Moteur Thermique : Principe de Fonctionnement et Technologie

Un moteur est une machine capable de convertir tout type d’énergie en énergie mécanique. D’autre part, un moteur thermique brûle du carburant pour prendre l’énergie libérée sous forme de chaleur et la convertir en énergie mécanique ou en mouvement.
Le moteur à combustion interne est au cœur d’une voiture standard, alimentée par des carburants fossiles : il y a une différence entre les voitures essence et diesel. Le terme est surtout utilisé depuis l’avènement des voitures à moteur électrique pour marquer la différence entre les deux. A noter qu’il existe deux types de motorisations utilisées dans une même structure : une voiture hybride.

I. Définition de Moteur Thermique

Un moteur thermique est un appareil qui génère de la puissance mécanique en convertissant la chaleur produite par la combustion du carburant. Cela peut être de l’essence, du diesel, de l’hydrogène, du charbon, etc. C’est cette puissance mécanique qui fait bouger les voitures, voler les avions, couper les tronçonneuses, etc. La plupart des voitures sur le marché utilisent aujourd’hui des moteurs à combustion interne.

De nombreux moteurs thermiques fonctionnent dans un cycle, ajoutant de l’énergie sous forme de chaleur dans une partie du cycle et utilisant cette énergie pour effectuer un travail utile dans une autre partie du cycle. Par exemple, comme dans toutes les centrales thermiques conventionnelles, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur, qui entraîne une turbine à vapeur reliée à un générateur pour produire de l’électricité.

II. Evolution des moteurs

La fabrication des premiers moteurs thermiques rend au XIXe siècle, des années avant l’apparition des premières automobiles lors de la révolution industrielle. Depuis, de nombreuses évolutions et alternatives ont vu le jour : moteurs à deux ou quatre temps, avec ou sans soupapes, trois, quatre, six, huit ou douze cylindres… Aujourd’hui, il est souvent classé en A majeur cause de pollution dans les zones urbaines, où des systèmes de zones à circulation restreinte commencent à être mis en place en conséquence.

III. L’architecture du moteur thermique :

On différencie dans le moteur :

  • Parties fixes.
  • Parties mobiles

Les parties fixes comprennent principalement :

  • Bloc moteur ou bloc-cylindres
  • La culasse sert de couvercle étanche pour la partie supérieure du cylindre et supporte l’arbre à cames et les soupapes.

Les pièces mobiles se composent de deux parties principales :

  • Accouplements actifs, comprenant : vilebrequin, bielles, pistons avec pistons.
  • Distribution comprenant : soupape et ressort de rappel, arbre à cames et système de rappel entre arbre à cames et vilebrequin, composé d’une ou plusieurs chaînes ou courroies crantées.

IV. Les composants du moteur :

1. Le bloc cylindre :

Il supporte le vilebrequin et guide les pistons, assurant l’étanchéité du cylindre avec la culasse et permettant le passage des conduites de lubrification et d’eau.

Le bloc-cylindres doit :

  • Indéformable et sensible aux arrangements géométriques précis.
  • Résiste à la pression, à la torsion, au frottement, aux changements de température.
  • Ayant la qualité la plus basse possible.

2. Chemise de cylindre :

Une chemise est une pièce cylindrique qui est forcée dans le cylindre (avec un métal plus résistant que le reste du bloc moteur) où le piston glisse et la combustion/compression se produit (forte contrainte !). Les chemises sont généralement en fonte ou en acier et subissent divers usinages et traitements pour améliorer leur état de surface et réduire les frottements d’une part, et augmenter leur dureté pour éviter l’usure d’autre part.

3. La culasse :

La fonction de la culasse est d’assurer la fermeture de la partie supérieure du cylindre pour former la chambre de combustion.

Elle permet :

  • Arrivée et échappement des gaz.
  • Localiser les composants de synchronisation et la section d’allumage.
  • Evacuation rapide de la chaleur au point le plus chaud de la chambre de combustion. Il peut s’agir de fonte ductile, mais plus communément d’un alliage d’aluminium (AS5U3G).

4. L’arbre à cames :

Il est responsable du contrôle de la levée des soupapes et des périodes spécifiques. Le mouvement de l’arbre à cames doit toujours être lié au mouvement du vilebrequin. La partie excentrique de la came, appelée flanc ou rampe, permet de monter ou descendre la vanne. La partie cylindrique, la zone de repos, correspond à la vanne fermée. Il y a autant de cames que de soupapes. Les arbres à cames peuvent être en fonte ductile ou en fonte GLA, ou en acier trempé ou nitruré.

5. La soupape :

La soupape laisse passer le maximum de gaz en peu de temps et doit assurer une étanchéité parfaite lorsque le siège de soupape est fermé. Ces soupapes sont fabriquées d’une manière à supporter des températures très élevées dans la chambre à combustion dans l’environ de 800°C avec que la soupape d’échappement soit ouverte.

Par conséquent, la fabrication de vannes nécessite l’utilisation de métaux capables de résister à la déformation à haute température (fluage) et aux chocs répétés, tels que l’acier faible, le chrome, le nickel, le tungstène et d’autres additifs. Le siège conique assure une étanchéité parfaite et un centrage correct lorsqu’il est fermé, évitant la déformation de la tige ou de la tige.

6. Le piston :

Le rôle du piston est de transmettre la force générée par la pression des gaz à travers la bielle. Son refroidissement est assuré par le contact des segments et de la jupe avec le cylindre. Par conséquent, une partie de la chaleur est également expulsée par l’huile projetée sur son fond. Le piston est lié à la bielle à travers un axe en acier. Les pistons sont généralement en alliages d’aluminium (par exemple AS12UN), parfois renforcés par l’ajout de fibres. Plus rarement, les pistons peuvent être en fonte ductile ou en acier forgé.

7. Les segments

La fonction principale de la bague est d’assurer l’étanchéité gaz (côté chambre de combustion) et huile (côté carter).

Ils peuvent dissiper une partie de la chaleur qui est transférée au piston par le gaz vers le cylindre.

Le nombre de segments est généralement de 3 :

  • Anneau coupe-feu sur le dessus du piston.
  • Section de joint intermédiaire.
  • La dernière pièce est le racleur qui assure principalement l’étanchéité à l’huile.

8. La bielle :

Un lien est un élément intermédiaire qui permet de transmettre un effort entre deux éléments avec des mouvements différents :

  • Mouvement linéaire alternatif du piston.
  • Mouvement circulaire continu du vilebrequin.

Du fait du mouvement rapide combiné du piston et du vilebrequin, l’élément est soumis à de multiples contraintes : compression, traction, flexion.

Il peut s’agir de fonte ductile, d’acier forgé ou fritté, ou d’alliages légers.

9. Le vilebrequin :

Avec la bielle, il achève la transformation du mouvement linéaire alternatif du piston en mouvement circulaire continu. La contrainte sur l’appui courbe est :

  • Couple des forces de réaction du couple d’entraînement et du couple de traînée.
  • Plier, comprimer, tirer, cisailler.
  • Frottement des surfaces d’appui.
  • Vibration à grande vitesse de la masse du vilebrequin.

Le vilebrequin doit avoir les caractéristiques pour résister aux efforts :

  • Manivelles robustes.
  • Géométrie indéformable.
  • Parfaitement équilibré (il peut être en acier forgé ou moulé ou en fonte ductile).

10. La distribution du moteur thermique:

La distribution est dont la fonction de :

  • Laissez entrer du gaz frais et brûlez-le.
  • Accroître le temps d’ouverture de la soupape d’admission pour éviter le freinage par gaz.
  • Déclencher le point d’allumage.

V. Le principe de fonctionnement de Moteur Thermique :

1. Cycle 4 temps de moteur thermique  :

Situation posée : Assurez-vous que la charge (carburant + comburant) brûle dans une enceinte à volume variable.

L’augmentation de pression P (bar) engendré de la combustion crée une force F (en daN) sur la surface S (cm²) de l’élément mobile (piston) du carter (piston), car F= P.S

La force « F » peut être convertie en travail mécanique « W » sur le déplacement « L » du piston, d’où W=F.L.

La dilatation du gaz dans le cylindre engendre le déplacement du piston. C’est la combustion et la détente du gaz qui produit cette phase motrice (ou temps d’entraînement), et non « l’explosion », comme ce processus est appelé à tort à son origine.

Alors que la pression « P » augmente dans le carter avec la progression continue et contradictoire de la combustion et du déplacement du piston (c’est à dire que la progression de la combustion tend à augmenter la pression, mais la descente du piston augmente le volume et donc tend à diminuer la pression).

Avant de brûler la charge, il y a 2 temps nécessaires :

  • Temps d’introduction de la charge dans le cylindre (admission)
  • Temps pour reporter le piston au début de course et en comprimant la charge (compression).

Ensuite, il faut commencer à brûler (allumage)

Enfin, une fois la détente de combustion terminée, les gaz brûlés (gaz d’échappement) doivent être évacués avant de recommencer le cycle.

La succession des phases suivantes s’appelle un cycle : admission, compression, combustion détente, échappement.

2. Explication du moteur thermique à 4 temps :

Le principe général d’un moteur à combustion interne est simple et implique l’utilisation de l’énergie produite par la combustion d’un mélange comburant/carburant dans une chambre fermée. Par la combustion, le gaz utilisé se dilate de manière importante (en fonction du taux de compression du moteur, lui-même lié aux segments, aux soupapes, etc.). La pression de la combustion pousse alors vers le bas le piston, qui lui-même se connecte à la roue (pas directement perceptible…). Tout se passe en un cycle, selon le type de moteur auquel vous avez affaire (2 temps ou 4 temps).

Le schéma ci-dessous montre les étapes de fonctionnement divisées en 4 temps, d’où l’appellation moteur 4 temps. Cependant, nous ne voyons ici qu’un seul cylindre en état de marche.

Etape 1 ADMISSION D’AIR + CARBURANT : Le mélange air/carburant entre par l’admission (dans le cas d’une injection directe, le carburant est envoyé directement dans la chambre de combustion sans passer par l’admission). Le mélange air/carburant s’effectue dans le carburateur, l’admission ou la chambre de combustion (selon le type de moteur). Dans le cas de problème avec le calculateur (ou la sonde), la dose peut ne pas être exacte et le moteur peut ne pas fonctionner d’une manière correcte (coupure de courant, fumée, etc.)

A noter que la présence d’un turbo va augmenter la quantité d’air dans l’admission.

Etape 2 COMPRESSION :  Le mélange air/carburant vient d’entrer dans la chambre de combustion par le conduit d’admission qui se ferme immédiatement (pas de compression s’il reste ouvert) et le piston comprime le mélange à environ 30 bars avec l’élan du cycle précédent. Toujours pas de brûlure/explosion à ce jour.

Etape 3 COMBUSTION / DETENTE : Enfin brûler/exploser ! Il est produit par des bougies, lorsque le piston est en haut, une petite étincelle (arc) est créée grâce au dispositif d’allumage, qui délivre du courant à la bougie (le distributeur délivre le jus à la bougie associée via un système rotatif, comme pas toutes Les bougies du moteur doivent toutes être ouvertes en même temps (Le cycle 4 temps de chaque piston est en décalage avec les autres) Tout doit être parfaitement synchronisé afin que le moteur fonctionne, brûle trop tôt ou trop tard et ne fonctionne pas comme prévu..

Ainsi, de petites étincelles vont enflammer le mélange air/carburant hautement inflammable ! Le piston est ainsi poussé vers le bas, créant l’énergie mécanique qui permet à la voiture de se déplacer. Sur les moteurs modernes, chaque bougie d’allumage a une bobine dédiée, mais le principe général reste le même, c’est à dire au bon moment pour délivrer du jus à la bougie.

Etape 4 ECHAPPEMENT : Lorsqu’un incendie/explosion se produit, il ne reste que la fumée de la combustion. Ainsi, la soupape d’échappement (presque l’opposé de la soupape d’admission, seulement c’est une sortie au lieu d’une entrée) s’ouvre alors rapidement pour que le piston pousse la fumée à mesure qu’elle monte. Ces fumées pénètrent ensuite dans les gaz d’échappement et éventuellement dans l’air (un catalyseur réagit chimiquement sur le trajet des gaz pour réduire la pollution).

NOTE : Pour effectuer 4 temps, le vilebrequin effectue 2 tours.

3. Moteur thermique à 2 temps

En effet, ous trouverez des moteurs à deux temps sur les motos et les tondeuses à gazon, ainsi sur certaines voitures.  Au cours de ce cycle à deux temps, le piston n’effectue qu’un mouvement linéaire à l’intérieur du cylindre. Les gaz dans le moteur passeront par 4 étapes. Pour un moteur 2 temps, ces 4 étapes se font en 1 tour, alors que pour un moteur 4 temps, ces mêmes étapes se font tous les 2 tours. Autrement dit, un moteur à deux temps combine deux étapes pour chaque demi-tour du moteur.

4. Différences entre les moteurs 2 temps et 4 temps

Il est important de noter que le temps de cycle pas à pas n’est pas la seule différence entre un moteur 2 temps et un moteur 4 temps. J’en ai encore plus :

  • Dans un moteur à deux temps, l’huile est mélangée à l’essence puis à l’air. Les moteurs à quatre temps fonctionnent différemment, l’essence et l’huile ne se rencontrent jamais : l’essence se mélange à l’air.
  • Le piston d’un moteur 2 temps fait un tour de vilebrequin, alors que dans un moteur 4 temps le piston fait 2 tours.
  • Les moteurs à deux temps ont des niveaux d’usure plus élevés que les moteurs à quatre temps.
  • Les moteurs à deux temps n’ont pratiquement pas de frein moteur.

VI. Quelles sont donc les principales différences entre un moteur diesel et un moteur essence au niveau du fonctionnement ?

Diesel vs essence

  • Contrairement à l’essence, les moteurs diesel ne nécessitent pas de bougies d’allumage. Le carburant diesel brûle pendant la phase de compression en raison de la chaleur générée par l’air comprimé. Par conséquent, il est nécessaire de pouvoir démarrer à froid plus facilement par la présence des bougies de préchauffage. Car même comprimé, le mélange air/carburant n’atteindra pas nécessairement une température suffisante pour une combustion parfaite (et pourrait donc être sur-refroidi sans bougies de préchauffage).
  • Les moteurs diesel n’ont qu’une injection. Les carburateurs (largement remplacés par l’injection en raison de l’efficacité des moteurs à essence) ne sont présents que sur les unités à essence. Ainsi, les moteurs à essence à injection indirecte ont un mélange gazeux de carburant (vapeur) et d’air arrivant par la soupape d’admission, tandis que les moteurs diesel n’ont que de l’air par la soupape d’admission (le carburant est injecté dans la chambre de combustion par la soupape d’admission) pour une charge directe. Injection, où dans la chambre de précombustion dans le cas de l’injection indirecte). Cependant, les moteurs à essence à injection directe (les plus modernes) fonctionnent comme les diesels : l’air entre par l’admission d’air et le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion).
  • Les moteurs diesel sont plus lourds en raison de leur conception améliorée. Les internes sont plus contraignants que les blocs essence (car il faut créer une forte pression destinée à faire brûler le carburant), c’est pourquoi ils sont plus bruyants et vibrants (pour essayer de corriger cela, la pré-injection se fait par l’injecteur).
  • Les 4 cycles ne se déroulent pas exactement de la même manière pour les deux types de moteurs.

Fondamentalement, un moteur diesel est le même sauf qu’il n’a pas de bougie (allumage par compression) et de papillon des gaz (fonctionne avec un excès d’air, pas besoin de fournir un rapport précis entre le carburant et le comburant).

1. Diagramme théorique 4 temps :

Moteur Diesel

Cycle mixte théorique :

A > B Admission : Le moteur aspire l’air en compression

B > C : Taux de compression de ~9/1 (essence) à ~22/1. La pression à la fin de compression atteint environ 40b et la température environ 700°C (15b et 350°C pour les moteurs à essence).

C Injection de carburant : Le carburant est injecté dans la chambre de combustion. Il s’enflamme spontanément au contact de l’air comprimé réchauffé.

C > D Combustion à volume constant : La première partie de la combustion se produit si rapidement que vous n’avez pas le temps de déplacer le piston.

D > E Combustion à pression constante : la pression est sur le piston. L’augmentation de volume est compensée par la dilatation du gaz.

E > F Expansion : Tant que l’injection se poursuit, l’expansion des gaz de combustion ne compense pas l’augmentation de volume.

F > B > A Echappement

Moteur essence

Cycle mixte théorique :

A > B Admission : Le moteur aspire l’air

B > C Compression : le taux de compression est passé de ~9/1 (essence) à ~22/1. La pression à la fin de compression atteint environ 40b et la température environ 700°C (15b et 350°C pour les moteurs à essence).

C allumage

C > D Combustion à volume constant : La première partie de la combustion se produit si rapidement que vous n’avez pas le temps de déplacer le piston.

E > F Expansion : La combustion se produit tant que l’injection continue. L’expansion du gaz ne peut pas compenser l’augmentation de volume.

F > B > A Échappement.

VII. LES DIFFÉRENTS TYPES DE MOTEUR THERMIQUE:

1. Moteur avec cylindres en ligne

Les moteurs à cylindres en ligne sont le type de moteur automobile les plus fréquents. Il a une seule rangée de cylindres disposés sur un côté du vilebrequin.
C’est le moteur le plus facile à configurer. Peu cher. S’il occupe peu d’espace en largeur du fait de sa configuration en ligne, ce moteur nécessite néanmoins beaucoup d’espace en longueur.
Le principal inconvénient est le déséquilibre causé par la disposition des cylindres en ligne. Un moteur déséquilibré peut provoquer de fortes vibrations qui peuvent être très inconfortables pour le conducteur et les passagers. Pour éviter cela, on utilise un système appelé « arbre d’équilibrage », qui servait de contrepoids.

2. Moteur thermique FLAT (À PLAT)

Les moteurs à cylindres en ligne sont le type de moteur automobile le plus courant. Il comporte une banque de cylindres sur un côté du vilebrequin.

Cette configuration du moteur est très pratique parce qu’elle prend très peu de place en hauteur. De ce fait, le moteur plat peut être très bas sur le châssis. Il en résulte un centre de gravité très bas et ça améliore la maniabilité du véhicule.

De plus, des pistons de part et d’autre du vilebrequin améliorent l’équilibre du moteur, ce qui améliore également l’équilibre du véhicule sur la route.

En revanche, les moteurs à plat sont difficiles à entretenir, surtout s’il faut remplacer les bougies.

3. Moteur thermique V

Les moteurs en configuration « V » ont cette particularité : ils ont une forme en « V ». Ils sont en deux rangées, chacune avec plusieurs cylindres. Pour un V8 ce serait deux bancs de quatre cylindres, pour un V6 deux bancs de 3 cylindres, pour un V12 deux bancs de 6 cylindres, et ainsi de suite… ces cylindres fonctionnant en alternance au-dessus du vilebrequin.

Ce type de moteur a un vilebrequin très court, ce qui le rend relativement léger et réduit les vibrations du véhicule. De plus, le moteur en V délivre un couple élevé dès les bas régimes, ce qui facilite le démarrage et la prise en main des véhicules lourds.

Cependant, c’est un moteur très complexe et relativement coûteux à fabriquer.

4. Moteur thermique W

Les moteurs de type « W » sont les mêmes que ceux-ci-là de type « V » et fonctionnent de la semblable manière. Les cylindres seront en quinconce. Ce type de moteur sont principalement dans l’aviation et dans les voitures haut de gamme.

Les cylindres dont la configuration « W » peuvent être en de deux façons :

  • Double V disposé « adjacent » : 3 rangées de cylindres
  • Disposition « indépendante » du double V : 4 rangées de cylindres.

En effet, Le principal avantage du moteur W est que son vilebrequin est plus court que le moteur V, il peut donc accueillir plus de cylindres dans un petit espace, mais prend plus de place en termes de largeur.

Encore une fois, c’est un moteur très compliqué, notamment au niveau de la culasse. D’où son coût élevé.

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