Moteur à explosion
Dans la famille des moteurs à combustion interne les moteurs à explosion sont principalement utilisés pour la propulsion des véhicules de transport (avions à hélice, automobiles, motos, camions, bateaux).
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Moteur quatre temps essence ou gaz
Compression_cycle_4_temps.jpg
- voir également l'article : cycle de Beau de Rochas
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 d'allumage avec une source d'électricité à haute tension. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, en repoussant le piston, libérant l'énergie nécessaire au mouvement pouvant être mesuré par la courbe de puissance moteur.
- Échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés dans l'échappement.
Moteur diesel quatre 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 connu une expansion rapide en automobile à partir de 1990.
Principe de base
Le principe de base est l'autocombustion d'un mélange air/gazole qui, comprimé dans 1/20 du volume du cylindre (environ 65 bars), voit sa température portée à environ 450 °C. Le mélange s'enflamme presque immédiatement. En brûlant, il augmente fortement la température et la pression, repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle qui 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 reliant le cylindre aux collecteurs d'admission et d'échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.
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 : 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, les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur ;
- échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la 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 (les derniers modèles sont « à géométrie variable », technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime) et l'injection directe à 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 ; cette technologie porte le nom de HDI (chez PSA) pour high pressure direct injection.
- 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. Cette technologie se généralise toutefois avec l'adoption des nouvelles normes anti-pollutions européennes EURO IV et suivantes.
- 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 quatre heures sous l'effet des ultraviolets 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, son brevet vendu par celui qui lui a donné son nom : Félix Wankel.
Technique
Wankel_Cycle.jpg
1 = Admission
2 = Compression
3 = Explosion
4 = Échappement
B = Bougie_d'allumage
R = Piston
A = Conduit d'admission
E = Conduit d'échappement
Il est le seul moteur à explosion, purement rotatif, qui ait connu un développement industriel. Il fonctionne avec un mélange d'air et d'essence, comme le moteur quatre temps à essence.
Les différences fondamentales par rapport à ce dernier sont :
- Un piston triangulaire tourne dans une enceinte en forme de haricot, délimitant trois chambres de combustion de contenance variable ;
- Ce piston tourne, tout en l'entraînant, autour de l'axe moteur excentré qui traverse l'enceinte ;
- Il ne comporte pas de soupape, mais des lumières comme un moteur deux temps.
Histoire
Le premier constructeur à croire au concept de l'ingénieur Wankel fut NSU. Cette firme lui permit de développer ses moteurs et fut la première à en équiper des automobiles, dont la fameuse RO80 ; ce modèle fut malheureusement le chant du cygne pour ce constructeur.
Citroën reprit timidement le flambeau en réalisant des séries expérimentales client M35 et GS birotor. Peu après, l'intégration de Citroën au groupe PSA mit fin aux développements.
Mazda qui a commencé la production d'automobiles propulsées par un moteur rotatif, en même temps que Citroën, est désormais le seul constructeur au monde à équiper, en 2005, sa série RX8 avec le Wankel.
Ce dernier constructeur a même réussi à conquérir le titre de Champion du monde des constructeurs de course d'endurance avec un prototype mû par un quadrirotor Wankel turbo-compressé. Victoire éphémère, car elle a entrainé l'interdiction ce type de motorisation par la Fédération Internationale de la discipline, sous la pression des autres constructeurs automobiles.
Liens externes
Moteur Quasiturbine
Voir Quasiturbine.
Moteur deux temps
- voir également l'article cycle à deux temps
Historique
Il fut conçu par l’ingénieur anglais sir Dugald Clerk 20 ans après le moteur quatre temps : La place était déjà prise et une lutte en compétition et technique va toujours les opposer !
Dans sa version économique de base donc doté d'un simple carburateur, son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d’une puissance et d'un couple nettement plus élevée (60 à 70% à isocylindrée et isorégimes, bien sûr !), il est demeuré longtemps le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs, et de quelques motos sportives réplicas des motos de compétition en GP.
- Depuis une dizaine d’années, on s’intéresse de nouveau au moteur à deux temps pour l'automobile mais en injection directe, ce qui constitue une vraie (r)évolution pour ce cycle.
Technique
Les moteurs « Deux temps » respectent les cycles Beau de Rochas, ou Diesel, mais utilisent 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) d'où leurs avantages en termes de couple et de puissance.
Avantages
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 deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps), cependant, les étanchéités imparfaites, l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) diminuent cet avantage à un maximum de 70% de travail en plus.
Les principaux avantages de ces moteurs sont :
- leur combustion à chaque tour moteur (et donc leur puissance massique très élevée malgré des régimes souvent relativement faibles) ;
- leur simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ;
- la fiabilité qui en découle.
Inconvénients
Les principaux inconvénients de ces moteurs sont :
- l'usure rapide due aux canaux de transferts à haut régime (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 HC : les gaz chargés en essence qui n'ont pas encore brûlé peuvent sortir directement à l'échappement (solution technique : injection directe) ;
- le graissage pose parfois 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 deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition car ils commencent à polluer relativement beaucoup en comparaison des moteurs quatre temps (penser aux tondeuses à gazon, chaînes tronçonneuses, vélomoteurs, moteurs hors bords, petits groupes électrogènes, motoculteurs, modélisme, ...).
Le développement de moteurs quatre temps à forte densité de puissance parait donc nécessaire...aux services marketing, mais pas aux bureaux d'études !
L'avenir du deux temps
Toutefois, les moteurs deux temps ont encore un fort potentiel dans des secteurs spécifiques : les très fortes puissances (propulsion marine ou production électrique). Il existe en effet des diesels deux temps dit « moteurs lents » dont la puissance dépasse les 95 000 chevaux avec d'excellents rendements de 50%.
Ces moteurs sont des moteurs en ligne, de cinq à onze cylindres. Leurs cylindres font jusqu'à un mètre de diamètre et jusqu'à trois mètres de course. Leur vitesse de rotation est de l'ordre de 120 tour/minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et leur faible consommation contrairement aux idées reçues. Ils souffrent par contre d'un fort encombrement (couramment trois étages sur les navires équipés) comme leur homologues quatre temps.
Une révolution très prometteuse mais occultée par les médias (?) se poursuit depuis 5 ans dans ce domaine avec les systèmes d'injection DIRECTE Orbital ( TSDI Peugeot, DITECH Aprilia, PUREJET Piaggio, KDI Kymco, DI Suzuki Katana, etc.), qui permettent d'optimiser leur fonctionnement tout en diminuant la pollution de 80% et la consommation de 40 à 50%...
Liens externes
À suivre sur :
Moteur radial
Le refroidissement
La chaleur due aux combustions répétées surchauffe les pièces en contact (piston, cylindre, soupape) et, se diffuse sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à explosion ont besoin d’une température régulière et adaptée.
Refroidissement à air
En 1875 le français Alexis de Bischop utilise l'air pour le refroidissement. Son moteur sans compression préalable, de type mixte, comportait un cylindre entouré d'ailettes métalliques verticales.
Ce type de refroidissement est surtout utilisé pour les moteurs équipant les vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée.
Refroidissement à liquide
C'est l'anglais Samuel Brown qui inventa le refroidissement du moteur par de l'eau. Dans son moteur, l'eau circulait autour des cylindres entourés par une chemise, entraînée par une pompe. Cette eau était refroidie par contact direct avec l'air ambiant.
- Le radiateur fût inventé en 1897 par l'ingénieur allemand Wilhelm Maybach. C'est après de nombreux tâtonnements qu'il mit au point le radiateur dit « nid d'abeille » qui permet de refroidir le liquide d'une façon très efficace. Il est composé d'un faisceau de conduits courts et étroits entre lesquels circule l'air, air qui peut être accéléré par un ventilateur placé devant ou derrière lui. Ce radiateur est situé dans un circuit fermé ou semi-fermé empli d'un liquide assurant le refroidissement du moteur.
- Un contrôle permanent de la température vise à maintenir l'eau et les huiles dans des conditions permettant une lubrification optimale.
- Idéalement, la température du liquide de refroidissement se situe aux alentours de 75°-95° Celsius, fixée par plusieurs facteurs tels que tolérances d'usinage et résistance au frottement des pièces mécaniques, lubrifiants utilisés.
- La régulation de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique « calorstat » située dans le circuit de refroidissement par liquide et par un ventilateur asservi à la température du liquide dans le radiateur.
- Sur les moteurs marins, le radiateur est remplacé par un échangeur de température. L'eau de mer assurant le refroidissement du circuit d'eau douce du moteur.
Architecture des moteurs à explosion
- Cylindres en ligne
- Cylindres en V
- Cylindres en W
- Cylindres opposés horizontalement(Boxer)
- Cylindres en H
Historique
Mono cylindre
Le premier brevet concernant un moteur à explosion a été déposé par François Isaac de Rivaz en 1807.
Quatre cylindres
Panhard et Levassor, dès 1896, engagent un «quatre cylindres en ligne » sur l'épreuve Paris-Marseille-Paris. Deux ans plus tard, les multicylindres (à quatre cylindres) gagnent les grosses voitures et, progressivement, se généralisent à l'ensemble de la gamme, devenant en quelque sorte l'archétype mondial pour les voitures courantes de moyennes et basses gammes.
Une première variante, le quatre cylindres en V, fait son apparition en course à la charnière des deux siècles, sur des modèles Mors et Ader. Quelques années plus tard, cette solution séduit Peugeot et Ariès pour leurs modèles courants d'avant 1914. Beaucoup plus tard, à partir de 1962, Ford en fera une large utilisation, mais aussi Matra et SAAB.
Deuxième variante, le quatre cylindres (en ligne) couché, que l'on trouve en compétition chez Amédée Bollée (1898/99) et chez Wolseley et Winton (1903). Elle ne connaîtra presque pas d'application, ni immédiate ni lointaine, sur les voitures courantes, mais seulement sur les véhicules utilitaires actuels optant pour la solution « moteur sous le plancher ».
Troisième variante, le quatre cylindres à plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert à 180°. Emblématique, dans sa version refroidissement à air, des « coccinelles » de Volkswagen. Cette architecture a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe actuellement les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallye WRC.
Six cylindres
Mais la course - où l'on recherche la vitesse - est exigeante en matière de puissance, surtout quand il s'agit de courses de côte. D'où la tentation de multiplier les cylindres au-delà de quatre. Un modèle Chadwick aux États-Unis franchit le pas en 1907 pour la course de côte de Fairmont. L'année suivante, cette fois en Europe, Rolls-Royce fait de même pour la course Londres-Edimbourg, en faisant appel à des six cylindres. La transposition aux modèles courants est quasi-immédiate pour les voitures de sport et de luxe. En Europe, c'est le cas pour Delaunay-Belleville, Napier, Mercedes, aux États-Unis pour Marmon. Plus tard, à partir de 1927, on trouvera des six cylindres (presque toujours en ligne) sur un grand nombre de modèles non sportifs, même pour des cylindrées modestes. L'atout principal de cette solution étant la souplesse de fonctionnement du moteur.
Huit cylindres et plus
Une nouvelle étape est franchie quand on passe au « huit cylindres ». Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V. La même année apparaissent, toujours pour la compétition, des huit cylindres en ligne. Les Américains grands amateurs d'énormes automobiles démocratisèrent les gros V8 très coupleux au bruit inimitable.
Les constructeurs des monoplaces de F1 utilisèrent pendant plusieurs décennies des V8 de 3 litres de cylindrée dont le fameux Ford Cosworth.
Dans les années 1990, c'est la structure V10 qui aura la faveur des motoristes de F1. Même Ferrari, très attaché aux 12 cylindres en V, se pliera aux lois de cette formule.
Avantages
- Les moteurs à vapeur sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants, de plus ils nécessitent une longue phase de démarrage ;
- Les moteurs électriques bénéficient d'un excellent rendement, mais utilisent une source d'énergie dont on maîtrise assez mal le stockage, ou la production embarquée : les batteries d'accumulateur 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 et 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. Le Brésil a développé à large échelle les véhicules à l'alcool dans les années 70 et 80 avant de la négliger, puis de la relancer au début du XXIe siècle, avec la vogue des véhicules "flex-fuel" (bi-carburation).
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 combustion entraîne le rejet de gaz potentiellement polluants, ils sont de ce fait, malgré des aménagements spécifiques, désignés comme une des principales sources de pollution des villes.
Améliorations envisagées
Le taux de compression variable, le moteur VCR (Variable Compression Ratio)
Meilleure est la compression du mélange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis. Une solution à ce problème consisterait à varier dynamiquement le volume de la chambre de combustion. En effet, en ville par exemple, le moteur ne fonctionne qu'à 30% de sa charge, très loin du taux de compression optimal et donc avec un mauvais rendement, que l'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt de réduire le volume de la chambre de combustion à faible charge et de l'augmenter en cas de fortes sollicitations.
Déjà en 1928, Louis Damblanc dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose en 1990 son brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour bruit et vibrations excessives.
L'idée de MCE-5, fondé par Vianney Rabhi est de faire varier le volume de la chambre de combustion en faisant varier la hauteur du piston dans l'axe du cylindre grâce à une roue dentée et une crémaillère, avec un calcul électronique de la position optimale. Le VCR est particulièrement intéressant couplé avec un turbo, ce moteur imposant un faible taux de compression sur un moteur classique, alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz...) et les gaz d'échappement étant plus chauds, le pot catalytique monte plus,vite en température.
Il reste néanmoins à régler des problèmes de poids et des questions de coûts industriels. Mais son indutrialisation à l'horizon 2015-2020 reste très possible, surtout enc as de forte hausse du prix des carburants. Une adaptation du VCR est possible, mais semble peu pertinente en termes économiques.
Bibliographie
- Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, 1984. ISBN: 3921564700
- Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949. ISBN: B0000BMMSD
Liens