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Mis en ligne le 18/08/10

La technique par Olivier - le moteur

Article rédigé par Olivier Garde. Visualisé 3333 fois.

le moteur

L'idée de pouvoir se déplacer sur terre sans intervention humaine ou animale ne date pas d'hier. Sans l'invention du moteur, l'automobile serait restée hippomobile ou aurait pu devenir, tout simplement, immobile…

Les premiers moteurs utilisaient la force expansive de la vapeur - découverte par le français Denis Papin (1) - mais, à terme, l'emploi de la vapeur était condamné, par suite du faible rendement face à celui du moteur à combustion interne.

Le cycle à 4 temps

C'est en 1862, à l'âge de 68 ans, que le français Alphonse Beau de Rochas (2) décrivit en détail le cycle de fonctionnement dit à quatre temps, d'utilisation quasi universelle de nos jours.

  • Admission : la soupape d'admission s'ouvre et le piston descend, aspirant ainsi le mélange d'air et d'essence .
  • Compression : la soupape d'admission vient de se refermer et le piston remonte, comprimant le mélange précédemment aspiré.
  • Explosion - détente : l'étincelle jaillit à la bougie et enflamme le mélange. Les gaz produits refoulent le piston vers le bas du cylindre, ce qui fait tourner le vilebrequin.
  • Échappement : la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte, chassant les gaz brûlés à l'extérieur du cylindre. La pollution augmente, le trou dans la couche d'ozone s'agrandit, la planète se réchauffe, la calotte glaciaire fond et le niveau des océans monte, mais tout cela n'est pas si grave puisque le carburant est composé à 20% d'essence et 80% de taxes qui, elles, ne brûlent pas. Un rapide calcul permet donc de voir qu'un moteur polluerait cinq fois plus si ces $ :(  * $ de taxes n'existaient pas !

Ces quatre temps représentent deux tours complets de vilebrequin. Sur ces deux tours, un demi-tour seulement génère de l'énergie, on a donc multiplié le nombre de cylindres pour améliorer la régularité de fonctionnement.

Si le moteur n'a pas fondamentalement changé depuis un siècle, ses performances ont décuplé ; autrefois, avec la cylindrée d'un camion, on obtenait la puissance d'un scooter.

Le moteur se compose d'un assemblage de pièces qui ont chacune un rôle bien défini :

Le bloc cylindres

Le bloc cylindres est, pour le moteur, l'équivalent de la carapace chez certains animaux ; il permet de fixer ou de « ranger » toutes les autres pièces et assure la rigidité de l'ensemble. Il doit résister à la pression des gaz, guider le ou les pistons directement ou indirectement par l'intermédiaire de chemises, supporter les organes de distribution, évacuer la chaleur grâce à la conductibilité des parois et éventuellement, contenir le liquide de refroidissement.

La disposition des cylindres

  • Les moteurs en ligne : Les axes de cylindres sont verticaux et situés dans le même plan. C'est le montage le plus courant car le bloc cylindres conserve une forme simple , mais cette disposition est encombrante en hauteur et le devient en longueur au fur et à mesure que l'on rajoute des cylindres. La tendance des constructeurs à adopter des capots de plus en plus plongeants les obligea à incliner les moteurs, comme par exemple sur les 404 et les 504 (fig. 1) où il est incliné à 45°, et sur les 104 où le moteur pivote d'un quart de tour pour devenir transversal et, est incliné à 72° vers l'arrière, ce qui laisse suffisamment de place pour loger, en dessous la boîte de vitesses et le pont, et au dessus la roue de secours. Le fait d'incliner le moteur permet aussi d'abaisser le centre de gravité.
  • Les moteurs en V : Les cylindres sont répartis en deux rangées, ce qui permet presque de diviser par deux la longueur du moteur pour un même nombre de cylindres et, par la même occasion, réduit un peu la hauteur. Cette disposition est généralement adoptée pour les moteurs ayant au moins six cylindres et l'angle d'ouverture du V est le plus souvent de 60° ou de 90°, mais il existe des exceptions. Lancia conçut des moteurs dont l'angle d'ouverture pouvait n'être que de 13° et qui, en aucun cas ne dépassait 24°. En 1922, le premier 2,1 litres 4 cylindres de la Lancia Lambda (fig.2) ne mesurait que 39,4 cm de long. Plus récemment, Volkswagen a étudié et produit le VR6 et même le VR5 qui a la particularité d'être un moteur en V avec un nombre impair de cylindres. Tous ces moteurs à angle d'ouverture très réduit peuvent presque être considérés comme des moteurs en ligne car ils ne possèdent qu'une seule culasse. À l'inverse, dans les années 30, Cadillac conçut un moteur V16 à 135° d'une cylindrée de 7,4 litres !!! et développant la puissance de 165 chevaux.
  • Les moteurs à plat : Dans le but de réduire simultanément la longueur et la hauteur du moteur, et pour faciliter le refroidissement en écartant le plus possible les cylindres, on a imaginé de les placer horizontalement et opposés deux à deux ; on obtient ainsi un moteur en V à 180° appelé aussi moteur « boxer ». Ce type de moteur est monté, entre autres, sur certaines Alfa Romeo, les Panhard, la 2CV (fig.3) et ses dérivés, la GS et à même failli équiper la DS en 1955. C'est aussi un moteur ayant cette architecture qui équipe, à l'arrière, la plupart des Porsche, la Chevrolet Corvair et la célèbre Tucker. En plus d'avoir une régularité de fonctionnement exceptionnelle et l'avantage d'abaisser le centre de gravité de la voiture, ce moteur se prête particulièrement bien à la technique du refroidissement par air, ce qui permet de gagner en simplicité et en poids.
  • Les autres moteurs : La Suzuki RG 500 (3), une moto de grands prix, était équipée d'un 4 cylindres en carré qui possédait deux vilebrequins côte à côte et deux rangées de deux cylindres. La firme Anzani a produit des moteurs en W qui ressemblaient à un moteur en V auquel on aurait rajouté un troisième cylindre au milieu des deux autres ; un de ces moteurs équipait un avion piloté par un certain Louis Blériot. Un moteur Napier-Lion à 12 cylindres en W de 600 chevaux pour 24 litres de cylindrée animait une voiture de course Napier-Railton en 1933. Certains avions, des motos comme la Mégola ou la Millet, et même des voitures comme celle qui était exposée dans la salle des moteurs au musée de Mougins ont reçu des moteurs en étoile où les cylindres sont disposés radialement autour d'un vilebrequin à un seul maneton (dans le cas d'une simple étoile), mais il a aussi existé des moteurs en étoile accouplées entre eux ayant jusqu'à 36 cylindres dans le cas d'un 9 cylindres en quadruple étoile. On a aussi construit, vers le début du XXe siècle, des moteurs en étoile dont les cylindres tournaient autour du vilebrequin, qui lui, était fixe ; on appelait alors ces derniers des moteurs rotatifs, qu'il ne faut pas confondre avec les moteurs Wankel apparus bien plus tard.

Le piston

Le piston n'a pas une situation enviable ; il subit des contraintes physiques et thermiques très importantes. Au moment de l'explosion du mélange, une poussée de deux à trois tonnes s'exerce sur la tête du piston. Cette poussée varie en fonction de l'alésage et de la compression. Au même instant, la température dans la chambre de combustion s'élève à 600 ou 700° entraînant une dilatation de la tête du piston bien supérieure à celle de la jupe (le bas du piston, of course), de plus, il ne dispose que de deux aller-retours pour se rafraîchir grâce à l'air du carter inférieur et au contact des parois du cylindre, que la circulation d'eau ou d'air maintient entre 80 et 120°. Il faut aussi remarquer que ces aller-retours sont parcourus à une allure soutenue, variable en fonction de la course et du régime moteur. Dans les cas extrêmes, cette vitesse peut atteindre 18 m/s, soit une moyenne de 65 km/h sur une distance de 5 à 10 centimètres ! De plus, le piston doit être le plus léger possible, car un excès de poids entraîne des vibrations et interdit les hauts régimes. C'était le cas des pistons d'antan, réalisés en fonte, lourds, lents et évacuant mal la chaleur. Depuis 1913 (licence Mercedes) et 1920 (licence Rolls) les pistons sont réalisés en alliage d'alu et notamment en alpax (alu, cuivre, silicium). Un peu avant le début des années 80, Honda a déposé un brevet et a engagé en grand prix moto 500 cm3 (pour la première fois à Silverstone le 19 août 79) une sorte de monstre du Loch Ness qui reste encore un peu mystérieux de nos jours. Son moteur n'était pas un 4 cylindres à proprement parler car les pistons n'étaient pas cylindriques mais ovales, ce qui permettait de loger 8 soupapes et 2 bougies dans chaque chambre de combustion. La figure 4 donne une idée de ce à quoi pourrait ressembler un haut moteur de NR 500.

Les segments

Le piston doit assurer l'étanchéité de la chambre de combustion, mais ce rôle est dévolu spécialement aux segments qu'il porte dans des gorges. Il y a généralement deux ou trois segments d'étanchéité, dont un segment de feu au plus haut, puis un segment racleur placé dans la gorge inférieure du piston. Le segment racleur a pour but de renvoyer au carter l'huile de graissage du cylindre. Dans un moteur usagé, le segment racleur est peu efficace et l'huile arrive en grande quantité aux autres segments où le passage est facilité par les mouvements du piston.

La bielle

C'est un petit animal qui, comme la chauve-souris, vit avec la tête en bas, mais qui se reconnaît facilement car la bielle a un chapeau, tout comme le champignon, tandis que la chauve-souris, elle, n'en a pas. Le pied de bielle est relié au piston par l'intermédiaire d'un axe, tandis que la tête vient se fixer sur le vilebrequin. Sans la bielle, le piston ne servirait à rien car c'est elle qui transmet les efforts du piston au vilebrequin. Si les deux articulations subissent sensiblement les mêmes efforts, les surfaces de contact travaillent à des vitesses différentes, l'articulation du piston ne dépassant pas 30°, alors que l'articulation au niveau du vilebrequin se fait sur 360° ; le degré d'usure et les chances de grippage peuvent être rendues identiques en choisissant, à largeur de portée égale, un diamètre de tête supérieur à celui du pied. Sur les moteurs en V, les cylindres du même V ont leurs bielles articulées sur le même maneton, ce qui peut entraîner plusieurs dispositions :

  • Les deux têtes de bielles sont placées côte à côte sur le même maneton et les deux moitiés du V sont légèrement décalées (montage le plus courant).
  • Une bielle est articulée sur le maneton à l'aide d'une tête en forme de fourche, l'autre, appelée biellette, est articulée concentriquement au milieu de la fourche de la première.
  • Une des deux bielles, appelée bielle maîtresse, est articulée sur le maneton et porte une patte sur laquelle vient s'articuler la biellette. On diminue ainsi les surfaces de frottement, mais les deux pistons n'ont pas le même diagramme d'espace en fonction du temps.

Le vilebrequin

Par un habile tour de magie, il transforme le mouvement linéaire et alternatif du piston en un mouvement rotatif permettant de transmettre l'énergie mécanique au volant moteur puis à toute la transmission. C'est aussi le vilebrequin qui entraîne l'arbre à cames.

La culasse

Elle a plusieurs rôles dont le plus important est d'obturer le cylindre et de constituer la chambre de combustion, c'est-à-dire l'espace correspondant au volume qui reste quand le piston est au point mort haut ; elle reçoit aussi la ou les bougies et dans les moteurs à soupapes en tête, elle porte les orifices d'entrée et de sortie des gaz ainsi que les organes de distribution, enfin, elle évacue la chaleur dégagée par la combustion des gaz. Les matériaux qui conviennent le mieux sont la fonte et l'aluminium car tous deux se prêtent bien au moulage, mais on préfère toutefois l'aluminium qui possède une meilleure conductibilité thermique, évitant une élévation de la température (en particulier du siège de la soupape d'échappement) qui risquerait de provoquer l'auto-allumage.

La distribution

Le moteur thermique, à l'égal des organismes vivants, respire : il absorbe de l'oxygène lié à une matière inerte (l'azote), transforme ce mélange en énergie puis rejette du gaz carbonique. Ces opérations doivent commencer et se terminer à des instants du cycle rigoureusement déterminés. Pour ce faire on a eu recours à plusieurs solutions :

  • Les soupapes automatiques : au début du siècle, la soupape d'admission s'ouvrait grâce à la dépression créée par la descente du piston ; seule la soupape d'échappement (latérale) était commandée par l'arbre à cames, ce qui rendait impossibles les hauts régimes.
  • Les soupapes latérales : l'arbre à cames est logé dans le bloc cylindres et les soupapes, directement attaquées par ce dernier, sont placées au dessus. Les soupapes ne débouchant pas directement dans le cylindre, au dessus du piston, ne permettaient pas d'obtenir un rendement extraordinaire.
  • Les chemises coulissantes : dans les années 20, on a tenté de remplacer les soupapes par des fourreaux coulissants (licence Knight) : deux chemises cylindriques reliées par des biellettes à un arbre à excentriques enserrent le cylindre et découvrent alternativement les lumières d'admission ou d'échappement. Cette solution est demeurée très coûteuse et les problèmes de lubrification des fourreaux n'ont jamais trouvé de solution satisfaisante.
  • Les soupapes en tête : cette fois-ci les soupapes sont enfin arrivées dans la culasse, mais au début l'arbre à cames est resté bien sagement dans le bloc cylindres et commandait les soupapes par l'intermédiaire de tiges et de culbuteurs permettant d'inverser le sens du mouvement transmis par la tige. Petit à petit, l'arbre à cames est remonté dans le bloc, permettant de raccourcir les tiges de culbuteurs, donc, de diminuer l'inertie. Afin de réduire le nombre de pièces en mouvement, on s'est décidé à installer l'arbre à cames dans la culasse, on gardait ainsi les avantages des soupapes en tête tout en ayant une commande aussi directe qu'avec les soupapes latérales, la seule grosse différence était la distance séparant le vilebrequin de l'arbre à cames. Ce dernier étant trop éloigné pour être commandé par un engrenage ou une cascade de pignons, on avait le choix entre plusieurs solutions pour entraîner ce dernier : une chaîne, une courroie crantée, ou deux couples d'engrenages coniques reliés par un arbre parallèle à l'axe des cylindres.

À la pointe de la technique

Les derniers perfectionnements en matière de commande de soupapes sont les arbres à cames à calage variable, ce qui permet d'améliorer le remplissage des cylindres quelque soit le régime de rotation du moteur : l'inertie des gaz étant toujours la même, il est préférable de faire ouvrir la soupape d'admission plus tôt lorsque le moteur tourne vite. Les ingénieurs travaillent à présent sur la commande de distribution électronique ce qui permettrait de commander les soupapes en fonction du régime moteur, de la charge (accélération plus ou moins importante) ,ou de bien d'autres paramètres tels que la température moteur, ce qui permettrait d'améliorer encore le rendement et de diminuer la pollution. Il paraît que ce moteur marche déjà.

Calcul de cylindrée

Pour remplir la page jusqu'en bas et pour les petits curieux qui voudraient vérifier l'exactitude des renseignements inscrits sur le manuel d'entretien de leur voiture, la formule du calcul de la cylindrée d'un moteur est la suivante :

V = (π × A2 × C × N) / 4

A étant l'alésage et C la course, tous deux en centimètres,
V correspond à la cylindrée totale et N est le nombre de cylindres

Si le moteur est un 4 cylindres, la formule se résume donc à :

V = π × A2 × C

Exemple : un moteur 4 cylindres de 75 mm d'alésage et de 73 mm de course aura une cylindrée de : 3,14 × 7,5 × 7,5 × 7,3 = 1289,3625 cm3, soit environ 1290 cm3.

NdlR : cela ressemble furieusement aux caractéristiques d'un moteur de 203.

Galerie

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1 - moteur 4 cylindres 2 Litres injection (coupé Peugeot 504)
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2 - Lancia Lambda 3e série (1924)
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3 - Citroën 2CV
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4 - aperçu des pistons de la Honda NR 500
 

Complément d'informations...

 
 
 
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Mise à jour : 10/06/2015
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