Moteur à explosion
Généralités
Dans la famille des moteurs à combustion
interne les moteurs à explosion sont principalement utilisés
pour la propulsion des véhicules de transport (automobiles, motos, camions,
bateaus).
Moteur 4 temps essence ou gaz
Ce moteur est constitué d'un ou plusieurs pistons coulissant dans des cylindres fermés par une culasse munie de
soupapes, reliant le cylindre au collecteur d'admission et d'échappement.
- Son cycle se décompose en quatre temps, pour chaque cylindre :
- admission d'un mélange air/essence présent dans le collecteur d'admission : ouverture de la soupape
d'admission et descente du piston.
- compression du mélange : fermeture de la soupape
d'admission et remontée du piston.
- allumage, combustion : peu avant le point mort haut on alimente la bougie avec une source
d'électricité à haute tension. La combustion rapide qui s'ensuit
constitue le temps moteur, en repoussant le piston.
- échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés
dans l'échappement.
Moteur diesel 4 temps
Le cycle diesel a été conçu par Rudolf Diesel au
début des années 1900. Ce type de moteur avec un taux de compression élevé a vu une
expansion rapide en automobile à partir de 1990.
Principe de base
- Le principe de base est l'autocombustion d'un mélange air/gazole comprimé dans 1/20 du volume du cylindre à environ 65 bars, ce qui le
porte à 450 °C. Le mélange s'enflamme presque immédiatement. En brûlant il libère de la chaleur augmentant fortement la
température et la pression, ce qui repousse le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (axe
moteur).
- Comme le moteur à explosion à essence, le moteur diesel est constitué de pistons
coulissant dans des cylindres fermés par une culasse munie de soupapes, reliant le cylindre au collecteur d'admission et
d'échappement.
- Le cycle diesel à quatre temps comporte :
- admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la
descente du piston.
- compression de l'air, la soupape d'admission étant fermée, grâce à la remontée du piston.
- injection, combustion : peu avant le point mort haut on
introduit, par un injecteur, le carburant dans l'air comprimé de la chambre. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, en
repoussant le piston.
- échappement des gaz brûlés par ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston.
Avantages et évolutions
- Les raisons de son succès, en plus d'avantages fiscaux qui relèvent de
la politique et non de la technique, tiennent essentiellement à son rendement bien meilleur que celui du moteur à essence. Ce
rendement peut être encore amélioré par l'utilisation d'un turbo-compresseur et l'injection directe haute pression.
- Il faut noter que l'injection directe existe depuis le début du moteur diesel, elle n'était pas utilisée en automobile pour des raisons techniques mais seulement sur les moteurs lents
industriels, poids-lourds et marins.
- Avec les nouveaux injecteurs-pompe, rampe commune et piézo-électrique la pression va jusqu'à 2500 bars (contre 900) ce qui
assure une pulvérisation du gazole turbulente, continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion.
- Le turbocompresseur de suralimentation permet de récupérer l'énergie perdue à l'échappement (environ 25 % de l'énergie
fournie par le carburant) et de l'utiliser pour augmenter la quantité d'air (donc d'oxygène) introduite dans le moteur (en fait,
c'est une pompe) ce qui est particulièrement utile en altitude.
- Pour faciliter le départ à froid en élevant la température des parois de la chambre de combustion et de l'air admis, les
moteurs diesel sont équipés de bougies de préchauffage ou de systèmes de réchauffage d'air (notamment les moteurs de
poids-lourds).
Inconvénients du moteur diesel
Les inconvénients de ce moteur sont : le bruit (claquements notamment à froid),
l'émission de particules et d'oxydes d'azote.
- La réduction du niveau sonore dépend beaucoup du pilotage de l'injection et de l'insonorisation.
- La réduction des particules dépend de la qualité du carburant et des dispositifs permettant de les diminuer (recirculation
des gaz brûlés EGR/RGB). Certaines particules sont difficilement brûlables et donc un filtre à particules assez coûteux
est nécessaire.
- Le problème des oxydes d'azote (NOx) sera sans doute plus difficile à résoudre, ces NOx sont créés en présence d'oxygène aux
températures élevées qui sont par ailleurs nécessaires pour obtenir un bon rendement.
Il semble difficile de diminuer les NOx sans diminuer le rendement des moteurs ; or le rendement conditionne directement
l'émission de dioxyde de carbone (CO2), responsable de l'effet
de serre.
- La voie de la catalyse des NOx semble aussi difficile, car les NOx sont assez
stables (ils se dégradent en 4 heures sous l'effet des ultra-violets pour
se transformer en ozone (O3), gaz très irritant, toxique donc nuisible en
basse atmosphère, mais indispensable en haute altitude.
Moteur Wankel
Ce moteur fut inventé, développé et revendu par celui qui lui a donné sont nom : Félix Wankel.
- C'est le seul moteur à explosion purement rotatif qui ait connu un développement industriel, il fonctionne avec un mélange
air essence comme le moteur 4 temps à essence.
- Les différence fondamentale par rapport à ce dernier sont:
- Un piston triangulaire tourne tout en l'entraînant autour d'un axe moteur exentrique, dans un cylindre en forme de
haricot;
- Il ne comporte pas de soupape, mais des lumières comme un moteur 2 temps.
Légende de l'image:
S = Stator
B = Bougie d'allumage
A = Axe moteur
P = Piston
AD= Conduit d'admission
E = Conduit d'échappement
Histoire
Mazda est le seul constructeur à encore équiper en 2004 des véhicules de série avec ce type de moteur, à l'instar de sa série RX . Citroën a réalisé une petite série de la GS.
Liens externes
Citroën et ses
prototype Wankel
Mazda et le Wankel
Moteur 2 temps
Les moteurs "Deux temps" respectent les cycles Beau de Rochas, ou Diesel, et utilisent de plus 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).
Les moteurs "Deux temps" permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de
vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour 2 tours de vilebrequin pour le moteur 4 temps), cependant, les étanchéités
imparfaites, l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) diminuent cet avantage à un maximum de 50% de
travail en plus.
Les principaux avantages de ces moteurs est leur régime élevé, et donc leur puissance massique très élevée, leur simplicité de
construction (peu de pièces en mouvement).
Les principaux inconvénients de ces moteurs sont : l'usure rapide due aux canaux de transferts (les segments assurant
l'étanchéité passent devant des lumières et subissent des contraintes importantes et usent la chemise), le niveau de pollution
par hydrocarbures imbrûlés : les gaz chargés en essence qui n'ont pas encore brûlé peuvent sortir directement à
l'échappement (solution technique : injection directe), le graissage pose problème (segments et bas moteur), et de l'huile
est diluée dans l'essence pour assurer la lubrification, cependant l'huile brûle mal, et rejette des composés imbrûlés à
l'échappement.
Pour toutes ces raisons, les moteurs 2 temps sont en voie de disparition, car ils commencent à polluer relativement beaucoup
en comparaison des moteurs 4 temps (penser aux tondeuses à gazon, chaînes tronçonneuses, vélomoteurs, moteurs hors bords, petits
groupes électrogènes, motoculteurs, modélisme, ...).
Le développement de moteurs 4 temps à forte densité de puissance devient donc nécessaire.
Historique
Le premier brevet concernant un moteur à explosion a été déposé par François Isaac de Rivaz en 1807.
Avantages
- Les moteurs à vapeur de l'époque sont puissants mais
terriblement lourds et encombrants, de plus ils nécessitent une longue phase de démarrage.
- Les moteurs électriques ont quant à eux une source
d'énergie dont on maîtrise bien le stockage, mais les batteries restent lourdes,
encombrantes et surtout, longues à recharger,
- Les moteurs à explosion sont assez légers et petits, compensant un couple un peu
faible par une vitesse de rotation élevée. Leur source d'énergie est peu encombrante est rapidement renouvelable, ce qui en fait
des moteurs tout à fait indiqués pour équiper de petits véhicules roulants, mais aussi volants. Il n'est plus nécessaire de
traîner sa tonne de charbon en plus d'une citerne d'eau pour espérer avancer à une vitesse raisonnable.
La facilité d'utilisation et de maintenance de ce type de moteur explique également son succès. Aussi, ces moteurs ne sont pas
délicats et fonctionnent sans problème avec divers carburants, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des modifications
importantes. L'essence peut être remplacée par de l'alcool ou du gaz et le gazole par des huiles
végétales, ce qui, soyons optimistes, pourrait nous permettre de conserver nos véhicules personnels après l'épuisement des
réserves pétrolières. Encore faudrait-il accepter de substituer la délicieuse odeur des pots d'échappements par celle du
graillon.
Inconvénients
Mais comme toutes choses sur cette terre, les moteurs à explosion n'ont pas que des avantages.
- Ils ne sont vraiment efficaces qu'à assez basse altitude, là où la teneur de l'air en oxygène est forte : les moteurs à
explosion ont permis l'envol des avions mais ils les limitent également dans leur évolution. On peut compenser partiellement cet
inconvénient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs.
- La combution entraîne le rejet de gaz potentiellement polluants, ils sont de
ce fait, malgré des aménagements spécifiques, désignés comme une des prinpales sources de pollution des villes.
Liens
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