Equilibrage de moteur à quatre cylindres en ligne

Les moteurs à combustion interne

Le moteur thermique à combustion interne

On retrouvera, dans tous les moteurs thermiques à combustion interne, qu’ils soient à essence ou à gas-oil les mêmes opérations nécessaires au fonctionnement du moteur et les mêmes définitions de certains termes.
Principe de fonctionnement:
Le carburant pulvérisé très finement et mélangé à l’air forme un mélange combustible qui est introduit dans le cylindre.
Cette introduction correspond à l’opération d’admission.
A ce stade de l’introduction dans le cylindre, le mélange gazeux est à faible pression. Si on l’enflammait à ce moment, il ne pourrait fournir qu’un travail insuffisant, il faut au préalable le comprimer : c’est l’opération de compression.
Puis, le mélange enflammé se détend en fournissant l’effort moteur transformé en mouvement de rotation sur l’arbre moteur grâce au mécanisme bielle-manivelle.
Enfin, il faut que les gaz brûlés soient évacués avant qu’un nouveau mélange frais soit admis dans le cylindre : c’est l’opération d’échappement. Puis, ces opérations se répètent dans le même ordre pour constituer le cycle moteur

Comparaison entre le moteur Diesel et le moteur à explosion

Le moteur diesel se différencie du moteur à explosion par plusieurs points.
Dans le moteur à explosion, le mélange air-essence est formé dans le carburateur à l’extérieur du cylindre. Par contre, dans le moteur Diesel, il se fait dans le cylindre, l’air étant aspiré et le combustible injecté ensuite, à l’aide d’un « injecteur » alimenté par une « pompe d’injection » qui lui communique une pression supérieure à celle régnant dans le cylindre en fin de compression pour permettre son introduction.
Dans le moteur à explosion on essaie d’augmenter le taux de compression mais on est limité par le phénomène « d’auto-allumage ». Dans le moteur Diesel, seul l’air est aspiré et on peut le comprimer sans inconvénient pour atteindre des pressions et des températures très élevées.
Le taux de compression est plus élevé dans le moteur diesel que dans le moteur à explosion, ce qui permet d’obtenir un rendement de l’ordre de 35 % alors que le rendement d’un moteur à explosion ne dépasse pas 25 %.
C’est au contact de cet air comprimé que le combustible alors injecté s’enflamme. Comparativement au moteur à explosion, le moteur Diesel ne possède ni carburateur, ni système d’allumage, mais chaque cylindre a un système d’alimentation propre qui comprend : un injecteur et un élément de la pompe d’injection.

Système générale du moteur

Système d’allumage

Tous les moteurs sont munis d’un dispositif pour enflammer le carburant dans les cylindres.
Par exemple, le système d’allumage des moteurs à allumage commandé, possède une source électrique à basse tension et de courant continu, connecté au circuit primaire d’un transformateur appelé bobine d’allumage. Le courant est interrompu plusieurs fois par seconde par un interrupteur automatique, la minuterie. Les impulsions de courant dans le circuit primaire induisent un courant pulsé à haute tension dans le circuit secondaire. Ce courant à haute tension est transporté vers chaque cylindre par un commutateur rotatif, le distributeur.
Le dispositif d’allumage est la bougie, fixée sur la partie supérieure, ou culasse, de chaque cylindre. La bougie est essentiellement constituée de deux électrodes entre lesquelles le passage du courant à haute tension produit un arc électrique, fournissant ainsi l’étincelle qui enflamme le mélange combustible dans le cylindre.

Système d’alimentation et de carburation

Dans un moteur à combustion interne, le système d’alimentation en carburant est constitué d’un réservoir, d’une pompe et d’un appareil à vaporiser ou à atomiser le carburant liquide.
Dans les moteurs à allumage commandé, cet appareil est un carburateur. Dans la plupart des moteurs multicylindres, le carburant vaporisé est amené jusqu’aux cylindres par un tuyau ramifié, le conduit d’admission. Dans de nombreux moteurs, un tuyau similaire évacue les gaz produits par la combustion, vers l’extérieur. Le carburant est admis dans chaque cylindre et les gaz d’échappement sont évacués par des soupapes à clapet ou des lumières actionnées mécaniquement. Les soupapes sont maintenues fermées par des ressorts. Elles sont ouvertes au moment approprié du cycle moteur par les cames d’un arbre entraîné en rotation par le vilebrequin. À partir des années 1980, des systèmes à injection plus perfectionnés, également utilisés dans les moteurs Diesel, ont largement supplanté les dispositifs traditionnels d’alimentation en mélange d’air et de carburant ; ces systèmes contrôlés électroniquement réduisent la consommation en carburant et la pollution.

Système de refroidissement

En raison de la chaleur dégagée par la combustion, tous les moteurs sont équipés d’un système de refroidissement. Certains moteurs d’avions, d’automobiles et de bateaux sont refroidis par l’air. Dans ce système, la surface extérieure du cylindre est divisée en une série d’ailettes de refroidissement ayant une importante surface métallique, ce qui permet de diffuser la chaleur du cylindre. D’autres moteurs sont refroidis par l’eau, et leurs cylindres sont enfermés dans une chemise externe remplie d’eau. Dans les automobiles, une pompe fait circuler l’eau dans la chemise. Le refroidissement est assuré par le passage de l’eau dans les tubulures d’un radiateur.

Système de graissage

Le système de graissage est destiné à protéger les pièces en mouvement de l’usure et de diminuer les frottements qui sont à l’organe de l’usure.
Ce système assure la formation des films de lubrifiant entre les surfaces de la pièce en mouvement (segment, cylindre, paliers et tourillons de vilebrequin, …, etc.
Le procédé de graissage est déterminé d’après la position et le mouvement des pièces. On distingue trois types de graissage dans le moteur diesel qui sont graissage sous pression, par barbotage et par écoulement.

Cycle à quatre temps de moteur Diesel

Cycle théorique

1erTemps : Admission (SA ouverte ; SE fermée)
Le piston est au PMH et va se déplacer vers PMB aspirant de l’air frais pour remplir le cylindre ; c’est la course d’aspiration qui dure depuis le PMH jusqu’au PMB soit ½ tour de vilebrequin qui est égale à 180°. Cette évolution a lieu à la pression atmosphérique (1,01325bars).
2ème Temps : Compression : (SA fermée ; SE fermée)
Le piston se déplaçant de PMB vers PMH comprime l’air frais qui se trouve emprisonné dans le cylindre à une pression de l’ordre de 35 à 40 bars ce qui le porte à une température voisine de 500 à 600°c.
3ème Temps : – Injection – Combustion – Détente (SA fermée ; SE fermée)
Le piston est au PMH, l’air comprimé puis porté à haute température, on injecte de gasoil finement pulvérisé dans la chambre de combustion. La pression d’injection doit être supérieure à la pression régnant alors dans le cylindre pour permettre l’introduction de combustible.
La pression varie suivant le type de moteur qui est entre 80 et 250 bars et même plus dans certains moteurs Diesel marins. L’injection est progressive et dure 15/100 environ de la course du piston soit 25° à 30° de rotation de vilebrequin.
Au contact de l’air comprimé à température élevée, le combustible s’enflamme de lui même.
La température d’inflammation du gas-oil étant voisine de 300°c, donc inférieure à celle de l’air contenu dans le cylindre.
4ème Temps : Echappement (SA fermée ; SE ouverte)
La soupape d’échappement s’ouvre, il s’ensuit une retombée instantanée de pression ensuite les gaz brûlés sont chassés par le piston qui remonte vers le PMH. La température est tombée à 500°c environ, la soupape d’admission s’ouvre et le cycle recommence.

Cycle réel 

En pratique le cycle réel présente les quatre distinctions suivantes par rapport au cycle Idéal
Avance ouverte admission (AOA) :
Pour permettre une meilleure évacuation des gaz brûlés, on donne de l’avance à l’ouverture de la soupape d’admission, de façon à ce que l’air aspiré dans le cylindre chasse les gaz brûlés.
Retard fermeture admission (RFA) :
On donne de retard à la soupape d’admission pour obtenir un meilleur remplissage de cylindre en air frais. En effet, l’air ayant acquis une certaine vitesse durant la course descendante du piston, continue de pénétrer dans le cylindre pendant le temps mort du piston quand il est au PMB.
Avance ouverture échappement (AOE) :
A la fin de cycle de détente, il est bon d’avoir de l’avance à l’ouverture de la soupape d’échappement pour permettre une meilleure évacuation des gaz brûlés.
Retard fermeture échappement (RFE) :
Nous remarquons que ce retard correspond à peu près à l’avance à l’ouverture de la soupape d’admission. En effet, les gaz frais pénétrant dans le cylindre chassent les gaz brûlés.
La comparaison avec le digramme théorique fait ressortir un certain nombre de différences provenant de l’énergie de l’air qui diminue le remplissage, du délai d’allumage et des contrepressions à l’échappement.
On a donc été ramené, sur le moteur diesel, à opérer comme sur le moteur à explosion un réglage de la distribution (AOA- RFA- AOE- RFE et AA).
L’aspiration et l’échappement ne s’effectuent pas à la pression atmosphérique en raison des pertes de charge.
La compression et la détente ne sont pas adiabatiques mais poly tropiques.
La combustion n’est pas instantanée, ne commence pas au début du è temps pour remédier à cet état de choses on réalise une avance à l’injection AI.

Principe de fonctionnement du moteur diesel

Le fonctionnement d’un moteur à combustion interne se décompose en étapes élémentaires plus connues sous le nom de temps moteur. Un temps moteur correspond à un trajet du PMH vers le PMB, ou inversement (soit un demi tour de vilebrequin). La succession de ces temps est équivalente au cycle moteur, c’est-à-dire à la période de fonctionnement du moteur. On distingue deux types de moteurs, les moteurs deux temps (le cycle complet s’étend sur un tour de vilebrequin) et les moteurs dont la période correspond à quatre temps (deux tours de vilebrequin). Le cadre de l’étude se limite à l’étude du moteur Diesel fonctionnant conformément au cycle à quatre temps .
Le premier temps (A) : C’est une phase d’admission d’air pur (constitué essentiellement d’azote et d’oxygène qui est le comburant). Ainsi, lors de la descente du piston, qui crée une dépression dans la chambre de combustion, l’air est aspiré et entre via l’orifice laissé ouvert par la soupape d’admission.
Le deuxième temps (B) : C’est une phase de compression. Lors de la remontée du piston, les soupapes étant fermées, la chambre de combustion est complètement hermétique. Ce qui entraîne une augmentation de température (jusqu’à 800 °C).
Le troisième temps (C) : L’injection de gazole (qui est le combustible) entraîne une Combustion qui dégage une grande quantité d’énergie et permet de repousser le piston. Les deux soupapes sont toujours fermées.
Le quatrième temps (D) : Il est appelé échappement. Le piston remonte, la soupape d’échappement s’ouvre et permet l’évacuation des gaz résultant de la combustion et des imbrûlés.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Les moteurs à combustion interne
Introduction
1.1. Définition d’un Moteur à Combustion Interne
1.2. Historique
1.2.1. Historique du moteur diesel
1.2.2. Historique du moteur à allumage commandé « moteur à essence »
1.3. Structure du moteur
1.3.1. Organes fixes
1.3.1.1. Bloc –moteur
1.3.1.2. Chemise de cylindre
1.3.1.3. Culasse
1.3.1.4. Joints de culasse
1.3.1.5. Carter
1.3.1.6. Cache culbuteur
1.3.2. Organes mobiles
1.3.2.1. Culbuteurs
1.3.2.2. Soupapes
1.3.2.3. Piston
1.3.2.4. Bielle
1.4.2.5. Vilebrequin
1.3.2.6. Volant moteur
1.3.2.7. Arbre à cames
1.3.2.8. Courroie de distribution
1.3.2.9. Injecteurs
1.4. Généralités
1.4.1. Le moteur thermique à combustion interne
1.4.2. Principe de fonctionnement
1.4.3. Comparaison entre le moteur Diesel et le moteur à explosion
1.5. Système générale du moteur
1.5.1. Système d’allumage
1.5.2. Système d’alimentation et de carburation
1.5.3. Système de refroidissement
1.5.4. Système de graissage
1.6. Classification des moteurs à combustion interne
1.6.1. Selon le type d’allumage
1.6.2. Selon le nombre de temps (nombre de tours pour faire un cycle complet)
1.6.2.1. 4 temps (2 tours/cycle)
1.6.2.2. 2 temps (1 tour/cycle)
1.6.3. Selon le type d’injection
1.6.3.1. Injection directe
1.6.3.2. Injection indirecte
Conclusion
Chapitre 2 : Généralité sur le moteur diesel
Introduction
2.1. Définition du moteur diesel
2.2. Cycle à quatre temps de moteur Diesel
2.2.1. Cycle théorique
2.2.2. Cycle réel
2-3-3 L’ordre d’injection
2.3. Avantages et inconvénients du moteur diesel
2.4. Principe de fonctionnement du moteur diesel
2.5. Caractéristique du moteur diesel
2.5.1. Alésage et course
2.5.2. La cylindrée
2.5.3. Rapport volumétrique
2.6. Système d’injection du moteur diesel
2.6.1. Avantages du système d’injection
2.7. Etude d’équilibrage du moteur à quatre temps
2.7.1. Le mécanisme bielle-manivelle
2.7.2. Equilibrage des effets d’inertie
2.7.3. L’équilibrage du vilebrequin
2.7.4. Les ordres de fonctionnement du moteur à 4 cylindres
2.7.5. Equilibrage externe d’un moteur
2.7.5.1. Pose de contrepoids sur des volants situés à chaque extrémité du vilebrequin
Conclusion
Chapitre 3 : Etude cinématique et dynamique de bielle
3.1. Généralités
3.2. La bielle
3.2.1. Mode de bris de la bielle
3.2.2. Matériaux
3.2.3. Conception
3.2.4. Effet sur la puissance
3.3. Etude Cinématique de bielle
3.3.1 .Fonction de déplacement du piston X= f(α)
3.3.2. Fonction de Vitesse du piston V = f(α)
3.3.4. Mouvement pendulaire (bielle)
3.4. Etude Dynamique
3.4.1. Forces exercés sur le système bielle-manivelle
3.4.2. Les efforts agissant sur l’axe du piston
3.4.2.1. Forces engendrées par les gaz
3.4.2.2. Force résultant appliqué à l’axe de piston
3.4.2.3. Forces centrifuge
3.4.3. Analyse des forces
3.4.3.1. Effort latéral
3.4.3.2. Effort tangentiel
3.4.3.3. Effort radial
3.4.4. Les forces appliquées au palier du maneton
3.4.5. Effort exercé sur le vilebrequin
3.5. Les tableaux des résultats et tracé des courbes (5-6-7-8)
3.5.1. Trace de la courbe
3.5.1.1. La courbe de pression en fonction du volume
3.5.1.2. La courbe de pression en fonction de l’angle de vilebrequin
3.6. La courbe du couple moteur en fonction de l’angle de vilebrequin
3.7. La courbe du l’effort tangentiel en fonction de l’angle α
Conclusion
Chapitre 4 : Etude dynamique de la manivelle
4.1. Généralités
4.2. La manivelle
4.2.1. Les contraintes subies par le vilebrequin
4.2.2. Les quantité que doit posséder un vilebrequin
4.2.3. Déformation d’un coudé de vilebrequin
4.3. Étude des efforts provoqués par la combustion sur le vilebrequin
4.3.1. Efforts causés par la pression des gaz de combustion sur le vilebrequin
4.3.2. Efforts au sein d’une manivelle
Conclusion
Chapitre 5 : Equilibrage de moteur à quatre cylindres en ligne
Introduction
5.1. Equilibrage du moteur
5.1.1. Equilibrage des pistons et des bielles
5.1.2. Equilibrage du vilebrequin
5.1.3. Effet de la configuration d’un moteur sur l’équilibrage
5.1.4. Arbre d’équilibrage
5.1.5. Volant d’inertie balancé harmonique
5.2. Equilibrage de moteur 4 cylindre en ligne 4 temps
5.2.1. Equilibrage des forces et moments d’inertie
5.2.1.1. Equilibrage des forces et moments d’inertie du 1er ordre
5.2.1.2. Equilibrage des forces et moments d’inertie du 2éme ordre
5.2.2. Equilibrage des forces et moments centrifuge
Conclusion
Chapitre 6 :Vibration de torsion libre
6.1. Généralités
6.2. Etude des vibrations provoqués sur le vilebrequin
6.2.1. Vibrations axiales
6.2.2. Vibrations de torsion
6.3. Modèles dynamiques
6.3.1. Calcul pour un cylindre
6.3.2. Calcul moment d’inertie de la manivelle
6.4. Moment d’inertie du volant moteur
6.5. Détermination de l’élasticité du vilebrequin
6.6. Détermination des fréquences propres
6.6.1. Système à n degrés de liberté
Conclusion
Chapitre 7 : Vibration de torsion forcée
7.1. Généralités
7.2. Etude théorique
7.2.1. Travail des moments d’excitation dans le régime de résonance.
7.2.2. Travail des forces de dissipation dans le vilebrequin du moteur diesel dans le cas de résonance
7.2.3. Contraintes dynamiques dans le vilebrequin aux vibrations de torsion
7.2.4. Procédure de calcul
7.2.5. Organigramme
Conclusion
Conclusion générale

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