moteur à combustion interne.

moteur à combustion interne. 1 PRÉSENTATION moteur à combustion interne, dispositif qui fournit de l'énergie mécanique par transformation de l'énergie calorifique, libérée par calcination d'un combustible. Il existe quatre types principaux de moteurs à combustion interne : le moteur à allumage commandé, ou moteur à explosion, le moteur Diesel, le moteur à piston rotatif et la turbine à gaz. De nombreux types de moteurs utilisent le principe de la propulsion à réaction, Voir Fusée. Le moteur à allumage commandé, inventé par le technicien allemand Nikolaus August Otto, est le moteur classique à essence, utilisé pour la propulsion des automobiles et des avions ; le moteur Diesel, conçu par Rudolf Christian Karl Diesel, fonctionne suivant un principe différent et utilise du gazole ou de l'huile lourde comme carburant. Ce moteur est utilisé dans les générateurs électriques, la propulsion des navires, des camions et des bus, ainsi que dans certaines automobiles. Le moteur à allumage commandé et le moteur Diesel existent en deux temps ou quatre temps. 2 CONSTITUTION DES MOTEURS Dans l'ensemble, les constituants des moteurs à allumage commandé sont semblables à ceux des moteurs Diesel. La chambre de combustion est constituée d'un cylindre, en général immobile, fermé à l'une de ses extrémités et dans lequel un piston coulisse. Le mouvement de va-et-vient du piston modifie le volume de la chambre située entre la face interne du piston et l'extrémité fermée du cylindre. La face externe du piston est couplée à un vilebrequin par une bielle. Le vilebrequin transforme le mouvement alternatif du piston en un mouvement rotatif. Dans les moteurs multicylindres, le vilebrequin possède une partie coudée, le maneton, associée à chaque bielle. Ainsi, la force de chaque cylindre s'applique sur le vilebrequin au moment approprié de sa rotation. Les vilebrequins sont munis de lourds volants et de contrepoids qui minimisent l'irrégularité du mouvement de l'arbre. Un moteur peut contenir jusqu'à 28 cylindres. 3 ALIMENTATION Dans un moteur à combustion interne, le système d'alimentation en carburant est constitué d'un réservoir, d'une pompe et d'un appareil à vaporiser ou à atomiser le carburant liquide. Dans les moteurs à allumage commandé, cet appareil est un carburateur. Dans la plupart des moteurs multicylindres, le carburant vaporisé est amené jusqu'aux cylindres par un tuyau ramifié, le conduit d'admission. Dans de nombreux moteurs, un tuyau similaire évacue les gaz produits par la combustion, vers l'extérieur. Le carburant est admis dans chaque cylindre et les gaz d'échappement sont évacués par des soupapes à clapet ou des lumières actionnées mécaniquement. Les soupapes sont maintenues fermées par des ressorts. Elles sont ouvertes au moment approprié du cycle moteur par les cames d'un arbre entraîné en rotation par le vilebrequin. À partir des années 1980, des systèmes à injection plus perfectionnés, également utilisés dans les moteurs Diesel, ont largement supplanté les dispositifs traditionnels d'alimentation en mélange d'air et de carburant ; ces systèmes contrôlés électroniquement réduisent la consommation en carburant et la pollution. 4 ALLUMAGE Tous les moteurs sont munis d'un dispositif pour enflammer le carburant dans les cylindres. Par exemple, le système d'allumage des moteurs à allumage commandé, possède une source électrique à basse tension et de courant continu, connecté au circuit primaire d'un transformateur appelé bobine d'allumage. Le courant est interrompu plusieurs fois par seconde par un interrupteur automatique, la minuterie. Les impulsions de courant dans le circuit primaire induisent un courant pulsé à haute tension dans le circuit secondaire. Ce courant à haute tension est transporté vers chaque cylindre par un commutateur rotatif, le distributeur. Le dispositif d'allumage est la bougie, fixée sur la partie supérieure, ou culasse, de chaque cylindre. La bougie est essentiellement constituée de deux électrodes entre lesquelles le passage du courant à haute tension produit un arc électrique, fournissant ainsi l'étincelle qui enflamme le mélange combustible dans le cylindre. 5 REFROIDISSEMENT En raison de la chaleur dégagée par la combustion, tous les moteurs sont équipés d'un système de refroidissement. Certains moteurs d'avions, d'automobiles et de bateaux sont refroidis par l'air. Dans ce système, la surface extérieure du cylindre est divisée en une série d'ailettes de refroidissement ayant une importante surface métallique, ce qui permet de diffuser la chaleur du cylindre. D'autres moteurs sont refroidis par l'eau, et leurs cylindres sont enfermés dans une chemise externe remplie d'eau. Dans les automobiles, une pompe fait circuler l'eau dans la chemise. Le refroidissement est assuré par le passage de l'eau dans les tubulures d'un radiateur. Les moteurs marins sont équipés d'un système de refroidissement à l'eau de mer. 6 DÉMARRAGE Contrairement aux machines à vapeur et aux turbines à gaz, les moteurs à combustion interne ne développent pas de couple de torsion au démarrage. Ainsi, le cycle moteur est initialisé par un système qui fait tourner le vilebrequin. Les moteurs d'automobiles s'enclenchent au moyen d'un moteur électrique, ou démarreur, qui est couplé au vilebrequin par un embrayage qui se débraye automatiquement au lancement du moteur. Les petits moteurs sont parfois lancés manuellement en tournant une manivelle couplée au vilebrequin ou en tirant une cordelette enroulée autour du volant. Les méthodes de lancement des gros moteurs vont du démarreur à inertie, qui se compose d'un volant mis en mouvement à la main ou au moyen d'un moteur électrique jusqu'à ce que son énergie cinétique soit suffisante pour faire tourner le vilebrequin, au démarreur à explosion, qui utilise l'explosion d'une cartouche à blanc pour lancer une turbine couplée au moteur. L'inertie et les démarreurs à explosion sont principalement utilisés pour le lancement des moteurs d'avions. 7 MOTEURS À ALLUMAGE COMMANDÉ Ils utilisent le cycle thermodynamique Beau de Rochas (voir Thermodynamique). L'inflammation du mélange d'air et de combustible est effectuée par une étincelle produite par une bougie d'allumage. La plupart des moteurs à allumage commandé, ou moteurs à explosion, sont à deux temps ou à quatre temps. Cependant, en raison de leur rendement nettement supérieur, les moteurs à quatre temps constituent la grande majorité de ces dispositifs : un cycle est formé de deux aller-retour du piston. Le premier temps du cycle est l'aspiration : la soupape d'admission est ouverte (la soupape d'échappement reste fermée) et le piston descend. Il aspire ainsi le mélange d'air et de carburant se trouvant dans la chambre de combustion. Le deuxième temps est la compression : les deux soupapes sont alors fermées ; le piston remonte et comprime le mélange gazeux qu'il vient d'aspirer. Le troisième temps est la combustion : lorsque le piston est en fin de course et que le volume de la chambre de combustion est à son minimum, le mélange est enflammé par la bougie, explose, se dilate et exerce une pression sur le piston, qui est refoulé. Ensuite, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston se déplace vers la tête du cylindre en chassant les gaz de combustion de la chambre de combustion. Le cylindre est alors prêt pour un nouveau cycle. Le rendement d'un moteur à allumage commandé est limité par de nombreux facteurs, comme les pertes par refroidissement et par frottement. Le rendement de tels moteurs dépend essentiellement de son taux de compression, rapport entre le volume maximal et le volume minimal du gaz dans la chambre de combustion. Dans la plupart des moteurs modernes à allumage commandé, le taux de compression varie entre 8 et 10. On peut atteindre des taux de compression supérieurs, jusqu'à environ 12, lorsque l'on utilise des carburants antidétonants à haut indice d'octane. Les rendements des moteurs à allumage commandé modernes et performants varient entre 20 et 25 p. 100 : seul ce pourcentage de l'énergie calorifique se transforme en énergie mécanique. Précisons que les « moteurs à essence « sont des moteurs à allumage commandé qui utilisent des combustibles liquides, tels que l'essence ordinaire ou le supercarburant. 8 MOTEURS DIESEL Théoriquement, le cycle thermodynamique du moteur Diesel diffère du cycle du moteur à allumage commandé : dans le moteur Diesel, la combustion s'effectue à volume constant, et non à pression constante. La plupart des moteurs Diesel sont, également, des moteurs à quatre temps. À la différence des moteurs à allumage commandé, les moteurs Diesel ne possèdent ni carburateur ni de système d'allumage proprement dit. Le premier temps est l'admission : le cylindre aspire de l'air pur -- alors que c'est un mélange d'air et d'essence dans le moteur à allumage commandé -- par la soupape d'admission. Au cours du second temps, ou compression, l'air est comprimé, ce qui l'amène environ à 440 °C. À la fin du temps de compression, le combustible vaporisé est injecté sous forte pression dans la chambre de combustion et brûle instantanément, la température de l'air étant très élevée dans la chambre de combustion. Ainsi, à la différence du moteur à allumage commandé, le mélange gazeux s'enflamme ici de lui-même. Cependant, certains moteurs Diesel sont dotés d'un système d'allumage électrique auxiliaire pour enflammer le carburant au démarrage du moteur et jusqu'à la fin de la période de chauffe. Cette combustion refoule le piston : c'est le troisième temps du cycle, ou combustion. Le quatrième temps, comme dans les moteurs à allumage commandé, est l'échappement. Le rendement des moteurs Diesel est régi par des facteurs identiques à ceux qui modifient le rendement des moteurs à allumage commandé. Il est par conséquent supérieur à celui des moteurs à allumage commandé. Pour les moteurs récents, le rendement est légèrement au-dessus de 40 p. 100. Les moteurs Diesel sont en général des moteurs lents avec des vitesses de 100 à 750 tr/mn, alors que les moteurs à allumage commandé classiques ont une vitesse de 500 à 5 000 tr/mn. Certains modèles de moteurs Diesel ont, cependant, des vitesses de rotation atteignant 2 000 tr/mn. Comme les moteurs Diesel fonctionnent à des taux de compression compris entre 15/1 et 20/1, ils sont, en général, construits avec des matériaux plus lourds que les moteurs à allumage commandé, mais cet inconvénient est contrebalancé par un meilleur rendement, et par le fait qu'ils consomment des combustibles moins onéreux. 9 MOTEURS À DEUX TEMPS Il est possible de fabriquer des moteurs à allumage commandé ou des moteurs Diesel à deux temps, ayant un cycle de combustion un temps sur deux, au lieu d'un temps sur quatre pour les moteurs à quatre temps. Le rendement de tels moteurs est plus faible que celui des moteurs à quatre temps ; la puissance d'un moteur à deux temps est toujours inférieure à la moitié de celle d'un moteur à quatre temps de taille comparable. Pour réaliser un moteur à deux temps, il est nécessaire de réduire les périodes pendant lesquelles le combustible est introduit dans la chambre de combustion et les gaz d'échappement sont évacués. Dans les modèles les plus simples de moteurs à deux temps, les soupapes à clapet sont remplacées par des soupapes à manchon, ou lumières (orifices ouverts dans la paroi du cylindre qui sont découverts à la fin du mouvement de refoulement du piston). Dans le cycle à deux temps, le mélange d'air et de combustible est introduit par la lumière d'alimentation, quand le piston est refoulé complètement dans le cylindre. Le mélange s'enflamme au moment où le piston atteint la fin de la compression. Le piston est alors refoulé : c'est la combustion, découvrant la lumière d'échappement et permettant aux gaz d'être évacués vers la chambre de combustion. 10 MOTEUR À PISTON ROTATIF Dans les années 1950, l'ingénieur Felix Wankel développa son concept, novateur de moteur à combustion interne, dans lequel le piston et le cylindre sont remplacés par un rotor triangulaire en rotation dans une chambre de forme ovale. Le mélange air-carburant est injecté par une valve d'admission et est piégé entre l'une des faces du rotor en mouvement et la paroi de la chambre ovale. La rotation du rotor comprime le mélange, qui est enflammé par une bougie. Les gaz d'échappement sont expulsés par la valve d'échappement par rotation du rotor. Le cycle a lieu successivement sur chaque face du rotor ; il y a donc trois temps moteurs pour chaque tour de rotor. La taille compacte du moteur Wankel et son faible poids, comparé à celui du moteur à piston, intéressèrent vivement les constructeurs, étant donné la montée des cours du pétrole des années 1970 et 1980. De plus, il offre un confort sur route pratiquement sans vibration, et sa simplicité mécanique se traduit par de faibles coûts de production. Il nécessite un léger système de refroidissement, et son centre de gravité, situé très bas, contribue à la sécurité de la conduite. 11 MOTEURS À CHARGE STRATIFIÉE Modification du moteur conventionnel à piston, le moteur à charge stratifiée est conçu pour réduire la pollution des gaz d'échappement sans recourir à un système de recyclage ou à un réacteur catalytique (pot catalytique). Chaque cylindre possède une double chambre de combustion, avec une préchambre qui reçoit un riche mélange carburant-air, tandis que la chambre principale est alimentée avec un mélange très pauvre. La bougie enflamme le mélange riche qui, à son tour, enflamme le mélange pauvre. La température maximale obtenue est suffisamment basse pour inhiber la formation des oxydes d'azote, et la température moyenne est suffisamment élevée pour limiter les émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures dans l'atmosphère. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.