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Le fonctionnement du moteur de voiture

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L’instruction de rudiments de technique mécanique fait partie de l’examen du permis de conduire, mais est souvent négligée ; pourtant, pour bien conduire, pour bien utiliser et pour entretenir convenablement une voiture, il est indispensable d’en comprendre le mode de fonctionnement, surtout s’agissant de l’organe central qu’est le moteur.

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De l’alternatif au rotatif

Mis à part dans un moteur rotatif, l’énergie d’un moteur résulte du mouvement linéaire de plusieurs pistons, repoussés par la combustion rapide, assimilée à une explosion, d’un mélange d’air et d’essence ou d’air et de gazole. Cette réaction se produit dans un espace clos (les cylindres), d’où une très forte expansion capable de repousser puissamment les pistons.

 

Le mouvement linéaire des pistons est converti en mouvement rotatif par des bielles, articulées d’un côté au fût de piston, de l’autre au vilebrequin, sorte de grosse manivelle.

 

La rotation continue du vilebrequin assure la remontée des bielles et donc des pistons lorsqu’ils ne sont pas soumis à l’expansion des gaz carburés. C’est cette rotation du vilebrequin qui est ensuite communiquée aux roues par un ensemble d’organes de transmission embrayage, boîte de vitesses, arbres. Pour éviter les à-coups pouvant résulter de l’inversion du sens de déplacement de la bielle et de son piston, le vilebrequin comporte à sa sortie un lourd volant denté à sa périphérie, dentures sur lesquelles s’enclenche le démarreur électrique. C’est sur la face extérieure de ce volant (dit volant moteur) que vient porter le disque d’embrayage lorsqu’on veut transmettre le mouvement du moteur aux roues.

 


La combustion interne

Le mélange carburé est produit par un système d’injection(autrefois par un carburateur). Ce mélange se compose de 1 g d’essence pour 15 g d’air. Le volume de gaz ainsi admis est allumé électriquement, une fraction de seconde avant que le piston n’atteigne le sommet de sa course (point mort haut ou PMH), en fin de phase de compression, par la bougie. Celle-ci est alimentée par un système d’allumage (voir la fiche « Le système d’allumage ») délivrant un courant haute tension. Ce décalage de temps par rapport au PMH est appelé « avance à l’allumage ». Celle-ci est dictée par l’inertie de combustion des gaz, qui s’enflamment par nappes successives depuis le point d’allumage initial.

Un succès continu

Le moteur à combustion interne à 4 temps (essence ou gazole) a connu un développement qui a bouleversé le mode de transport au XXᵉ siècle. En dépit du progrès de la propulsion électrique (surtout actuellement), des expériences en matière de propulsion atomique, du développement des turbines à gaz (notamment dans le domaine ferroviaire), il conserve sa suprématie. Son succès est dû, notamment, à sa facilité de mise en marche, bien plus commode et plus rapide que celle du moteur à vapeur, par exemple, qui fut longtemps (jusqu’au début du siècle) son principal concurrent. Il possède également un rapport poids/puissance favorable. Quant à son rendement, s’il est supérieur au moteur à vapeur (30 à 35% contre 10 à 15%), il est nettement battu par le moteur électrique, dont le rendement peut atteindre 98%, ce qui laisse augurer pour lui une place grandissante une fois résolu le problème du poids et de l’encombrement des batteries.

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Le fonctionnement du moteur à combustion interne est devenu de plus en plus sûr grâce aux progrès conjugués de la métallurgie et des lubrifiants. Un moteur actuel passe allègrement le cap des 150 000 km, en version essence, certains Diesel dépassant même facilement les 300 000 km.

 

Les consommations ont également baissé, grâce, surtout, à l’injection et à l’allumage électroniques, mais aussi aux progrès réalisés en matière d’aérodynamique. L’architecture a évolué vers des solutions qui tendent actuellement à devenir universelles : arbre à cames en tête, chambres de combustion hémisphériques avec effet de turbulences, angle de soupapes assez faible, moteurs super-carrés (où l’alésage est supérieur à la course), injection directe haute pression et rampe commune pour les Diesel. la configuration "super-carrée" permet de diminuer la vitesse moyenne des pistons à régime de rotation égal, et donc de minimiser l’usure de l’ensemble. De plus, les forces d’inertie engendrées aux points morts haut et bas sont également diminuées. L’adoption de plus en plus suivie du turbocompresseur permet de récupérer une partie de l’énergie perdue dans l’échappement, donc d’augmenter encore le rendement à partir d’un certain régime (3000 tr/mn environ).

 


Le cycle d’un moteur

Tous les moteurs actuellement utilisés sur les voitures fonctionnent suivant le cycle décrit par Alphonse Beau de Rochas en 1862, connu aussi sous le nom de cycle d’Otto, du nom de l’Allemand qui disputa pendant longtemps la paternité de cette découverte au Français. Ces quatre-temps sont les suivants : admission, compression, explosion et échappement.

 

Premier temps : le piston descend dans le cylindre du fait du mouvement du vilebrequin. Il y crée une dépression qui, lorsque s’ouvre la soupape d’admission, permet l’entrée du mélange carburé (moteur à essence) ou de l’air (moteur Diesel). La soupape d’admission se ferme lorsque le piston a atteint son point le plus bas (point mort bas ou PMB).

Deuxième temps : le piston remonte alors que les soupapes sont toutes fermées. Le mélange carburé (moteur à essence) ou l’air (moteur Diesel) sont fortement comprimés.

Troisième temps : le mélange carburé s’enflamme entraînant une expansion des gaz qui repousse le piston vers le bas. Ce processus est différent suivant le type de moteur.

Moteur à essence : juste avant que le piston n’atteigne son point le plus haut (PMH), une puissante étincelle se produit à l’extrémité de la bougie sous l’effet d’un courant haute tension de 15000V environ. Cette étincelle enflamme le mélange carburé fortement comprimé.

Moteur Diesel : une dose de carburant (gazole) est injectée dans le cylindre lorsque la compression résultant de la remontée du piston est maximale. Cette compression porte l’air à une température de l’ordre de 600° C, suffisante pour entraîner l’inflammation spontanée du gazole injecté dans le cylindre. Cette inflammation rapide entraîne l’expansion des gaz qui repousse le piston.

C’est cette poussée linéaire sur le piston qui entraîne la rotation du vilebrequin ; on parle donc de « temps moteur ».

Quatrième temps : arrivé au PMB sous la poussée de l’explosion, le piston va remonter, entraîné par la rotation du vilebrequin. Les gaz brûlés sont évacués lorsque s’ouvre la soupape d’échappement, laquelle se referme lorsque le piston atteint le PMH. Le cycle peut recommencer.

Tout cela se passe évidemment très rapidement, chaque piston parcourant un aller-retour tous les 31100e de seconde environ en régime de croisière.

On notera que sur les quatre-temps, un seul est efficace, ce qui explique en partie le piètre rendement de ce type de moteur, qui reste pourtant le mieux adapté, jusqu’à ce jour, à l’automobile.

 


La distribution d’un moteur

Elle joue un rôle essentiel dans le fonctionnement du moteur, puisqu’elle permet la commande synchronisée des soupapes d’admission et d’échappement de chaque cylindre, dans l’ordre et à un moment précis et adéquat.

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Elle règle leur durée d’ouverture optimale en fonction de la quantité de mélange carburé ou d’air à admettre et de gaz brûlés à expulser. Les soupapes se présentent sous la forme de tulipe en métal obturant des lumières pratiquées dans la culasse. Leur mouvement provient du vilebrequin, ce qui permet une synchronisation optimale avec le mouvement des bielles, et partant, des pistons. Leur commande s’effectue par l’intermédiaire d’un (ou plusieurs) arbre(s) à cames (c’est-à-dire à brossages) entraîné(s) par chaîne ou par courroie. L’arbre à cames peut être situé dans le bloc-moteur, donc très près du vilebrequin (arbre latéral), l’action sur les soupapes se faisant par des culbuteurs (basculeurs), reliés à l’arbre à cames par des tiges. On dit alors que le moteur est « culbuté ». L’arbre à cames peut être placé dans la culasse, soit au-dessus des soupapes qu’il commande indirectement par des basculeurs, ou directement par des poussoirs. On parle alors d’arbre à cames « en tête » (ACT). On peut trouver un seul ou deux arbres par rangée de cylindres. Dans le deuxième cas, il y a un arbre par type de soupapes.

Les moteurs modernes sont tous à simple ou double arbre à cames en tête, à deux ou quatre soupapes par cylindre.

 



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Voir aussi :
Le moteur à piston rotatif d’une voiture
Dépose du moteur d’une voiture
Démontage du moteur d’une voiture


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