INTRODUCTION

La nécessité de préserver l’environnement, d’économiser les ressources énergétiques de la planète, d’améliorer les performances a poussé les constructeurs à faire évoluer leurs moteurs. Chacun ayant redoublé d’ingéniosité, il en résulte une plus grande diversité devant laquelle on peut se perdre. Le modeste but de ces pages est d’aider à se remémorer les principes de base, et de faire apparaître, le plus clairement possible (j’espère ?) les différences existant d’un type de moteur à l’autre. C’est pourquoi ne seront représentés que les organes indispensables à la compréhension.

LES QUATRE TEMPS

Illustration avec un moteur essence carburateur. Pour les autres moteurs, les quatre temps sont sensiblement identiques.

image 4temps_1

image 4temps_2

image 4temps_3

image 4temps_4

POURQUOI PLUSIEURS CYLINDRES?

Sur les quatre demi-tours effectués par le vilebrequin, un seul correspond à un temps moteur (détente): c’est le troisième demi-tour. C’est un inconvénient qui se traduit par un fonctionnement irrégulier du moteur. Depuis longtemps, les constructeurs ont résolu ce problème en juxtaposant plusieurs moteurs comme celui ci-dessus (le plus souvent 4, mais parfois 2, 4, 8, 10, 12, 16). Ces moteurs indépendants sont reliés à un même vilebrequin, leurs soupapes sont commandées par un même arbre à cames (parfois deux). Prenons l’exemple d’un moteur quatre cylindres comme celui ci-dessous (on dit "quatre cylindres en ligne").

Pendant le 1er demi-tour du vilebrequin :

Le cylindre n°1 (celui de gauche) est en phase "admission" (1er temps)

Temps moteur : cylindre n°4 (celui de droite).

Pendant le 2ème demi-tour du vilebrequin :

Le cylindre n°1 passe en phase "compression" (2ème temps).

Temps moteur : cylindre n°2.

Pendant le 3ème demi-tour du vilebrequin :

Le cylindre n°1 passe en phase "détente" (3ème temps), et c’est lui qui crée le temps moteur.

Pendant le 4ème demi-tour du vilebrequin :

Le cylindre n°1 passe en phase "échappement" (4ème temps).

Temps moteur : cylindre n°3.

Et le tour est joué! Quatre demi-tours du vilebrequin ont "vu" quatre temps moteur au lieu d’un.

Cela donne un fonctionnement plus régulier du moteur, et plus il y a de cylindres, mieux cela vaut.

MOTEUR ESSENCE : CARBURATEUR

Le collecteur d’admission conduit le mélange air/essence alternativement dans chaque cylindre.

Ce mélange doit se composer de 15 grammes d’air et d’un gramme de vapeur d’essence, condition requise pour obtenir la meilleure combustion possible.

Le mélange de vapeur d’essence et d’air est "fabriqué" par le carburateur.

Les voitures actuelles ne sont plus équipées de tels moteurs, mais de nombreux véhicules ainsi motorisés circulent encore.

Bien qu’ayant profité d’améliorations (allumage électronique, carburateur double corps, etc.), ces moteurs sont reconnus coupables de pollution, et l’adjonction d’un pot d’échappement catalytique leur est interdite.

On attend donc l’extinction de l’espèce!

MOTEUR ESSENCE : INJECTION INDIRECTE MONOPOINT

Une pompe met l’essence sous pression.

L’injecteur reçoit l’essence sous pression, et vaporise celle-ci dans le collecteur d’admission où elle est aspirée dans le cylindre qui est en phase "admission".

L’ouverture de l’injecteur se fait électriquement. Le dosage de la quantité d’essence est mieux contrôlé que dans le cas précédent (carburateur).

Injection indirecte : parce que le mélange air/essence est introduit dans les cylindres avant les soupapes d’admission.

Monopoint : parce qu’il n’y a qu’un seul injecteur.

Nota : pendant le 1er temps (admission) c’est un mélange air/essence qui pénètre dans le cylindre.

MOTEUR ESSENCE : INJECTION INDIRECTE MULTIPOINT

Le principe de ce type de moteur est identique à celui à injection indirecte monopoint ci-dessus.

Injection indirecte : parce que le mélange air/essence est introduit dans les cylindres avant les soupapes d’admission.

Multipoint : parce qu’il y a autant d’injecteurs que de cylindres (c’est la seule différence par rapport à l’injection monopoint).

Nota : pendant le 1er temps (admission) c’est toujours un mélange air/essence qui pénètre dans le cylindre.

MOTEUR ESSENCE : INJECTION DIRECTE

Injection directe : parce que l’essence vaporisée est introduite directement dans le cylindre, après les soupapes d’admission.

(Nota : l’injection directe est forcément multipoint).

Les moteurs essence actuels tendent vers ce principe.

Commandés électroniquement, les injecteurs délivrent une quantité très précise d’essence. Les gaz d’échappement contiennent un minimum d’impuretés, autorisant l’utilisation d’un pot d’échappement catalytique.

Lors des démarrages à froid, le brave vieux starter n’a plus sa raison d’être, car l’essence vaporisée qui pouvait se condenser sur les conduits d’admission est maintenant introduite dans le cylindre en phase compression, donc à température élevée.

En cela, ce moteur présente une ressemblance avec le moteur diesel : pendant le 1er temps (admission) c’est uniquement de l’air qui pénètre dans le cylindre.

MOTEUR ESSENCE : LE DEUX TEMPS

image essence_deux_temps1

image essence_deux_temps2

* le mélange air/essence, fabriqué par le carburateur en amont, contient en plus une certaine proportion d’huile. Celle-ci va servir à la lubrification du moteur, car il n’y a pas de carter d’huile comme dans tous les moteurs vus précédemment.

Ces moteurs équipent de nombreux deux roues de faible cylindrée (50 cm3), les kartings, les tronçonneuses et autres outils agricoles ou forestiers, des moteurs de bateaux (liste non exhaustive). Ils ont l’avantage :

  • d’être de conception simple, donc fiables et peu coûteux

  • d’être légers

  • d’autoriser des régimes de rotation élevés (peu de pièces en mouvement), donc une puissance comparative un plus importante

  • de pouvoir fonctionner inclinés (pas de carter d’huile, donc pas de désamorçage du circuit de lubrification)

Mais hélas, ils sont souvent accusés de pollution...

Les moteurs deux temps ont été fabriqués en version diesel!

MOTEUR ESSENCE : PISTON ROTATIF WANKEL

C'est un moteur quatre temps. Il mérite, par son originalité, une bonne place dans cette présentation. (réalisé à l'aide du Science et Vie n°656, mai 1972)

Vidéo prise sur le stand Mazda lors du salon mondial de l'automobile, à paris en 2004. (Un grand merci à eux pour leur accueil).

Description succincte:

A gauche, l'entrée du mélange air/essence

A droite, la sortie des gaz d’échappement

Le piston rotatif a la forme d’un triangle équilatéral arrondi. Il se compose de trois côtés: A, B et C, d’une roue dentée usinée dans sa partie centrale, et de segments assurant l’étanchéité avec le bloc moteur.

Le piston rotatif tourne autour d’une roue dentée fixe, à la façon d’un anneau que l’on fait tourner autour de son doigt, ou du hulahoup de ma jeunesse… La trajectoire des sommets du triangle (hypocycloïde) suit la forme de l’usinage interne du bloc moteur (trochoïde).

La rotation du piston est transmise à un arbre de commande à excentrique, non représenté.

Celui-ci communique son mouvement aux roues par le système traditionnel.

1er temps : ADMISSION

Côté A Côté B Côté C
admission échappement compression
compression admission détente
détente compression échappement
échappement détente admission

2eme temps : COMPRESSION

Côté A Côté B Côté C
admission échappement compression
compression admission détente
détente compression échappement
échappement détente admission

3eme temps : DETENTE

Côté A Côté B Côté C
admission échappement compression
compression admission détente
détente compression échappement
échappement détente admission

4eme temps : ECHAPPEMENT

Côté A Côté B Côté C
admission échappement compression
compression admission détente
détente compression échappement
échappement détente admission

Et que voit-on? Pendant la rotation, trois opérations ont toujours lieu simultanément! C’est l’équivalent d’un moteur à piston de trois cylindres en un! Et sans ces mouvements alternatifs de pistons générateurs de vibrations!

MOTEUR DIESEL : INJECTION INDIRECTE

La pompe d’injection met le gazole à une pression comprise entre 100 et 200 bars (200 kilogrammes par centimètre carré!).

Elle dirige ce gazole sous pression alternativement vers chaque cylindre qui arrive en fin de compression.

Le gazole sous pression est vaporisé par l’injecteur dans l’air comprimé très chaud en fin du 2ème temps (compression). C’est ce qui le fait s’enflammer spontanément. C’est la seule pression délivrée par la pompe d’injection qui permet à l’injecteur de s’ouvrir et de vaporiser le gazole (tout est "mécanique"). L’injection continue un certain temps pendant le 3ème temps (détente). La bougie de préchauffage facilite les départs à froid.

Injection indirecte: parce que le gazole n’est pas injecté directement dans le cylindre, mais dans une chambre de précombustion (ou de turbulence).

(Attention: ne pas confondre avec l’injection indirecte essence, qui veut dire injection en amont des soupapes d’admission!).

Pour tous les moteurs diesel, pendant le 1er temps (admission), c’est uniquement de l’air qui pénètre dans le cylindre.

Les premiers véhicules particuliers (VP) étaient équipés de ce type de moteur. De nombreux exemplaires circulent toujours, et pour plusieurs années encore, car leur robustesse est reconnue.

Mais la combustion du gazole n’est pas parfaite en raison de la présence de la chambre de précombustion (mélange air/gazole hétérogène).

Avec la pression d’injection relativement peu élevée, ce sont deux raisons qui rendent ce moteur quelque peu polluant. On attend donc aussi l’extinction naturelle de l’espèce!

MOTEUR DIESEL : INJECTION DIRECTE

La principale différence avec le moteur précédent réside dans l’injection qui se fait directement dans le cylindre, sans passer par une chambre de précombustion.

La pression d’injection est sensiblement plus élevée. Il n’y a pas de bougies de préchauffage.

Ce moteur est plus performant que son homologue à injection indirecte, mais a longtemps été réputé plus bruyant.

Ce type de moteur n’a été que peu utilisé sur les voitures, en revanche il équipe tous les engins de travaux publics, industriels, agricoles...

MOTEUR DIESEL : COMMON RAIL

C’est aussi un moteur diesel injection directe.

Le gazole, amené à une pression allant de 1300 à 1600 bars par une pompe, est stocké dans une réserve, le rail commun (common rail).

Chaque injecteur est alimenté par le rail commun. L’ouverture de l’injecteur est commandée par un organe électromagnétique, lui-même commandé par l’électronique de bord.

Ceci permet :

  • une pression d’injection très élevée procurant une excellente combustion du mélange air/gazole

  • un dosage très précis de la quantité de gazole à injecter, et aux instants parfaitement voulus donc un meilleur rendement, une consommation moindre, et moins de pollution.

Ces moteurs sont identifiés sous le sigle HDi (Peugeot, Citroën), dCi (Renault).

MOTEUR DIESEL : COMMON RAIL SPHERIQUE

Ce moteur est une variante du moteur common rail.

Le rail commun est remplacé par une sphère. Celle-ci accepte une pression sensiblement plus élevée, sous un encombrement plus réduit.

Ce système équipe donc des moteurs de petite cylindrée (1500 cm3).

MOTEUR DIESEL : INJECTEUR POMPE

L’un des deux arbres à cames, en plus des cames de commande des soupapes, possède des cames de mise sous pression du gazole dans l’injecteur. La pression très élevée obtenue par ce procédé (2000 bars) améliore la combustion du gas-oil, donc le rendement du moteur.

Cet injecteur, par rapport à l’injecteur traditionnel, remplit aussi la fonction d’alimentation en gas-oil depuis le réservoir (d’où son nom "d’injecteur pompe").

L’électronique, associée à des capteurs, commande la partie électromagnétique de l’injecteur pompe, de façon à doser très précisément la quantité de gas-oil à injecter et déterminer la durée de l’injection.

Ce type d’injection équipe les véhicules du groupe VAG sous le sigle TDI, et depuis longtemps les moteurs du constructeur CUMMINS, pour la seule partie mécanique de l’injecteur.

POURQUOI 16 SOUPAPES

image pourquoi_16

L’un des problèmes des moteurs à pistons est le remplissage du cylindre. L’un des moyens de le résoudre est de faciliter le passage de l’air (ou du mélange air/essence) en agrandissant l’orifice d’entrée dans le cylindre.

Ceci est fait en créant une seconde soupape d’admission par cylindre.

Le même procédé est utilisé pour améliorer l’évacuation des gaz brûlés en créant une deuxième soupape d’échappement.

Pour un moteur quatre cylindres, on a ainsi 8 X 2 = 16 soupapes. Parfois l’indication portée sur la voiture est : 16v. Elle vient de l’anglais valves, traduit par soupapes.

Certains moteurs quatre cylindres possèdent 12 soupapes. Dans ce cas, ce sont les soupapes d’admission qui sont doublées, car le problème à traiter en priorité est le remplissage du cylindre.

LE TURBO

De son vrai nom: le turbocompresseur.

Dans l’exemple ci-dessous, le turbo équipe un moteur diesel injection directe.

Mais il peut équiper tous les autres types de moteurs diesel et essence (à l’exception du moteur deux temps).

Un moteur est dit "atmosphérique" quand il n’a pas de turbo, et "suralimenté" lorsqu’il en possède un.

La quantité d’air aspiré par le moteur diminue avec la densité de l’air extérieur. Un moteur perd de la puissance lorsqu’il fait chaud, et lorsqu’il fonctionne en altitude, sur route de montagne par exemple.

Le rôle du turbo est d’augmenter la quantité d’air aspiré par le piston pendant sa course descendante, et donc d’augmenter la puissance du moteur.

Les gaz d’échappement possèdent encore de l’énergie. On les fait passer à travers une turbine qui se met en rotation.

Une autre turbine comprime l’air provenant du filtre à air.

La température de l’air comprimé s’élève, il est donc nécessaire de le refroidir en le faisant passer dans un échangeur

A noter que le turbo n’entre en action ("il s’enclenche") qu’à partir d’un certain régime de rotation du moteur.

A haut régime, il serait trop efficace, un dispositif (non représenté) limite la quantité de l’air introduit.

La vitesse de rotation peut atteindre 120 000 tours par minute! (le temps de dire "tic tac", en une seconde, les turbines ont fait 2000 tours!). Je me suis laissé dire que le turbo des SMART Mercedes tourne à 300 000 tours par minute... impressionnant!

Il existe un autre type de suralimentation, moins répandu sur les véhicules légers: ce sont les compresseurs volumétriques (Roots, Cozette ou Zoller). Ils présentent l’avantage d’être déjà opérationnels à bas régime.

TURBO A GEOMETRIE VARIABLE

J’ai pris ces photos sur le stand GARRET, leader mondial du turbo, lors du salon de l’auto de Paris en 2005.

Le turbo traditionnel a pour but de favoriser le remplissage des cylindres tout en se servant de l’énergie encore disponible des gaz d’échappement. Il a donc l’avantage de ne pas puiser sur la puissance moteur. Mais il a l’inconvénient de ne pas remplir sa fonction à bas régime, contrairement aux compresseurs volumétriques mentionnés ci-dessus. Le turbo à géométrie variable réunit les avantages de son prédécesseur, sans les inconvénients.

image turbo_geometrie_1

Vue montrant la turbine "échappement" du turbo.

Les gaz d’échappement avant "d’attaquer" la turbine passent au travers d’ailettes orientables.

image turbo_geometrie_2

A haut régime, les ailettes s’orientent de façon à laisser passer les gaz d’échappement à leur débit maximum (simulation en couleur verte).

La turbine ne tourne pas à sa vitesse maximum (contrairement à ce que l’on pourrait imaginer...).

image turbo_geometrie_3

A bas régime, les ailettes s’orientent de façon à laisser passer les gaz d’échappement à leur débit minimum (simulation en couleur jaune, position fermée un peu exagérée).

La turbine tourne à sa vitesse maximum (contrairement à ce que l’on pourrait imaginer...).

L’efficacité du turbo est accrue.

image turbo_geometrie_4

Comment ça marche?

Le positionnement des ailettes est effectué en partie arrière par des biellettes, elles-mêmes commandées à la source par l’électronique de bord.

NB: la turbine visible est celle de l’admission.

CALAGE DE SOUPAPES VARIABLES VVT

image calage_1

Selon les conditions d’utilisation, ce dispositif revient à modifier le positionnement des cames, c’est à dire que les soupapes ont la possibilité de s’ouvrir ou de se refermer plus tôt ou plus tard que défini initialement.

image calage_2

C’est un dispositif appelé actuator qui par action sur un liquide modifie le décalage angulaire entre la poulie d’entraînement de l’arbre à cames et l’axe de l’arbre à cames.

Sur ces trois photos, j’ai simulé le changement de position des palettes que j’ai coloriées en jaune pour la compréhension.

image calage_3

image calage_4