Le moteur thermique a allumage commande

LE MOTEUR THERMIQUE A ALLUMAGE COMMANDE 

GENERALITES

Historique
Un moteur à allumage commandé, plus communément appelé moteur à essence en raison du type de carburant utilisé, est une famille de moteur à combustion interne, pouvant être à mouvement alternatif (à deux ou quatre temps) ou à mouvement rotatif (Wankel). L’ingénieur belge Étienne Lenoir fabrique en 1860 le premier moteur à allumage commandé. C’est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu’il fabriquera à quelque 400 exemplaires faisant ainsi de lui le premier industriel de cette technique de l’allumage commandé. Le physicien Beau de Rochas théorise en 1862 la thermodynamique des moteurs à quatre temps, mais il faut attendre l’année 1872 pour que l’allemand Nikolaus Otto devienne le premier ingénieur à en concevoir un, commençant ainsi une longue série d’innovations .

Naissance
C’est en 1860, approximativement à la même période en France et en Allemagne, que naît le moteur à combustion interne. Le 24 janvier de cette année, Étienne Lenoir dépose le brevet d’un « système de moteur à air deux temps dilaté par la combustion des gaz enflammés par l’électricité ». En raison de l’absence de compression des gaz préalablement à l’allumage, le moteur Lenoir souffre d’un rendement médiocre. Il faut attendre le 16 janvier 1862 pour que le physicien Alphonse Beau de Rochas théorise le cycle thermodynamique d’un moteur à allumage commandé à quatre temps. C’est sur ce principe que fonctionne l’ensemble des moteurs à essence actuels. Néanmoins, Beau de Rochas est un théoricien et non un praticien, si bien que le premier moteur à allumage commandé, basé sur ce cycle thermodynamique, est mis au point par Nikolaus Otto en 1864. Dans les débuts du moteur à combustion interne à allumage commandé, seule la variation de l’avance à allumage permettait de moduler la puissance du moteur. Bien qu’assez efficace, ce procédé est limité par le phénomène de cliquetis et a l’inconvénient majeur d’une consommation élevée de carburant, quelle que soit la puissance demandée au moteur .

Ce système de régulation a été avantageusement remplacé par un réglage du débit du mélange air/carburant, tout en conservant l’avance à l’allumage variable, au début toujours commandée par le conducteur, puis automatiquement asservie à certains paramètres de fonctionnement du moteur.

Naissance des différentes architectures

En raison des hauts régimes pouvant être atteints, les moteurs deux temps ont, en théorie, un avantage sur les quatre temps. Néanmoins, leur développement stagne jusqu’au début du XXe siècle tandis que les performances des moteurs quatre temps ne cessent de s’accroître. Les applications du moteur deux temps se multiplient alors sur les motocyclettes, ainsi que sur les hors-bords et sur le matériel destiné à l’agriculture, en raison de leur légèreté et de la possibilité de fonctionner dans n’importe quelle position. Les automobiles, quant à elles, sont généralement munies par des quatre cylindres en ligne à quatre temps. Durant près d’un siècle, l’architecture des moteurs va considérablement évoluer. Les quatre cylindres « en V » font leur apparition dans les années 1900 en course automobile, sur des modèles Mors et Ader. Par la suite, le nombre de cylindre ne cessera d’augmenter, de même que les cylindrées et les architectures alternatives.

La place du moteur à allumage commandé (AC) 

La production de moteurs à allumage commandé (AC) est largement majoritaire dans le monde, puisqu’elle représente 85 % du total des moteurs thermiques alternatifs (102 millions d’unités en 2000, sur une production totale de 121 millions). La motorisation diesel étant plutôt réservée aux unités de grande puissance, il est évident que les proportions indiquées deviendraient sensiblement différentes si elles étaient évaluées à partir des kilowatts produits.

Le domaine réservé du moteur AC est la traction automobile, qui représente 46 % de la production mondiale de ce type de moteur (36 % pour les véhicules particuliers, 10 % pour les camions), la proportion atteignant 65 % si l’on inclut les motocyclettes. Le reste est partagé entre les moteurs agricoles (21 %), les moteurs industriels (12 %), les moteurs marins et aéronautiques (statistiques 2000). La grande majorité de ces moteurs sont à cycle 4 temps (> 90 %), les moteurs 2 temps étant cantonnés dans les petites cylindrées (moins de 500 cm3), domaine privilégié des motos et des moteurs hors-bords.

Définition

Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne, principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile, moto, camion, bateau), pour une multitude d’outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène, pompe). Il s’agit de tous les moteurs utilisant comme carburant de l’essence, de l’alcool, voire un gaz (GPL) ou autre, préalablement mélangé à l’air, et dont la combustion doit être déclenchée par une source d’énergie externe (bougie).Ces moteurs transforment l’énergie potentielle chimique stockée dans un carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides, d’où le terme « 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.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Dans le monde des moteurs à combustion interne (moteurs à explosion), il existe deux types :
● le moteur 4 temps
● le moteur 2 temps .

Le moteur 4 temps 

Tout d’abord pourquoi est-ce un moteur 4 temps? Parce qu’un cycle se fait en quatre allez/retours de piston (soit 2 tours complet du vilebrequin). Le cycle se décompose en 4 étapes :
1- Admission
2- Compression
3- Détente/Explosion
4- Echappement .

Cycle théorique
L’évolution des pressions dans la chambre de combustion en fonction du volume du cycle ≪ Beau de Rochas ≫ se représente dans un diagramme (p, v).

Le cycle Beau de Rochas a été conçu pour un moteur tel que l’entrée et la sortie des gaz se fassent par des orifices à soupapes placés à l’extrémité fermée d’un cylindre dont l’autre extrémité est constituée par la tête du piston. Toutefois, il est appliqué dans d’autres configurations de moteur, par exemple le moteur rotatif.

Cycle réel
Etape 1 : L’admission
Durant l’admission, la soupape d’échappement est fermée et la soupape d’admission est ouverte jusqu’à la descente du piston PMB. Le piston descend donc pour créer une dépression, de l’ordre de – 0,1 à – 0,3 bar, permettant d’aspirer le mélange air/essence venant du carburateur .
Etape 2 : La compression
A cette étape, les deux soupapes sont fermées rendant la culasse hermétique. Le piston remonte et comprime le mélange air/essence jusqu’au PMH de l’ordre de 12 à 18 bars. Cette simple compression va élever le mélange carburé à une température de 300°C environ. Si la température s’élève encore de 100°C supplémentaire, le mélange risque de s’enflammer spontanément. C’est ce qu’on appelle l’auto-allumage
Etape 3 : La détente (ou explosion)
Le piston arrivé à son point le plus haut (PMH), une étincelle jaillit entre les électrodes de la bougie provoquant l’inflammation des gaz, en réalité l’étincelle se produit juste un peu avant la position haute du piston (c’est l’avance à l’allumage). Il en résulte une élévation de la pression au environ de 40 bars et de la température poussant alors le piston qui redescend alors vers son point le plus bas (PMB). Lorsque que le piston arrive à ce point, les deux soupapes sont encore fermées .
Etape 4 : L’échappement
La soupape d’échappement s’ouvre et le piston en remontant va pousser devant lui les gaz brûles qui s’échappent par ce seul orifice .

Le moteur 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 .

Etape 1 : Piston montant vers le point le plus haut : Au-dessus du piston, le mélange air/essence est comprimé dans la culasse. Ainsi, on retrouve bien l’étape de compression du moteur 4 temps. Au-dessous du piston, en remontant il se crée une dépression dans le carter moteur. Le piston va alors dégager la lumière d’admission et grâce à la dépression qui règne alors, le mélange air/essence va pouvoir entrer à l’intérieur du moteur. Ceci correspond à l’étape d’admission du moteur 4 temps.

Etape 2 : Piston descendant vers le point le plus bas : Au-dessus du piston, la bougie émet l’étincelle, et provoque l’inflammation du gaz. La pression augmente et le piston est poussé vers le bas. C’est la détente. Arrivé un peu avant le point le plus bas, le piston dégage la lumière d’échappement et les gaz d’échappement vont être poussés par le mélange frais qui arrive par la lumière de transfert qui est découverte peu après la lumière d’échappement. Ce mélange frais arrive d’autant plus vite qu’il se situe audessous du piston et qu’il soit comprimé par la descente du piston. Cette étape est appelé le balayage. Le gaz se retrouve alors au-dessus du piston au moment où celuici remonte. Ainsi, la détente et l’échappement dans un moteur deux temps s’effectuent dans le même temps. Ainsi on voit bien qu’un moteur 2 temps effectue un cycle en effectuant un allez et un retour de piston soit un tour de vilebrequin.

Table des matières

INTRODUCTION
Partie I. LE MOTEUR THERMIQUE A ALLUMAGE COMMANDE
Chapitre I. Généralités
I.1. Historique
I.2. Naissance
I.3. Naissance des différentes architectures
I.4. La place du moteur à allumage commandé (AC)
I.5. Définition
Chapitre II. Principe de fonctionnement
II.1. Le moteur 4 temps
II.1.1. Cycle théorique
II.1.2. Cycle réel
II.2. Le moteur 2 temps
II.2.1. Avantages
II.2.2. Inconvénients
II.2.3. Les différences majeures entre un moteur « 2 temps » et un moteur « 4 temps »
Chapitre III. Les éléments constitutifs du moteur à allumage commande
III.1. Culasse
III.1.1. Cames (Arbre à cames)
III.1.2. Soupape
III.1.3. Poussoir et ressort à cames
III.1.4. Bougie
III.2. Bloc-moteur ou bloc-cylindres
III.2.1. Piston
III.2.2. Bielle
III.2.3. Vilebrequin
III.2.4. Bloc moteur
III.3. Carter et accessoires
Chapitre IV. Les différents circuits
IV.1. Distribution et alimentation
IV.1.1. La carburation
IV.1.2. Injection directe
IV.1.3. Allumage
IV.2. Lubrification et refroidissement
Partie II. ESSAIS PRATIQUES: BILAN ENERGETIQUE, BILAN TECHNOLOGIQUE ET BILAN ECOLOGIQUE
Chapitre I. BILAN ENERGETIQUE
I.1. Essence
I.1.1. Matériels
I.1.1.1. Informations techniques du moteur
I.1.1.2. Information technique de l’essence
I.1.2. Méthodes
I.1.2.1. Les grandeurs énergétiques
I.1.2.2. Les grandeurs thermodynamiques
I.1.3. Déroulement des essais
I.1.4. Résultats pratiques
I.2. Ethanol
I.2.1. Matériels
I.2.1.1. Information technique du moteur
I.2.1.2. Information technique de l’éthanol
Matières premières
Hydrolyse – fermentation
Séparation de l’éthanol
Les indices d’octane
La volatilité
I.2.2. Méthodes
I.2.2.1. Les grandeurs énergétiques
I.2.2.2. Les grandeurs thermodynamiques
I.2.3. Déroulement des essais
I.2.4. Résultats pratiques
I.3. Tableaux comparatifs
I.3.1. Grandeurs physico-chimiques
I.3.2. Grandeurs énergétiques
I.3.3. Grandeurs thermodynamiques
Chapitre II. Bilan technologique
II.1. Adaptation du carburant au moteur
II.1.1. Matériels
II.1.1.1. Information technique du moteur
II.1.1.2. Information technique du carburant
II.1.2. Méthodes
II.1.3. Déroulement des essais
II.1.4. Résultats
II.1.4.1. SP95E15
II.1.4.2. SP95E20
II.1.4.3. SP95E25
II.1.4.4. SP95E30
II.1.4.5. SP95E30 corrigé
II.1.4.6. SP95E35 corrigé
Chapitre III. Bilan ecologique
III.1. Essence
III.1.1. Matériels
III.1.1.1. Information technique du moteur
III.1.1.2. Information technique du carburant
III.1.1.3. Information technique de l’analyseur de gaz
III.1.2. Méthodes et déroulements des essais
III.1.3. Résultats
III.2. Ethanol
III.2.1. Matériels
III.2.1.1. Information technique du moteur
III.2.1.2. Information technique du carburant
III.2.1.3. Information technique de l’analyseur de gaz
III.2.2. Méthodes et déroulements des essais
III.2.3. Résultats
III.2.3.1. SP95E15
III.2.3.2. SP95E20
III.2.3.3. SP95E25
III.2.3.4. SP95E30 corrigé
III.2.4. Tableaux comparatifs
Partie III. DISCUSSIONS ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS
CONCLUSION

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