Carburateur

Le carburateur est un organe essentiel du moteur à combustion interne essence ou éthanol. Il est aussi présent sur des chaudières à carburants liquides.



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  • Le carburateur est le dispositif le plus commun en moto pour fabriquer le mélange air / essence, il utilise une dépression pour faire circuler de l'air... (source : mecamotors)
  • Attention : il s'agit ici simplement du mélange air / essence et non de la proportion... c'est que l'aprécisément du pointeau de carburateur est incorrect.... (source : amaurer1.free)
  • Dans un moteur, le carburateur est l'élément chargé de préparer le mélange d'air et d'essence en le dosant correctement pour en permettre la combustion... (source : membres.lycos)
Carburateur Loco

Le carburateur est un organe essentiel du moteur à combustion interne essence ou éthanol (mais pas du moteur Diesel). Il est aussi présent sur des chaudières à carburants liquides.

Cet organe sert à préparer un mélange d'air (le comburant) et de carburant, ayant le bon rapport de carburant/air, qui va idéalement brûler dans la chambre de combustion. Ce mélange d'air et de vapeur de carburant est aspiré lors de l'admission dans le cylindre. Il a aussi pour rôle de régler la vitesse et le couple du moteur[1].

Le rapport théorique parfait air/essence pour le moteur à explosion est de 14, 7 :1 soit 14, 7 parts d'air pour 1 part de carburant. On parle dans ce cas de mélange stœchiométrique[N 1]. En pratique, pour obtenir une combustion parfaite et ainsi permettre une économie de carburant, on brûle une proportion air/essence d'environ 18 :1[2].

Le mot carburateur provient du terme carbure, qui est un composé binaire du carbone[3]. En chimie organique, le terme a le sens plus spécifique de l'augmentation du carbone dans le contenu d'un combustible par mélange avec un gaz volatil d'hydrocarbures.

Histoire

Karl Benz, un des inventeurs du carburateur

Invention

La paternité de l'invention du carburateur est plutôt complexe à donner. Il est couramment admis que l'allemand Karl Benz en soit l'inventeur en 1885[4] qu'il breveta en 1886. Il semble aussi que deux ingénieurs hongrois, János Csonka et Donát Bánki, inventèrent le carburateur en 1893.

Bien avant Donát Bánki, le Français Fernand Forest avait découvert, en 1885, le carburateur à niveau constant qui formait un immense progrès comparé au carburateur à mèches de Édouard Delamare-Deboutteville, ou au carburateur à barbotage de Maybach. C'est le carburateur découvert par Fernand Forest qui servira de base à l'ensemble des carburateurs montés sur l'ensemble des moteurs à essence fabriqués dans le monde pendant plus d'un demi-siècle.

Arthur Krebs inventa le 1er carburateur à membrane en 1902. Ce dispositif contient deux fonctions principales : la répartition de la quantité d'air comparé à la quantité de carburant et le réglage du point de fonctionnement du moteur (charge).

Évolution

Rapidement après le premier prototype découvert, Karl Benz ajouta au montage un papillon d'accélérateur. Ce dernier sert à régler à volonté la quantité du mélange aspiré par le moteur et par conséquent, sa puissance et sa vitesse de rotation.

Durant la période 1882 à 92, les carburateur utilisés sur les premiers moteurs à combustion interne étaient à léchage, à barbotage ou mixtes (voir ci après). Lourds et particulièrement encombrants, ils se composaient d'un récipient parcouru par des tubulures. La résistance à l'écoulement du mélange vers les cylindres était énorme génèrant un fonctionnement, quoique particulièrement simple, peu satisfaisant. Ils n'étaient pas capables d'apporter longtemps un mélange suffisamment homogène dont la composition soit adaptée aux divers régimes du moteur[1].

La technique du carburateur fut plus tard perfectionné par l'adjonction d'un flotteur servant à contrôler le niveau du carburant et par le montage d'une prise d'air supplémentaire reliée au tube de sortie du mélange carburé. Cette nouvelle configuration conférait aux pilotes la possibilité de régler manuellement le dosage du mélange carburé[1].

Frederick William Lanchester expérimenta en Angleterre, le carburateur dans les voitures. En 1896, Frederick et son frère ont construit le premier moteur à essence utilisant le nouveau carburateur. Cette version accomplit en 1900, avec succès, un trajet de 1 000 miles (1 600 km) synonyme mais aussi l'invention du carburateur fut un important pas en avant dans l'ingénierie automobile.

Le carburateur fut l'habituel mode de livraison du carburant dans le moteur pour presque l'ensemble des moteurs à essence jusqu'au milieu des années 1980, jusqu'à ce que l'injection directe lui fut préférée. Sur le marché américain, la dernière voiture utilisant un carburateur fut la Ford Crown Victoria Police Interceptor de 1991 équipées. Une majorité des motocycles utilise toujours le carburateur à cause de son faible coût et de la réponse des gaz rapide. Mais à partir de 2005, de nombreux nouveaux modèles sont en train d'être mis en place avec l'injection directe.

L'injection électronique directe fut préférée dans les moteurs à essence de voitures modernes, pour des raisons de contrôle de pollution. Le fonctionnement d'un pot catalytique s'accommode, en effet, mal d'un carburateur. Actuellement ces deux fonctions sont dissociées : le papillon des gaz est monté dans le boîtier papillon, et le mélange air-carburant est réalisé par le circuit d'injection, le tout donnant la possibilité, via un ensemble de capteurs, de diminuer au maximum les émissions polluantes.

Composition
Schéma du carburateur

Le carburateur est localisé à l'entrée des conduits d'admission où il assure le mélange air essence aspiré par le moteur. Il possède :

  • Une arrivée d'air, air qui passe en premier lieu à travers un filtre à air sur les véhicules pour le débarrasser des impureté qui pourrait gêner la carburation.
  • Une arrivée d'essence, essence qui est envoyée par une pompe ou par gravité et stockée dans une cuve
  • La buse (ou diffuseur), qui crée la dépression indispensable à l'aspiration du carburant. Le dessin de la partie étranglée du diffuseur nécessite une étude préalable afin d'éviter la naissance, dans la colonne d'air, de turbulences qui gêneraient l'aspiration du combustible. D'autre part, la vitesse d'aspiration au niveau de l'étranglement doit être limitée[N 2]. La vaporisation complète du mélange est réalisée dans la zone aval du diffuseur jusqu'à la soupape d'admission[1].
  • Le boisseau, qui a pour fonction de réguler les quantités d'air et d'essence admise dans le moteur. Du coté entrée d'air, le boisseau est coupé en biais. La coupe en biais plus ou moins affirmée détermine la quantité d'air admise lors lorsque le pilote commence à peine à accélérer. Plus la coupe est haute, plus la mélange est pauvre[5].
  • La cuve, dans laquelle un flotteur pourvu d'un pointeau permet l'ouverture ou la fermeture de l'orifice d'arrivée de l'essence. Ce dispositif élimine les effets de la différence de niveau entre le réservoir et le carburateur[1].
  • Le gicleur, sorte de petite vis comportant un orifice[N 3], qui permet de introduire le combustible dans la zone de dépression du diffuseur. Le débit du gicleur dépend de son diamètre et de la dépression. Il est positionné, à partir de la cuve, en un point aisément accessible sur la canalisation de carburant[1].
  • Le papillon, positionné dans le conduit en aval du diffuseur. C'est un clapet qui régule le débit du mélange gazeux, selon l'effort demandé au moteur, admis dans les cylindres. Il est ainsi commandé par la pédale d'accélérateur.
  • Une sortie communiquant avec les conduits d'admission, afin d'envoyer le mélange constitué pour la combustion.

Fonctionnement

Carburateur Solex de Volkswagen, équipé d'un starter

Démarrage à froid

Lors de l'allumage du moteur, la dépression est trop faible pour aspirer le carburant et le dosage est particulièrement pauvre en essence. D'autre part, le moteur étant froid, l'essence s'évapore peu et forme des gouttelettes d'essence qui ont davantage tendance à se déposer sur les éléments froids de l'admission, au lieu de se pulvériser et se mélanger à l'air.

Le problème est résolu grâce à l'utilisation d'un système de facilitation du démarrage (starter en anglais, enrichisseur en français), qui permet au mélange d'être enrichi en essence au démarrage. Il agit de façon que la proportion d'air soit réduite, par l'intermédiaire d'un volet d'aspiration, ou en augmentant la proportion en essence en agissant sur les gicleurs.

Un dispositif intermédiaire de carburation est quelquefois utilisé : il ne fonctionne qu'au démarrage. L'air est aspiré directement de l'extérieur, ou encore à partir du conduit principal en amont du papillon. Alors spécifique, l'essence est puisée directement dans la cuve et le papillon doit rester fermé, pour que le mélange carburé ne passe que par le système de démarrage[6].

Le ralenti

Quand le moteur fonctionne au ralenti, le papillon est fermé ou particulièrement peu ouvert. La partie en aval du papillon subit dans ce cas une forte dépression. Cette dépression est utilisé pour faire appel au carburant indispensable à travers un gicleur de ralenti.

Placé juste au niveau du bord du papillon, il ne débite que quand la situation précédente s'effectue. Le papillon s'ouvre progressivement et la dépression qui s'exerce sur le gicleur de ralenti diminue jusqu'à ne plus être suffisante pour provoquer l'aspiration de l'essence. La dépression dans le diffuseur augmente génèrant le fonctionnement du gicleur principal. Le réglage du ralenti moteur s'effectue par la vis de butée du papillon réglant l'admission d'air et par une vis-pointeau réglant l'admission de carburant, afin d'obtenir un mélange homogène air-essence[6].

Conduite générale

La cuve est pourvue d'un dispositif automatique qui ferme l'arrivée d'essence quand elle est pleine (il s'agit d'un pointeau couplé a un flotteur ; lorsque le niveau dans la cuve n'est pas suffisant, le flotteur descend à mesure que l'essence se vide et le pointeau, fixé au flotteur sert de soupape pour faire entrer l'essence dans la cuve et de la stopper lorsqu'elle est pleine). La cuve communique par des canaux calibrés avec les gicleurs.

L'entrée d'air donne dans un passage rétréci où débouchent les sorties des gicleurs. Dans cette zone rétrécie, le flux d'air subit une dépression (effet Venturi), qui aspire l'essence à travers les gicleurs. Elle est ainsi pulvérisée dans l'air. Derrière cette zone se situe un obturateur mobile, le papillon des gaz qui pilote le flux d'air et donc la charge du moteur.

Quand la pédale de l'accélérateur est à mi-enfoncée, le boisseau ouvre à moitié le conduit d'admission et l'aiguille du gicleur, solidaire du boisseau, détermine la quantité d'essence injectée dans le mélange par le gicleur. Entre 1/4 et 3/4 d'ouverture, l'essence est ainsi proportionnelle à l'air admis. Cette plage peut être un peu modifiée par le réglage de la hauteur de l'aiguille. Au delà de 3/4 d'ouverture de la poignée d'accélérateur, jusqu'à son ouverture complète, seul le gicleur détermine la quantité d'essence admise. C'est à ce moment là que le diamètre du gicleur choisi est la plus importante[7].

Accélération brusque

Lors d'une brusque accélération, l'ouverture du papillon est totale et entraîne une augmentation rapide du débit d'air mais qui n'engendre pas une augmentation du débit de carburant. En effet en cas de brutale accélération, la quantité d'essence (plus dense que l'air) diminue brutalement dans le mélange.

Afin d'enrichir le mélange lors des reprises, énormément de carburateurs sont équipés d'une pompe de reprise, système qui ajoute une quantité d'essence proportionnelle à chaque action rapide d'enfoncement de l'accélérateur. La pompe envoie par conséquent une giclée d'essence pour supprimer ce «trou» à l'accélération. Le gicleur de la pompe possède généralement 5 trous s'ouvrent au fur et à mesure[6]. Ce phénomène disparaît avec les carburateurs à membrane.

Sur une pompe de reprise à membrane, la fermeture du papillon détend le ressort de rappel de la membrane et celle-ci, en se retirant, provoque une dépression dans la chambre de la pompe. La soupape de sortie empêche la sortie du carburant, alors que la soupape d'entrée se lève, donnant la possibilité ainsi un afflux de carburant suffisant pour remplir rapidement la chambre de la pompe[6].

L'amplitude de la course de la membrane détermine la quantité d'essence injectée, alors que la largeur de l'orifice de sortie définit la vitesse de sortie du carburant pompé. L'utilisation d'un ressort octroie davantage de progressivité dans la course du levier de commande de la membrane[6].

Modèles

Dessin d'une coupe de carburateur Renault

Zénith

Le carburateur de type compensé ou Zenith comporte deux gicleurs :le gicleur principal dont le débit est proportionnel à la dépression existant dans le diffuseur et le gicleur secondaire, qui en communication à travers un puits avec l'air atmosphérique, compense le débit de façon indépendante de la dépression dans le diffuseur.

La richesse du mélange distribué par le gicleur principal augmente avec le régime alors que le gicleur secondaire apporte un mélange qui plus est en plus pauvre. L'augmentation du régime est à l'origine de ce dispositif en car la quantité d'air qui vient se mélanger à l'essence augmente selon ce dernier. L'addition des deux mélanges sert à maintenir assez constant le ratio air/essence. Le gicleur principal est réglé pour les hauts régimes et le gicleur secondaire pour les bas régimes.

La cuve du gicleur secondaire, à pression atmosphérique, joue le rôle de pompe de reprise. À bas régime, elle reste remplie d'essence. Au moment des reprises, par contre, l'augmentation de la dépression agit davantage sur elle que sur la cuve à niveau constant[8].

Weber

Dans le carburateur à air antagoniste Weber, l'injecteur est localisé dans la partie inférieure du gicleur et est calibré pour les bas régimes. Le mélange est ainsi enrichi aux hauts régimes. Un courant d'air soufflant transversalement au jet s'oppose au gicleur et empêche l'essence de sortir de l'injecteur. Le gicleur principal est quant à lui perforé par un orifice calibré à sa partie inférieure et par des orifices radiaux dans le reste.

L'essence monte le long du gicleur principal selon le principe des vases communicants, en remplissant aussi le tube porte-gicleur. Tant que la dépression dans le diffuseur reste faible la totalité fonctionne comme le gicleur d'un carburateur normal. Lorsqu'elle augmente le niveau d'essence dans le gicleur et dans le porte-gicleur tend à s'abaisser, découvrant successivement les différentes rangées d'orifices[8].

Plus l'aspiration sera forte, plus les orifices découverts seront nombreux, régulant ainsi le débit du jet d'essence. Cette réduction du débit d'essence permet ainsi de réguler à tout moment le mélange et d'assurer la constance du dosage air-essence.

Revenons au carburateur élémentaire dont la section du diffuseur est fixe. Si, à 2 000 tr/mn, le moteur aspire, par exemple, 1 000 litres d'air à la minute et si, à 4 000 tr/mn, il en aspire le double la vitesse de l'air dans le diffuseur, à 4 000 tr/mn. sera deux fois plus élevée qu'au régime de 2 000 tr/mn.

S. U.

Dans les carburateurs S. U., le diffuseur à section variable est commandé par la dépression existant dans le diffuseur. Le piston se soulève quand la dépression s'élève, ce qui élargit la buse et maintient environ constante la vitesse dans le diffuseur et le gicleur lors des variations de la quantité d'air aspirée par le moteur[9].

Au ralenti, le papillon est fermé et la dépression est minimale. Le piston descend. la proportion de carburant pulvérisé est faible. En marche normale, le papillonne est grand ouvert. La dépression augmente et commande le mouvement de l'aiguille qui, en remontant, augmente progressivement la section de l'orifice de giclage. À l'accélération, il suffit de disposer d'un frein capable de retarder le mouvement ascensionnel du piston pour augmenter ainsi la vitesse et la dépression dans le diffuseur et au niveau d'un gicleur[9].

Le rapport air-essence est contrôlé par une aiguille conique, solidaire du piston, qui coulisse dans le gicleur et fait fluctuer la section utile. Sa forme permet d'obtenir pour chaque régime et pour chaque position du papillon, les meilleurs rapports air-essence pour le rendement du moteur[9].

Classification

On peut classer les carburateurs selon les directions respectives du diffuseur et du gicleur, en :

  • Carburateurs horizontaux : la colonne d'air aspiré est horizontale, alors que le gicleur est disposé verticalement.
  • Carburateurs verticaux : la colonne d'air aspiré est verticale, dirigée vers le haut et coaxiale avec le gicleur.
  • Carburateurs inversés : la colonne d'air est verticale et dirigée vers le bas, le gicleur est horizontal, avec un bec terminal dirigé vers le bas.

Exemples modèles

Schéma (en allemand) d'un carburateur élémentaire
Rampe de carburateurs sur une Ferrari de 1961

Carburateur élémentaire

Les premiers carburateurs qui ont équipé les premiers véhicules propulsé par un moteur à explosion, comme celui de la De Dion de 1899, n'étaient pas en mesure de répondre à l'ensemble des exigences. Nommés à léchage ou à barbotage, ils se composaient d'un réservoir d'essence dans lequel pénétrait un tube, pour renouveler l'air aspiré par le moteur, le mélange air/essence étant assuré par l'évaporation de cette dernière[7].

Dans les carburateurs à léchage, l'air traversait l'appareil en léchant la surface de l'essence. Ce dispositif fut ensuite peaufiné par le montage dans l'appareil d'une série de diaphragmes qui permettaient un enrichissement progressif du mélange, grâce au préchauffage du carburant au contact des tubulures d'échappement. Dans les carburateurs à barbotage, le tuyau d'admission d'air se prolongeait jusqu'au fond de l'appareil. L'air, quelquefois préalablement réchauffé, barbotait dans la cuve et s'enrichissait progressivement des vapeurs d'essence[1].

Dans les carburateurs à léchage, l'air traversait l'appareil en léchant la surface de l'essence. Ce dispositif fut ensuite peaufiné par le montage dans l'appareil d'une série de diaphragmes qui permettaient un enrichissement progressif du mélange, grâce au préchauffage du carburant au contact des tubulures d'échappement.

Dans les carburateurs à barbotage, le tuyau d'admission d'air se prolongeait jusqu'au fond de l'appareil. L'air, quelquefois préalablement réchauffé, barbotait dans la cuve et s'enrichissait progressivement des vapeurs d'essence.

Carburateur à dépression

Le carburateur à dépression est une évolution du précédent, le boisseau étant actionné par une membrane sensible à la pression, le plus fréquemment on trouve un trou sous le boisseau et l'air qui rentre dans le carburateur crée une dépression dans le boisseau soutenue par la membrane en passant sous lui, ce autorise ce dernier de remonter sous l'effet de vide créé en lui et dans la chambre qui le surmonte, le flux d'aire est régulé par un papillon. Ce dispositif empêche l'étouffement du moteur en cas d'ouverture brutale des gaz, car même si le papillon est ouvert en grand, le boisseau ne réagit pas à l'aspiration du moteur qui est faible et , ne nécessite par conséquent pas une grande quantité de gaz, la carburation se régule d'elle même[10].

Mais il n'est pas conseillé dans le cadre par exemple d'une configuration préparé pour la compétition, son temps de réponse étant trop long en comparaison d'un carburateur à boisseau à câble, on rencontre en particulier ce cas de figure sur les motos.

Carburateur à vide

Le mélange stœchiométrique est dans la pratique extrêmement complexe à réaliser, surtout sur toute la plage de régimes de fonctionnement du moteur, c'est pourquoi énormément de carburant arrive sous forme liquide dans les cylindres et ne peut par conséquent pas brûler correctement. Pire, la vaporisation étant endothermique, il se condense sur les parois, abîmant les cylindres et les pistons, absorbant une partie de l'énergie de la combustion et , se dissociant en polluants (ozone).

Pour éviter cela, il est indispensable de vaporiser complètement le carburant. L'énergie investie pour vaporiser ce carburant (par une basse pression, comme son nom l'indique) est particulièrement beaucoup compensée par l'augmentation du rendement, ce qui sert à brûler un mélange plus pauvre et par conséquent moins polluant.

L'un des principaux problèmes rencontrés en matière de pollution par les moteurs fonctionnant à l'essence est exactement le rejet «d'imbrûlés» à la sortie de l'échappement, hormis les lois de distribution (croisement de soupapes), si on savait idéalement mixer l'essence (incompressible) avec l'air (compressible) et ceci, dans les bonnes proportions (1/15e) ainsi qu'à l'ensemble des régimes, dans ce cas cette «mixture», qui se doit d'être idéalement homogène jusque dans la chambre de combustion, serait donc entièrement et réellement "brûlée".

Dans cette hypothèse, hormis le fait d'une réduction de la consommation, la pollution relevée à la sortie des gaz d'échappement serait par conséquent aussi réduite, même si des quantités non négligeables de dioxyde de carbone (CO2) sont issues de la combustion et par conséquent inhérentes à cette source d'énergie. La pollution produite par les moteurs Diesel fonctionnant au gazole génèrent du CO2 mais également des suies (fines particules) potentiellement cancérigènes.

Carburateurs multiples

Quand on veut perfectionner la puissance d'un moteur, il est préférable d'utiliser un carburateur par cylindre ou groupe de cylindres.

La manière la plus simple de procéder est d'utiliser un carburateur double corps, dissociant suffisamment les fonctions pour chaque cylindre pour simuler deux carburateurs.

Pour aller plus loin (véhicules de sport, motocyclettes, etc. ), on utilise des carburateurs complètement indépendants. Au départ, ces carburateurs étaient montés individuellement, commandés par des commandes scindées (autant de câbles que de carburateurs), mais ce montage était délicat à régler. Actuellement, les carburateurs sont assemblés sur une rampe, et la commande de l'ensemble des carburateurs est centralisée par un palonnier.

Autres dispositifs

Le moteur Diesel fonctionne sur un principe différent, (pas de papillon de gaz, en permanence en excès d'air), ne s'accommode par conséquent pas d'un carburateur ; on ne règle que la quantité de carburant admise avec une pompe à injection et d'injecteurs haute pression, ou injecteurs pompes haute pression.

Notes
  1. Le mélange est dit pauvre si l'air est en excès comparé à l'essence, et le mélange est riche si c'est l'essence qui est en excès
  2. Généralement, cette limite se situe entre 100 et 130 m/s
  3. Le diamètre de l'orifice, nommé diamètre du gicleur, s'exprime en centièmes de millimètre. En le modifiant, on peut enrichir ou appauvrir le mélange et faire fluctuer, dans un certain intervalle, les performances et la consommation du moteur.

Liens externes

Références

  1. abcdefg (fr) Technique : Le carburateur sur Motorlegend, p1
  2. (fr) La carburation sur Mécamotors
  3. Dictionnaire le Petit Robert 2008
  4. (en) Thomson Gale, Encyclopedia of World Biography, 2005 - 2006
  5. (fr) Le carburateur sur Banshee
  6. abcde (fr) Technique : Le carburateur sur Motorlegend, p2
  7. ab (fr) Carburation : Évolution et fonctionnement sur Moto-histo
  8. ab (fr) Technique : Le carburateur sur Motorlegend, p3
  9. abc (fr) Technique : Le carburateur sur Motorlegend, p4
  10. (fr) Le carburateur à dépression sur Performance Motos

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