externe qui initie le mouvement des pistons jusqu'à ce qu'au moins l'un d'entre eux soit dans un temps moteur et produise une force capable d'assurer les autres temps avant le prochain temps moteur[l]. Le moteur fonctionne dès lors seul. L'énergie nécessaire au démarrage peut être générée manuellement ou apportée par un dispositif indépendant appelé démarreur.

Démarrage manuel modifier

 
Ford T de 1908, avec sa manivelle de démarrage visible en bas de la calandre.

Le démarrage manuel est historiquement le premier à avoir été utilisé. Il peut être réalisé de plusieurs façons différentes, générant toutes un couple sur le vilebrequin et entraînant sa rotation :

  • démarrage des véhicules en les poussant ou en pédalant (deux-roues)
  • rotation imprimée à la main directement ou par l'intermédiaire d'une manivelle à l'hélice, sur les premiers avions à moteur
  • manivelle actionnée à la main, comme sur les automobiles du début du XXème siècle
  • kick-starter actionné au pied sur les motos
  • lanceur à câble, notamment sur certains outils thermiques de jardinage (tondeuses, tronçonneuses, etc.) et certains moteurs hors-bord

Démarrage par dispositif annexe modifier

 
Vue éclatée d'un démarreur électrique pour automobile.

Pour les moteurs plus puissants, et également pour l'agrément des utilisateurs, plusieurs systèmes de démarrage faisant appel à un dispositif annexe ont été inventés :

  • à air comprimé : l'air contenu dans un réservoir sous pression active un moteur pneumatique qui entraîne le moteur thermique jusqu'à ce que celui-ci démarre.
  • à explosif : un petit réservoir contenant un mélange explosif est connecté à la chambre de combustion d'un cylindre. Le mélange est mis à feu et provoque la pression nécessaire à mettre le piston en mouvement.
  • électrique : un moteur électrique, généralement alimenté par une batterie, est connecté, durant la seule période de démarrage, au vilebrequin qu'il met en mouvement. Ce dispositif, inventé en 1908 par l'américain Charles Kettering et proposé commercialement pour la première fois en 1912 par la marque Cadillac, est très largement utilisé dans les véhicules terrestres à moteur à explosion.

Système d'alimentation en carburant et en air modifier

Système de distribution modifier

 
Arbre à deux cames activant deux soupapes (principe de fonctionnement).

Constitué de diverses pièces mécaniques, notamment d'engrenages, de chaînes et de courroies, le système de distribution relie le vilebrequin à différents autres organes qu'il entraîne et, pour certains, synchronise avec les cycles du moteur (soupapes et allumage notamment). Un élément important de ce système est l'arbre à cames : il s'agit d'un organe mécanique constitué d'un axe portant des cames. Il est destiné à transformer un mouvement de rotation en mouvement rectiligne alterné permettant l'ouverture et la fermeture des soupapes à un moment précis du cycle du piston. Les premiers moteurs utilisant cette technologie avaient un seul arbre à cames situé en bas des cylindres : il activait directement les soupapes des moteurs à soupapes latérales; et il agissait sur les tiges de culbuteurs des moteurs culbutés. Dans des dispositions plus modernes, l'arbre à cames et les soupapes sont situés en haut des cylindres : l'arbre, qualifié d'arbre à cames en tête, agit directement sur les soupapes. Les moteurs multicylindres, notamment ceux disposés en V, sont souvent dotés de deux arbres à cames en tête[m].

Système d'allumage modifier

Dans les moteurs à allumage commandé, ce système assure la création d'une étincelle par la bougie à un moment précis du cycle du piston.

Système de lubrification modifier

Un moteur comporte de nombreuses pièces métalliques en mouvement, notamment les pistons dans les cylindres, qui doivent être lubrifiées pour limiter les pertes d'énergie, l'échauffement et l'usure liés à la friction entre pièces mobiles et fixes. Cette lubrification est généralement assurée par de l'huile. Dans la plupart des moteurs, un circuit fermé d'huile assure la lubrification automatique et continue des organes autres que les pistons. Ce même circuit sert à la lubrification des pistons des moteurs à quatre temps et des moteurs Diesel. Dans les moteurs deux temps autres que Diesel, la lubrification des pistons est soit ainsi réalisée, soit assurée par de l'huile mélangée au carburant et brûlée en même temps que celui-ci. L'huile ayant parcouru le circuit de lubrification se charge de particules métalliques et se dégrade progressivement sous l'effet de la chaleur qu'elle a absorbée : il faut donc la changer régulièrement en effectuant une vidange. Les constructeurs de moteurs fournissent généralement des recommandations concernant la nature de l'huile à utiliser et les intervalles à respecter entre vidanges selon la nature de l'engin motorisé concerné et son usage.

Système de refroidissement modifier

Lors des combustions répétées du mélange air/carburant, une partie importante de l'énergie produite se transforme en chaleur qui échauffe les pièces en contact avec la chambre de combustion (piston, cylindre, soupape, bougie, etc.) puis, par conduction, l'ensemble des pièces du moteur. Or la température du moteur doit, pour qu'il soit fonctionnel et pour assurer durablement son fonctionnement, rester inférieure à certaines limites : c'est le rôle du système de refroidissement. Deux familles de solutions sont utilisées : refroidissement par air et refroidissement par liquide[n].

Refroidissement à air modifier

 
Moteur bicylindre de moto Harley-Davidson à refroidissement par air (1988).

Le principe est d'utiliser le vent apparent pour refroidir le moteur d'un véhicule en mouvement : en passant autour du moteur, l'air emporte une partie de la chaleur dégagée par celui-ci. Pour améliorer l'efficacité de ce système, les cylindres du moteur sont généralement équipés d'ailettes qui augmentent la surface d'échange de la chaleur avec l'air. L'adjonction d'un ventilateur peut également améliorer le refroidissement.

Le refroidissement à air est utilisé par l'industrie automobile depuis les premiers véhicules à moteur thermique. Il a longtemps été la référence pour les moteurs de motos, et été également largement utilisé pour les automobiles de petite cylindrée. Ce type de refroidissement a notamment été utilisé sur certaines Porsche, la Citroën GS, la 2 CV, la Volkswagen Coccinelle ou la Panhard PL 17. Il est encore très répandu sur les modèles actuels de deux roues motorisés de faible ou moyenne puissance, notamment les cyclomoteurs et les scooters. Le refroidissement par air est aussi très généralement employé pour les moteurs à pistons équipant les avions.

Refroidissement liquide modifier

 
Radiateur moderne, en aluminium.

L'Anglais Samuel Brown invente le refroidissement du moteur par de l'eau afin d'améliorer les performances du refroidissement[réf. nécessaire]. 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[réf. nécessaire]. Après de nombreux tâtonnements, il met 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 parfois l'huile dans des conditions permettant une lubrification optimale. Idéalement, pour un moteur à quatre temps, la température du liquide de refroidissement doit se situer de 95 à 110 °C[18]. Pour un moteur à deux temps, la température du liquide de refroidissement doit se situer de 50 à 60 °C. Cette température est déterminée par plusieurs facteurs tels que les tolérances d'usinage, la résistance au frottement des pièces mécaniques, et les lubrifiants utilisés. La régulation de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique située dans le circuit de refroidissement, associée, parfois, à un ou plusieurs ventilateurs pilotés 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 absorbant une partie de l'énergie du liquide de refroidissement traversant le 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 des moteurs à quatre temps modifier

Les moteurs à quatre temps utilisent un liquide pour la lubrification des pièces en mouvement, l'huile qui circule mise sous pression par une pompe. Ce liquide doit circuler dans les zones les plus chaudes et, surtout, 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 : le moteur quatre cylindres de la première moto Suzuki GSX-R[o] et le bicylindre à plat de la Citroën 2 CV utilisent un refroidissement mixte air-huile, avec un radiateur d'huile.

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.
Inconvénients
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 charge dues à la circulation dans le radiateur d'huile.

Rendement modifier

Le rendement d'un moteur est le rapport entre l'énergie mécanique délivrée et l'énergie 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[p]. Le rendement maximal pour les moteurs automobiles modernes est de 40 % environ pour les moteurs à allumage[19] et de 45 % pour les moteurs Diesel alors que les plus gros moteurs industriels dépassent 50 %, grâce à la cogénération[réf. nécessaire]. En effet, l'énergie nécessairement perdue suivant le cycle de Carnot peut être récupérée, par exemple pour réchauffer un autre fluide tel que l'eau chaude sanitaire sur les bateaux, améliorant sensiblement le bilan énergétique global de l'installation.

Dans le cas d'un moteur automobile qui fonctionne rarement à forte charge et de manière toujours transitoire, le rendement réel pratique est 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 deux à huit fois plus, ce qui conduit à un rendement pratique très dégradé. Du fait des pertes complémentaires liées à la transmission (98 % pour la boite manuelle par exemple) , aux périodes d'arrêt moteur au ralenti, le rendement réel pratique d'une voiture ne dépasse guère 12 %[20].

Caractérisation modifier

Un moteur à explosion possède de nombreuses caractéristiques le définissant : puissance, couple, cylindrée totale, nombre de cylindres et de soupapes, mode d'alimentation en air et en carburant, type d'allumage et de distribution, etc[21]. Les sections suivantes présentent de façon succincte certaines d'entre elles, leurs relations et leur influence sur les performances du moteur.

Cylindrée modifier

La cylindrée d'un moteur est le volume total balayé par les pistons durant un cycle moteur. Elle est calculée à partir du diamètre d'un cylindre (l'alésage), de la distance parcourue par un piston (la course) entre son point mort haut (PMH) et son point mort bas (PMB), et enfin du nombre de cylindres constituant le moteur[22] :

 

avec :

  • Vm : volume de la cylindrée, exprimé en cm3 ;
  • A : alésage, en cm ;
  • C : course, en cm ;
  • N : nombre de cylindres.

La puissance est corrélée positivement à la cylindrée : une augmentation de la cylindrée d'un moteur induit généralement une augmentation de sa puissance[q].

Puissance modifier

 
Résultats issus d'un banc de puissance : puissance et couple en fonction du régime moteur.

La puissance d'un moteur est sa capacité à transmettre de l'énergie en fonction du temps. Mesurée en watts (ou kilowatts)[r],[s], elle est souvent représentée par une courbe de puissance moteur. Elle est toujours supérieure à la puissance réellement disponible aux roues motrices d'un véhicule du fait des pertes dans la transmission.

La puissance d'un moteur augmente généralement avec sa vitesse de rotation.

Équations notables du calcul de la puissance :

  • puissance (HP) = couple (m kg) × rpm / 716 ;
  • puissance (HP) = couple (m daN) × rpm / 702,83 ;
  • puissance (HP) = couple (lb ft) × rpm / 5 252 ;
  • puissance (HP) = force (kg) × vitesse (km/h) / 273,8 ;
  • puissance (HP) = force (lb) × vitesse (mph) / 77,2 ;
  • puissance (W) = couple (N m) × rpm × π / 30 = couple (N m) × (tr/s) × 2 π

avec :

Couple modifier

Le couple est la capacité du moteur à imprimer, augmenter ou maintenir une rotation au vilebrequin. Dans un véhicule terrestre, le vilebrequin met en mouvement la transmission, qui active les roues motrices[23]. L'unité légale utilisée pour mesurer un couple est le newton mètre (N.m), la littérature employant également parfois le kilogramme-force mètre (kg.m)[t]. Puissance et couple ne sont pas indépendants : la puissance est le produit du couple par la vitesse de rotation[u]. Le couple produit par un moteur dépend, en général, de sa vitesse de rotation.

C'est le couple qui permet de faire accélérer un véhicule. Lorsque le couple maximal est atteint à des régimes moteur peu élevés, le véhicule peut accélérer fortement sans avoir à atteindre des régimes élevés : c'est le réglage choisi, par exemple, par les constructeurs de motos "custom" privilégiant l'accélération par rapport à la vitesse de pointe.

La boîte de vitesses, lorsque le véhicule en est équipé, 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).

Taux de compression modifier

Le taux de compression d'un moteur à pistons exprime le rapport entre le volume disponible au point mort bas et celui disponible au point mort haut[24][v]. Plus il est élevé plus le mélange est comprimé donc plus l'explosion est forte, donc difficile à gérer (cliquetis, choc mécanique, température, etc.) mais plus le rendement du moteur est élevé[w].

Régime moteur modifier

Le régime moteur, généralement exprimé en tours par minute (tr/min), correspond à la vitesse de rotation du moteur[x]. Le régime moteur maximal est celui qui peut être atteint quand on accélère au maximum. C'est celui qui permet la vitesse maximale du véhicule. Les moteurs utilisés en compétition (automobiles et motos) ont généralement des régimes moteur maximaux très élevés, au détriment de leur longévité. Ainsi, par exemple, les moteurs de Formule 1 des années 2000, comme le moteur RS26 de Renault en 2006, atteignent ainsi 19 500 tr/min, mais doivent être fréquemment révisés, voire remplacés.

Puissance spécifique modifier

La puissance spécifique exprime la puissance maximale produite en fonction de la cylindrée. Elle est souvent exprimée en la rapportant au litre de cylindrée en kW/L ou en ch/L. Ainsi un moteur de 500 cm3 développant 33 ch a une puissance spécifique de 66 ch/L 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, donc diminue sa fiabilité.

Un paramètre dérivé de la puissance spécifique est parfois utilisé : la puissance au litre par 1 000 tr/min (Plm) qui mesure de façon plus précise la performance du 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/l par 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 d'environ 16 ch/l par 1 000 tr/min, mais souvent de 15 ch/L par 1 000 tr/min au régime où la puissance maximale est atteinte pour un moteur atmosphérique.[réf. nécessaire]

Voici deux exemples :

  • un moteur de 1 l tournant à 12 000 tr/min peut développer 180 ch (moteur de certaines motos routières sportives des années 2010)[y] ;
  • un moteur de 3 l tournant à 18 000 tr/min peut développer 810 ch (moteur de Formule 1).
 
Moteur en double étoile à 14 cylindres.

Maintenance modifier

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.

Eléments historiques et d'architecture modifier

Monocylindre modifier

En 1801, Philippe Lebon dépose un brevet pour un moteur à gaz à combustion interne, mais ce moteur reste à l'état de projet et Lebon, qui meurt en 1804, n'a jamais pu vraiment présenter son invention. Le Suisse François Isaac de Rivaz dépose le un brevet concernant un moteur à combustion interne[25],[26]. Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Étienne Lenoir en 1860[27]. 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 1872 à la Gasmotoren-Fabrik Deutz AG [28](qui existe toujours), une firme de construction de matériel agricole. Otto développa en 1876[29] 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.

Deux cylindres modifier

En V modifier

Gottlieb Daimler construisit un moteur bicylindre en V en 1889. Il était utilisé comme source d'énergie permettant le déplacement des bateaux [30]. Il a aussi été utilisé dans la seconde automobile de Daimler en 1889, la Stahlradwagen[31]. Le moteur était aussi fabriqué sous licence en France par Panhard et Levassor[32].

En , la Princeps AutoCar Co (Royaume-Uni) fit une publicité pour la vente du motocyclette bicylindre[33] et en 1903, d'autres bicylindres furent produits par d'autres entreprises, dont la 90 degree XL-ALL[34] (fabriquée par Eclipse Motor & Cycle Co au Royaume-Uni). En 1903 également, Glenn Curtiss, aux États-Unis, et NSU, en Allemagne, commencèrent à construire des moteurs bicylindres en V pour leurs motos[35]. Peugeot, qui utilisait des moteurs bicylindre en V de Daimler fabriqué par Panhard dans ses premières voitures[32],[36], construisit ses propres moteurs en bicylindre en V au début du XXe siècle. Une moto Norton équipée du moteur V-twin de Peugeot remporta le premier Tourist Trophy de l'île de Man en 1907[36].

En ligne modifier

Un moteur bicylindre parallèle fut utilisé sur une moto par la Hildebrand et Wolfmüller de 1894, qui fut également la première moto à être produite en série. Ses cylindres sont placé à l'horizontale et orientés vers l'avant, ses pistons étant reliés directement à la roue arrière à l'aide d'une bielle de type locomotive. Environ deux mille exemplaires furent produits jusqu'en 1897.

La Werner de 1903 a été la deuxième moto de série à utiliser un modèle bicylindre, cette fois un «twin parallèle» de 500 cm3 à cylindres verticaux similaires au type britannique de Triumph. Il utilisait des cylindres en fonte à culasse intégrée et des soupapes latérales[37].

L'exemple le plus célèbre de ce moteur bicylindre est la 5T Speed Twin fabriquée par Triumph à partir de 1937. Les expériences avec ce type de moteur commencèrent lorsque le designer Edward Turner et son superviseur, l'ingénieur en chef d'Ariel, Val Page, envisageaient tous les deux le potentiel du twin vertical comme moteur de moto. Les expériences démontrèrent qu’un angle de vilebrequin de 360° était mieux adapté qu’un angle de 180° pour l’utilisation avec un seul carburateur[38]. Après avoir quitté Ariel pour Triumph, Page conçut la Triumph 6/1 (en) avec un twin 650 cm3 calé à 360° pour l'atteler à un side-car. Une 6/1 side-car Triumph remporta une médaille d'argent au Concours international des six jours d'enduro et le Maudes Trophy (en) 1933[39]. La baisse du marché des side-cars entraîna l'arrêt de la 6/1 en 1935[39],[40].

La Triumph Speed Twin d'Edward Turner de 1937 lança la tendance[41] jusqu'au milieu des années 1970 des bicylindres en ligne quatre temps calé à 360°. Ce type de moteur était le plus commun pour les motos britanniques produites par Triumph, BSA, Norton, Ariel, Matchless et AJS. Les fabricants italiens[42],[43] et allemands[44] ont également fabriqué des bicylindres en ligne, tout comme le fabricant américain Indian, dont les twins parallèles comprenaient l'Indian Scout de 440 cm3[45] et les Indian Warrior de 500 cm3 de 1950[46]. BMW et les constructeurs japonais les fabriquaient toujours en 2010[47] en particulier pour les motos de moyenne cylindrée.

À plat modifier

Ce moteur est monté dès 1895 par De Dion-Bouton.

Le Mo-Car Syndicate est une société écossaise de construction d'automobiles fondée par Sir William Arrol et George Johnston en 1897. Les premiers véhicules produits étaient du type Dogcart à moteur arrière monocylindrique de 5,5 ch remplacé peu après par un bicylindre de 10 ch. Ce moteur avait pour caractéristique originale des pistons opposés.

La voiture Präsident, de la Koprivnice Nesselsdorfer Wagonbaufabrik (future Tatra), est montée autour d'un moteur Benz bicylindre plat de 2,75 litres, 7 ch à 600 tours-minute ; en 1898, la Präsident effectue le trajet de Koprivnica à Vienne, où elle est exposée avec succès, à la vitesse moyenne de 22,6 km/h[48]. Le baron Theodor von Liebig (en) atteindra la vitesse, extraordinaire pour l’époque, de 82 km/h au volant d’un modèle de 1899.

À partir de 1923, BMW commercialise un premier modèle de moto avec moteur à plat dit « boxer » (ses pistons se « battant » comme les poings de boxeurs)[49], dérivé du moteur Douglas, la R 32.

À partir de 1946, Panhard développe un flat-twin et l'installe avec diverses cylindrées sur les Dyna X, Dyna Z, PL 17 et sur la 24, ultime modèle de la marque disparue en 1967.

Depuis 1948, la Citroën 2 CV et ses dérivées (Ami 6, Dyane, Méharietc.) l'ont utilisé à très large échelle avec le « moteur boxer bicylindre ».

De nombreux constructeurs, comme Indian, Gnome et Rhône, FN, Zündapp, et la prestigieuse moto française Midual, utilisent cette architecture, en montage longitudinal ou transversal.

Quatre cylindres modifier

 
Schéma d'un moteur à quatre 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 (1898/1899) (premier moteur à quatre cylindres monobloc[z]) et chez Wolseley et Winton (1903[aa],[ab]. On l'a trouvée sur les motos BMW série K et sur les Peugeot 104 à 205, mais aussi sur les véhicules utilitaires ou monospace optant pour la solution « moteur sous le plancher ». Troisième variante, le moteur quatre cylindres boxer. 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 puissante 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

 
Moteur V6 moderne (Mercedes-Benz).

La marque néerlandaise Spyker avait présenté un modèle à six cylindres en 1903[50]. 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. 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 moto, le moteur à six 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 quatre cylindres seront longtemps interdits en compétition. Sur les motos de tourisme, on trouve la Honda CBX 1000 (moteur à 24 soupapes refroidi par air) la Kawasaki Z 1300 (moteur à 12 soupapes refroidi par eau) et la Benelli 750 puis 900. En 2016, Honda propose toujours à son catalogue un modèle 6-cylindres à plat, la Gold Wing et BMW la K 1600 GT/GTL depuis 2011.

Huit cylindres et plus modifier

 
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 8-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, 7, 9 ou 11 cylindres en étoile dont l'ensemble tourne autour d'un vilebrequin fixe[51]. 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 cylindres 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, démocratisent les gros V8 au couple très élevé et aux vitesses de rotation assez lentes. Les constructeurs des monoplaces de Formule 1 utilisent pendant longtemps des V8 de trois litres de cylindrée, dont le fameux Ford Cosworth. Dans les années 1990, c'est la structure V10 qui a la faveur des motoristes de F1. Même l'écurie Ferrari, très attachée aux 12 cylindres en V, se plie à cette formule. À partir de 2006, les instances sportives (FIA) imposent 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 voitures sportives.

Avantages modifier

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 leur 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

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 par rapport au moteur électrique. D'autre part son rendement se dégrade très fortement en dehors de la plage de fonctionnement optimal. Dans le cas où la vitesse de rotation du dispositif doit pouvoir varier significativement (véhicule mobile, par exemple), ils nécessitent un système mécanique complexe (embrayage et boîte de vitesses) permettant la modification des rapports de rotations afin de maintenir le moteur dans sa plage de fonctionnement exploitable. Le couple étant nul au repos il est nécessaire d'utiliser un dispositif auxiliaire pour démarrer le moteur (manivelle, démarreur électriqueetc.).

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

Modification du mélange gazeux modifier

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 : Injection d'eau dans les moteurs à combustion) et l'article dédié Injection d'eau dans les moteurs.

Taux de compression variable modifier

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[réf. nécessaire].

Notes et références modifier

Notes modifier

  1. L'utilisation du mot "explosion" fait l'objet d'un débat entre spécialistes, certains préconisant d'utiliser plutôt le terme de "combustion rapide" , ou discutant des différences entre les mots "explosion", "détonation", ou encore "déflagration". L'usage courant étant d'utiliser le terme "moteur à explosion", c'est ce terme qui est utilisé dans la suite de l'article.
  2. Il n'y a donc pas vraiment d'explosion du mélange, sauf en cas de réglage incorrect de l'injection ou de l'ouverture des soupapes.
  3. 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 (cliquetis), normalement c'est une déflagration qui se produit au sein de ces moteurs.
  4. Le moteur Wankel est un cas particulier qui n'utilise pas le système « bielle-manivelle ».
  5. Et non explosion, qui risquerait d'endommager la mécanique au niveau de la bielle et du vilebrequin.
  6. Les premières motocyclettes étaient équipées de pédales permettant de les démarrer en pédalant comme sur un vélo. Ce système est encore très généralement utilisé sur les cyclomoteurs. Les motos ont ensuite été équipées de "kick", levier au pied permettant de faire démarrer le moteur. Les motos modernes sont désormais équipées, dans leur immense majorité, de démarreurs électriques. Les voitures étaient initialement équipées d'un système de manivelle permettant de démarrer manuellement le moteur, système lui aussi remplacé ensuite par un démarreur électrique. Certaines machines motorisées légères, comme les tondeuses thermiques et certains moteurs hord-bord, sont équipées d'un lanceur à fil permettant le démarrage manuel de leur moteur.
  7. Notamment sur les modèles NSU Prinz, Spider et Ro 80, ce dernier modèle élu voiture de l'année en 1968.
  8. Notamment la Citroën GS Birotor, fabriquée de 1973 à 1975.
  9. Notamment sur les modèles Mazda R100, RX-2, RX-3, RX-4 puis les sportives RX-7 et RX-8.
  10. Deux manchons par cylindre en mouvement en haut et bas de direction contraire pour le manchon externe et l'interne sur les moteurs de type Knight, qui équipa notamment des voitures Willys, Daimler, Panhard, Voisin, Minerva, Peugeot. Un seul manchon sur les moteurs de type Burt-McCollum, avec un mouvement simultané en haut et en bas et à droite et à gauche.
  11. Les gros moteurs à deux temps des navires, tournant à quelques centaines de tours par minute, n'ont pas ce problème, leur conception est d'ailleurs très différente de celle des véhicules terrestre.
  12. Les premières motocyclettes étaient équipées de pédales permettant de les démarrer en pédalant comme sur un vélo. Ce système est encore très généralement utilisé sur les cyclomoteurs. Les motos ont ensuite été équipées de "kick", levier au pied permettant de faire démarrer le moteur. Les motos modernes sont désormais équipées, dans leur immense majorité, de démarreurs électriques. Les voitures étaient initialement équipées d'un système de manivelle permettant de démarrer manuellement le moteur, système lui aussi remplacé ensuite par un démarreur électrique. Certaines machines motorisées légères, comme les tondeuses thermiques et certains moteurs hord-bord, sont équipées d'un lanceur à fil permettant le démarrage manuel de leur moteur.
  13. La très grande majorité des moteurs modernes à quatre temps équipant des véhicules terrestres motorisés sont dotés d'arbres à cames en tête. Si l'arbre est unique, le moteur est souvent qualifié de SOHC (Single Over Head Camshaft). Si le moteur a deux arbres en tête, il est qualifié de DOHC (Double Over Head Camshaft).
  14. Ces deux types de refroidissement peuvent être combinées pour un même moteur.
  15. Munie du système SACS (Suzuki Advanced Cooling System), comprenant un radiateur d'huile à onze éléments.
  16. Les accessoires, tels que le compresseur de climatisation, non nécessaires au fonctionnement du moteur, sont des consommateurs d'énergie au même titre que la propulsion du véhicule elle-même.
  17. Ceci est vrai dès lors que la puissance du moteur n'est pas limitée par d'autres facteurs, par exemple la quantité de carburant pouvant lui être fournie par unité de temps.
  18. Pour des raisons historiques, une autre unité est également parfois utilisée : le cheval-vapeur (ch), qui vaut 735,5 W. Le monde anglosaxon utilise également parfois le horse power (HP), qui vaut 745,7 W.
  19. Elle doit être mesurée selon certaines normes définissant en particulier les accessoires mis en œuvre et les conditions de température et de pression.
  20. 1 N.m=0,101972 kg.m
  21. Pour obtenir la puissance P en watts, il faut multiplier le couple en N × m par la vitesse de rotation Ω exprimée en radians par seconde.
  22. Ce rapport est théorique car il ne tient compte ni de la variation de température dans les cylindres ni du moment d'ouverture et de fermeture des soupapes.
  23. Voir l'étude thermodynamique du « cycle de Beau de Rochas ».
  24. Plus précisément, c'est la vitesse de rotation du vilebrequin.
  25. Le GSX-R 1000 R modèle 2018 développe une puissance de 202 ch pour un poids, tous pleins faits, de 203 kg. Sa vitesse est limitée électroniquement d'origine à 300 km/h.
  26. Les autres moteurs quatre cylindres à l'époque étaient des bicylindres ou des monocylindres accouplés
  27. Voir Wolseley Motor Company (en)
  28. Voir Winton Motor Carriage Company

Références modifier

  1. Bellu 1993, p. 1-4.
  2. a b et c Bellu 1993, p. 4-9.
  3. a et b Vance 2003, p. 11-12.
  4. Crouse 1970, p. 4-8.
  5. Crouse 1973, p. 51-66.
  6. Crouse 1973, p. 78-99.
  7. Collège Marie-Victorin 1987, p. 26-29.
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Annexes modifier

Bibliographie modifier

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