Moteur à explosion

Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne, essentiellement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport, pour une grande variété d'outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon) mais aussi pour des installations fixes (groupe électrogène,...



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Moteur à explosion - Propulsion des aéronefs - Composant de motocyclette

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Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Le moteur couramment nommé moteur à explosion est en fait un moteur à combustion... dans le cylindre et précise le principe du cycle à 4 temps du moteur.... (source : alienor)
  • ... le cycle à quatre temps qu'il a défini en 1862, le moteur à explosion est devenu... Aux temps héroïques, culasse et cylindres étaient, en effet, ... C'est ce qu'on nomme le temps moteur. Le tour et demi restant, ... (source : gazoline)
  • Un moteur à explosion est une boîte étanche, creusée de plusieurs puits nommés... Un moteur à explosion fonctionne selon un cycle de quatre temps.... Les deux soupapes sont fermées, et le piston remonte dans le cylindre : le mélange... (source : moteurareaction.ifrance)

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

L'expression «moteur à explosion», consacrée par l'usage, est impropre car elle ne rend pas compte de l'ensemble des phénomènes ayant lieu dans ces moteurs ; l'expression «moteur à combustion interne» est plus correcte.

Une détonation, forme spécifique de combustion pour laquelle la vitesse du front de flamme est supérieure à 1 km/s, a quelquefois lieu, mais c'est un défaut de fonctionnement (sauf lors du démarrage de la combustion des moteurs Diesel). Théoriquement, c'est une déflagration qui se produit au sein de ces moteurs. Les moteurs à allumage commandé, contrairement aux moteurs Diesel nécessitent une étincelle pour le déclenchement de la combustion du mélange carburant / air.

Moteur quatre temps à allumage commandé

Icône de détail Article détaillé : Moteur à allumage commandé.

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

Constitution

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

Chaque cylindre est fermé par une culasse pourvue d'au moins deux soupapes :

Il a existé des moteurs sans soupapes, celles-ci étant remplacées par des chemises mobiles dites «louvoyantes» découvrant des lumières. Ce principe a été utilisé avec succès (excellente fiabilité, particulièrement bon rendement, silence de fonctionnement[réf.  nécessaire]) sur les moteurs d'avion Bristol qui furent fabriqués sous licence par la Snecma jusque dans les années 1970 pour l'équipement des avions de transport militaire Noratlas. Ce principe étant par conception (inerties) limité à des régimes de fonctionnements ne dépassant pas les 4 000 tr/mn et augmentant la consommation d'huile, il n'a pas été développé davantage.

Fonctionnement

Cycle quatre temps à allumage commandé

Le cycle de fonctionnement se décompose analytiquement en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initié par la combustion (augmentation rapide du volume des gaz) d'un mélange de carburant et d'air (comburant) qui a lieu durant le temps moteur. C'est l'unique temps produisant de l'énergie ; les trois autres temps en consomment mais le rendent envisageable.

Le piston se déplace au cours du démarrage grâce à une source d'énergie externe (fréquemment un démarreur ou lanceur : un moteur électrique est couplé provisoirement au vilebrequin) jusqu'à ce qu'au moins un temps moteur produise une force capable d'assurer les trois autres temps avant le prochain temps moteur. Le moteur fonctionne par conséquent seul et produit un couple sur son arbre de sortie.

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

  1. admission d'un mélange air et de carburant vaporisé, présent dans le conduit d'admission, mélange préparé par divers composants (carburateur ou dispositif d'injection indirecte)  : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston, ce dernier aspire ainsi ce mélange dans le cylindre à une pression de -0, 1 à -0, 3 bar ;
  2. compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à 12 à 18 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;
  3. combustion (détente 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, connectée à un générateur d'électricité haute tension, produit une étincelle ; la combustion rapide qui s'ensuit forme le temps moteur ; les gaz chauds à une pression moyenne de 40 bars repoussent le piston, initiant le mouvement ;
  4. échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés détendus dans le collecteur d'échappement, laissant la place à une nouvelle charge de mélange air/carburant.
  1. Un nouveau cycle débute en 1.
Icône de détail Article détaillé : cycle de Beau de Rochas.

Moteur Diesel quatre temps

Icône de détail Article détaillé : 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 végétale brute dans de l'air comprimé à plus de 1 :20 du volume du cylindre (environ 35 bar), dont la température est portée de 600 °C à 1500 °C à peu près. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé) dans l'air comprimé, ce dernier s'enflamme presque instantanément, sans qu'il ne soit indispensable de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston qui apporte un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle jouant le rôle d'axe moteur). (voir dispositif bielle-manivelle)

Le cycle Diesel à 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 remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée ;
  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 forme 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 soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

Les seules bougies présentes sur un moteur diesel, sont les bougies de "préchauffage" qui, comme leur nom l'indique, préchauffent les chambres de combustion (ou les préchambres suivant le type de diesel) afin d'obtenir, quand le moteur est froid, une température suffisante pour l'auto-inflammation du carburant.

Historique

Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1862. Il utilisait un gaz d'éclairage. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir.

  • Dans sa version économique pourvue 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 toujours 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 Orbital, une solution qui plus est en plus utilisée aujourd'hui sur les 2 roues de petite cylindrée et qui répond aux normes de pollution Euro 3.

Technique

Fonctionnement du cycle 2 temps

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 latences, frottements…) de deux cycles non producteurs d'énergie et produisent davantage de couple et de puissance.

Avantages

Les moteurs «deux temps» permettent de bénéficier théoriquement 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'étanchéité demeure complexe à assurer et certains effets de l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.

Les principaux avantages de ces moteurs sont :

  • une combustion à chaque tour moteur et une puissance spécifique (puissance/cylindrée) particulièrement élevée envisageable, par conséquent une puissance massique particulièrement élevée.
  • une simplicité de construction (peu de pièces en mouvement)
  • un graissage des éléments en rotation quelque soit l'inclinaison du moteur plus d'info [1]

Inconvénients

Les principaux inconvénients des moteurs deux temps sont :

  • une plus forte consommation spécifique, due à la partie de gaz imbrulés qui sont rejetés hors du moteur durant la phase de transfert. Pour y remédier en partie, une injection directe sert à faire pénétrer une dose précise de carburant, dans la chambre de combustion transferts fermés.
  • une courbe de puissance moins étalée que celle d'un 4 temps, qui rend la conduite légèrement moins agréable.
  • une usure plus rapide due aux lumières des canaux de transferts qui torturent les segments à leur passage : ils y subissent des contraintes différentes et importantes, usant le cylindre anormalement dans ces zones)  ;
  • la lubrification pose problème (en particulier au niveau des segments et du bas moteur) car l'huile diluée dans l'essence pour assurer la lubrification ne privilégie pas particulièrement ces zones ; qui plus est , elle brûle mal par conséquent produit des composés imbrûlés, qui ont tendance à se déposer au lieu d'être évacués par l'échappement;
  • faible frein moteur.

Pour ces différentes raisons, les moteurs deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition, car ils polluent bien 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 indispensable l'application de normes de fonctionnement, induisant la réduction de cette pollution.

Diesels deux temps

Cependant, les moteurs deux temps présentent toujours un fort potentiel dans des secteurs spécifiques, par exemple celui des particulièrement grandes puissances (propulsion marine ou production électrique) où des diesels deux temps dits «moteurs lents» délivrent plus de 95 000 chevaux avec un rendement de 50 %.

Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre des pistons atteint 1 mètre et la course 2, 50 mètres[1]. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 105 tours/minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et la faible consommation. Par contre leur volume (ils occupent trois étages de la majorité des navires équipés) est cependant une tare pour d'autres applications : leurs homologues, en puissance, quatre temps ne font pas vraiment mieux.

Certains moteurs d'avion utilisent aussi ce principe, assez ancien, puisque déjà utilisé par les moteurs Clerget des années 1930. Actuellement 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, mais aussi le prometteur prototype en cours de certification du moteur en étoile Zoche (300 ch).

L'avantage alors du moteur diesel 2 temps est un rapport poids/puissance équivalent à un 4 temps essence, mais avec un meilleur rendement et l'utilisation d'un carburant trois fois moins cher, le kérosène, au lieu de la coûteuse et polluante essence d'aviation au plomb.

Icône de détail Article détaillé : cycle à deux temps.

Architectures alternatives

Les défauts du moteur à combustion interne classique sont : son médiocre rendement, ses vibrations et la difficulté de diminuer son niveau de pollution. De nombreuses architectures alternatives sont nées au cours de l'histoire, énormément sont restées à l'état de dessins ou de maquettes, certaines ont données des prototypes fonctionnels, et quelques rares architectures ont eu droit à la production industrielle.

La plus connue, utilisée surtout dans les automobiles, est celle du moteur à piston rotatif, le moteur Wankel, utilisé par Citroën et NSU, puis peaufiné par Mazda.

Pour le moment, aucune autre solution ne semble pouvoir détrôner le moteur à 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 développée, fréquemment exprimée par une courbe de puissance moteur, doit être mesurée selon certaines normes définissant surtout les accessoires mis en œuvre et les conditions de température et de pression. Elle est toujours supérieure à la puissance réellement disponible aux roues pour un véhicule du fait des pertes dans la transmission. L'unité légale utilisée est le kW mais fréquemment accolée au cheval-vapeur (ch) (1 cheval-vapeur = 736 watts).

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

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

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

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 fréquemment 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 laissé dans l'un de ses cylindres au point mort bas et au point mort haut. Plus il est élevé plus le mélange est comprimé par conséquent plus l'explosion sera forte, par conséquent complexe à gérer (choc mécanique, température…) mais plus le rendement du moteur sera élevé : voir l'étude 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 la totalité des pièces mécaniques du moteur. Il faut par conséquent 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 en particulier utilisé pour les moteurs équipant les vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais également 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 à air a longtemps été la référence pour les moteurs de motocyclette (même s'il a toujours existé des moteurs de motocyclette à refroidissement liquide), mais les problèmes entraînés par le haut rendement de ces moteurs (casses, usure prématurée) ont conduit à la quasi généralisation du refroidissement liquide, malgré les avantages spécifiques pour la motocyclette du refroidissement à air (encombrement, poids, simplicité, prix).

Il peut être optimisé par l'utilisation d'un ventilateur, dont la présence ne révèle cependant pas forcément un refroidissement à air, car il dissipe quelquefois la chaleur du radiateur d'un dispositif 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 de perfectionner les performances du refroidissement. Dans son moteur, l'eau entraînée par une pompe circule autour des cylindres entourés d'une chemise, l'eau est refroidie par contact direct avec l'air ambiant. Plus tard, on ajouta à l'eau différents adjuvants qui devint dans ce cas le liquide de refroidissement.

  • Le radiateur fut découvert en 1897 par l'ingénieur allemand Wilhelm Maybach. Après de nombreux tâtonnements, il mit au point le radiateur dit «nid d'abeille» qui permet le refroidissement particulièrement efficace d'un liquide. Il se compose d'un faisceau de conduits courts et étroits entre lesquels circule l'air. L'air peut être accéléré par un ventilateur positionné devant ou derrière lui. Ce radiateur est localisé dans un circuit fermé ou semi-fermé emplit 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, positionné en hauteur. Une fois refroidie, elle redescend vers le moteur. Dans les moteurs modernes, on utilise une pompe à eau.
  • Un contrôle permanent de la température vise à maintenir l'eau et l'huile dans des conditions donnant la possibilité une lubrification optimale.
  • Idéalement, la température du liquide de refroidissement est d'environ 75°-95°Celsius, déterminée par plusieurs facteurs tels que tolérances d'usinage et résistance au frottement des pièces mécaniques, lubrifiants utilisés.
  • La régulation de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique calorstat localisée dans le circuit de refroidissement, associée à un ou plusieurs ventilateurs asservi par une sonde thermocontact à la température du liquide dans le radiateur.
  • Dans les moteurs marins, le radiateur est remplacé par un échangeur de température. L'eau de mer assurant le refroidissement du circuit d'eau douce du moteur.

Le système de radiateur à buses (en allemand : Düsenkühler) 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 dispositif ne génère aucune poussée quand 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 système 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 par conséquent de faire circuler ce liquide dans les zones les plus chaudes et , en particulier, d'en assurer le refroidissement correct.

Tous utilisent plus ou moins le refroidissement par huile : carter d'huile bas moteur ventilé, quelquefois pourvu 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 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. Qui plus est , le graissage du moteur est moins performant (à isopérimètre) car il y a des pertes de charges dues à la circulation dans le radiateur d'huile.

Architecture des moteurs à explosion

Moteur en double étoile à 14 cylindres

Voir les articles détaillés :

Maintenance

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.

Icône de détail Article détaillé : Maintenance des moteurs à explosion.

Monocylindre

Le premier brevet concernant un moteur à explosion a été déposé par le Suisse François Isaac de Rivaz le 30 janvier 1807. Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1860. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir.

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 néenmoins que peu à voir avec les moteurs actuels ; c'était en effet un moteur atmosphérique, c'est-à-dire que le piston, propulsé par l'explosion du gaz, n'était en prise et n'exerçait un travail moteur sur l'arbre qu'au début de la phase d'échappement, l'appel d'air rappelant le piston vers sa position de compression.

L'entreprise Motorenfabrik Otto & Cie fondée à Cologne en 1864 donna naissance en 1876 à la Deutz AG (qui existe toujours). Otto développa cette même année un moteur à combustion à quatre temps qu'il fit breveter en Allemagne. Cependant, 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 dans ce cas leurs premiers tracteurs en exploitant le moteur Otto.

Quatre cylindres

Schéma d'un moteur 4 cylindres vers 1900

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 la totalité 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. Bien plus tard, à partir de 1962, Ford en fera une large utilisation, mais également Matra et SAAB.

Deuxième variante, le quatre cylindres (en ligne) couché, qu'on trouve en compétition chez Amédée Bollée (1898/99) (premier moteur à quatre cylindre monobloc (les autres moteurs quatre cylindres à l'époque étaient des bicylindres ou des monocylindres accouplés) ) et chez Wolseley et Winton (1903, voir (en) Wolseley Motor Company et Winton Motor Carriage Company) ). On l'a trouvée sur les motocyclettes BMW série K et sur les Peugeot 104 - 205, mais également sur les véhicules utilitaires ou monospace optant pour la solution «moteur sous le plancher».

Troisième variante, le quatre cylindres à plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert à 180°. Emblématique, dans sa version refroidissement à air, des «coccinelles» de Volkswagen. Cette architecture a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe aujourd'hui les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallyes WRC.

Moteur V6 moderne (Mercedes)

Mais la course — où on recherche la vitesse — est stricte en matière de puissance, en particulier lorsqu'il s'agit de courses de côte. D'où la tentation d'augmenter le nombre de cylindres.

La marque néerlandaise Spyker avait présenté un modèle 6 cylindres en 1903[2]. 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 la plupart de modèles non sportifs, même pour des cylindrées modestes. L'atout principal de cette solution étant la souplesse de fonctionnement du moteur.

Dans le monde de la motocyclette, le 6 cylindres restera rare. On le trouve en compétition, surtout chez Honda dans les années 1960 (moteur en ligne) ou chez Laverda en endurance (moteur en V). Les moteurs qui plus est de 4 cylindres seront interdits en compétition. Sur les véhicules de tourisme, on trouvera principalement 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

Une nouvelle étape est franchie lorsque on passe au «huit cylindres». Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V. La même année, apparaissent, toujours pour la compétition, des huit cylindres en ligne.

Les moteurs d'avion 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 d'une à quatre rangées de 7 à 9 cylindres, soit 28 cylindres à la fin de la guerre pour les Whright développant 3 500 ch, remplacés par les réacteurs.

Les américains, amateurs de grandes automobiles et sans souci du prix de l'essence, démocratisèrent les gros V8 au couple particulièrement élevé ainsi qu'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, particulièrement 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 tendance sportive.

Avantages

  • Les moteurs à vapeur sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants. Qui plus est , ils nécessitent une longue phase de chauffage. Par contre, ils permettent un démarrage particulièrement 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 , en particulier, longues à recharger ;
  • Les moteurs à explosion sont assez légers et petits, compensant un couple légèrement faible par une vitesse de rotation élevée. Leur source d'énergie est peu encombrante et rapidement renouvelable, ce qui en fait des moteurs particulièrement indiqués pour équiper de petits véhicules roulants, mais également volants. Il n'est plus indispensable 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 aussi son succès. Aussi, ces moteurs ne sont pas délicats et fonctionnent sans problème avec divers carburants, sans qu'il soit indispensable de procéder à des modifications importantes. L'essence peut être remplacée par de l'alcool ou du gaz et le gazole par des huiles végétales, ce qui, soyons optimistes, pourrait nous permettre de conserver nos véhicules personnels après l'épuisement des réserves pétrolières. Le Brésil a développé à large échelle les véhicules à alcool dans les années 1970 et 80 avant de la négliger, puis de la relancer au début du XXIe siècle, avec la vogue des véhicules flex-fuel (bi-carburation).

Inconvénients

Mais, comme toutes choses sur cette terre, les moteurs à explosion n'ont pas que des avantages.

  • Ils ne sont vraiment efficaces qu'à assez basse altitude, à l'endroit où la teneur en oxygène de l'air est forte : les moteurs à explosion ont permis l'envol des avions, mais ils les limitent aussi dans leur évolution. On peut compenser partiellement cet inconvénient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs.
  • Ces moteurs 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 , par conséquent, malgré des aménagements spécifiques, désignés comme une des principales sources de pollution des villes.
  • Le rendement du moteur à explosion est plutôt mauvais comparativement au moteur électrique.
  • Les moteurs à explosion, utilisent généralement un carburant d'origine fossile, ils ont par conséquent besoin d'une source d'énergie qui n'est pas renouvelable. L'utilisateur d'un moteur à explosion dépend de la fourniture de carburant surtout de son prix.
  • Le moteur à explosion réclame un entretien régulier (vidange huile et eau, changement des filtres air et carburant, réglages), si on souhaite avoir un rendement optimal et une durée de vie normale.

Modification du mélange gazeux

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

Taux de compression variable

Appelé moteur VCR (Variable Compression Ratio).

Meilleure est la compression du mélange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis. Une solution à ce problème consisterait à fluctuer dynamiquement le volume de la chambre de combustion. En effet, en ville par exemple, le moteur fonctionne fréquemment au ralenti, particulièrement loin de sa charge optimale et , par conséquent avec un mauvais rendement, qu'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le volume de la chambre de combustion entre faible charge et de fortes sollicitations.

Déjà en 1928, Louis Damblanc dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose 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 proposée avec le moteur MCE-5 est de faire fluctuer le volume de la chambre de combustion en faisant fluctuer 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 spécifiquement 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 particulièrement envisageable si pour des questions de coût de carburant ou de volonté politique, la réduction de la consommation devient un objectif prioritaire. Son industrialisation serait plus simple que celle d'un véhicule hybride.

Notes et références
  1. moteur Wartsila [pdf]
  2. Source : Autos, Encyclopédie complète 1885 à nos jours Editions de la Courtille, page 579 : «la première voiture 6 cyl. fabriquée dans le monde»

Bibliographie

  • Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung. , Steiger Verlag, Mœrs, 1984. ISBN 3921564700
  • Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor : zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949. ISBN B0000BMMSD

Voir aussi

Liens externes

Évolutions du moteur 2-Temps :

Recherche sur Amazone (livres) :



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