Fonctionnement d'un moteur à explosion/combustion et les différents types

FONCTIONNEMENT D'UNE AUTO  

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Comment fonctionne le moteur d'une voiture ? Quels sont les grands principes ainsi que les choses essentielles à savoir ?

Le principe général du moteur thermique est simple, il s'agit d'exploiter l'énergie produite par la combustion d'un mélange comburant/carburant dans une chambre fermée. En brulant il y a une dilatation importante des gaz que l'on exploite (dépend du taux de compression moteur, lui-même lié à la segmentation, soupapes etc.). La pression induite par la combustion pousse alors le piston vers le bas qui est lui même relié aux roues (pas directement évidemment ...). Le tout se produit dans un cycle en boucle qui dépend du type de moteur auquel on a affaire (2 ou 4 temps).

Fonctionnement d'un moteur essence à 4 temps

Voici un très bon aperçu du fonctionnement d'un moteur à essence grâce au schéma animé situé à droite. Vous pouvez observer les étapes de fonctionnement qui se découpent en 4 temps, d'où le nom du moteur à 4 temps. Cependant ici on n'aperçoit qu'un seul cylindre en état de marche.

• Etape 1 ADMISSION D'AIR + CARBURANT: Un mélange de carburant et d'air arrive depuis l'admission (dans le cas d'une injection directe le carburant est envoyé directement dans la chambre de combustion sans passer par l'admission).
  Le mélange air/carburant s'effectue soit dans le carburateur, soit dans l'admission, soit dans la chambre de combustion (dépend du type de moteur). En cas de soucis avec le calculateur (ou sondes) le dosage peut être mauvais et le moteur fonctionne moins bien (pertes de puissance, fumées etc ...).
  Notez que la présence d'un turbo permet d'accroitre le volume d'air dans l'admission (voir plus bas pour plus d'indications ou rendez-vous sur l'article dédié)
• Etape 2 COMPRESSION : le mélange air/carburant vient d'entrer dans la chambre de combustion par le conduit d'admission qui se referme immédiatement (si il reste ouvert pas de compression), le piston dans sa lancée du cycle précédent vient comprimer le mélange à hauteur d'environ 30 bars. Jusque ici toujours pas de combustion/explosion.
• Etape 3 COMBUSTION / DETENTE: Enfin il y a une combustion/explosion ! Elle est produite par la bougie, qui lorsque le piston est en haut, produit une petite étincelle (arc électrique) grâce à l'allumage qui lui envoie le courant (un distributeur envoie le jus à la bougie concernée grâce à un système rotatif, car toutes les bougies du moteur ne doivent pas être allumées en même temps. Chaque piston ayant un cycle 4 temps en décalage avec les autres). L'ensemble doit être parfaitement synchronisé pour que le moteur fonctionne, une combustion trop tôt ou trop tard et rien ne marche comme prévu. La petite étincelle vient donc enflammer le mélange air/carburant qui est très inflammable ! Le piston est donc propulsé vers le bas, créant ainsi l'énergie mécanique qui permet de faire bouger la voiture. Sur les moteurs modernes, il y a une bobine dédiée par bougie, mais le principe général reste le même, à savoir envoyer du jus aux bougies au bon moment.
  
• Etape 4 ECHAPPEMENT : lorsque la combustion/explosion a eu lieu il ne reste que les fumées induites par la combustion. La soupape d'échappement (qui est presque l'inverse de la soupape d'admission sauf qu'il s'agit la sortie au lieu de l'entrée) s'ouvre alors rapidement pour que le piston expulse les fumées en remontant. Ces fumées vont alors vers l'échappement pour finir dans l'air (Un catalyseur réagit chimiquement sur le chemin des gaz pour réduire la pollution).

Voici une manière ludique de découvrir le fonctionnement d'un moteur 4 temps (Garage Bagnoles et Rock'n Roll)

Fonctionnement des moteurs diesels

Quelles sont donc les principales différences entre un moteur diesel et un moteur essence au niveau du fonctionnement ? (veuillez cliquez ici pour approfondir les différences entre essence et diesel)

• Contrairement à l'essence, le moteur diesel n'a pas besoin de bougie d'allumage. Le gazole brule grâce à la chaleur produite par l'air comprimé lors de la phase de compression. Il faut donc au passage la présence de bougies de préchauffage afin de pouvoir plus facilement démarrer à froid. Car même compressé, le mélange air/carburant n'atteindra pas forcément une température suffisante pour que la combustion soit parfaite (d'où la possibilité de brouter à froid sans bougie de préchauffage).
  
• Un moteur diesel n'existe qu'avec l'injection. Le carburateur (qui a été majoritairement remplacé par l'injection pour des raisons d'efficience sur les moteurs essence) n'existe que sur des blocs essence. Un moteur essence à injection indirecte a donc un mélange gazeux de carburant (vapeurs) et d'air qui arrive par la soupape d'admission alors qu'un moteur diesel n'a que de l'air qui arrive par la soupape d'admission (le carburant étant inséré par l'injection dans la chambre de combustion pour l'injection directe et dans la chambre de pré-combustion dans le cas d'injection indirecte). Les moteurs essence à injection directe (les plus modernes) fonctionnent cependant comme les diesels : l'air arrive par l'admission et et le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion)
  
• Un moteur diesel est plus lourd du fait de sa conception renforcée. Les contraintes à l'intérieur sont plus importantes que sur un bloc essence (car il faut produire une pression forte destinée à provoquer la combustion du carburant), c'est pour cela qu'ils sont plus bruyants et vibrants (pour essayer de corriger cela, on fait faire des pré-injections par les injecteurs)
  
• Les 4 temps ne se produisent pas exactement de la même manière.

En gros, un moteur diesel est identique à la différence qu'il n'a pas de bougie d'allumage (allumage par compression) et de papillon (fonctionne en excès d'air, pas besoin de doser un rapport précis entre carburant et comburant)

Les moteurs les plus répandus sont à 4 cylindres mais de plus en plus de constructeurs proposent des moteurs à 3 cylindres pour réduire la consommation (1.4 TDI, 1.2 TDI, 1.1 CRDI etc ...), certains proposent même des bicylindres (2 cylindres) comme Fiat et son Twinair essence de 0.9 litres de  cylindrée. En effet, plus le moteur a de cylindres plus sa cylindrée est élevée (généralement) et plus il consomme. Par exemple un moteur 270 CDI d'une Mercedes est un 2.7 litres composé de 5 cylindres, ce qui veut dire que chaque chambre de combustion est de 2700/5 = 540 cm3 (ou 0.54 litre).

Il faut savoir que les diesels traditionnels avaient une pression d'environ 200 bars à l'injection alors que les diesels modernes tels que les TDI, HDI, dCi, CDI etc ... peuvent atteindre plus de 2000 bars grâce à la rampe commune ! Il faut en effet beaucoup plus de pression pour l'injection directe (contrairement à l'indirecte).

Circuit d'air / admission : comburant

L'air est le comburant qui permet au carburant d'être enflammé (c'est surtout les 21% d'oxygène qui sont utiles). Ce dernier passe à travers un filtre à air afin d'éliminer toute particule éventuelle qui ne serait pas la bienvenue dans la chambre de combustion. En effet, ces dernières peuvent abimer l'intérieur des chambres en rayant les parois des cylindres, entre autres.
Les blocs essence auront nécessairement besoin d'un boitier papillon pour réguler le volume d''air qui entre dans le moteur. En effet, ces derniers doivent avoir un rapport carburant/comburant très précis pour fonctionner. A l'inverse, le diesel fonctionne en excès d'air, il n'y a donc pas besoin de limiter le volume d'air qui entre, d'où la "non présence" d'un boiter papillon. Notez cependant que les diesels modernes ont un boitier papillon pour de petites raisons spécifiques (voir ici).
Le mélange air/carburant est piloté par un calculateur qui fait en sorte que le mélange soit toujours le plus optimal possible. Il connait le contexte grâce à plusieurs capteurs, comme par exemple la sonde lambda ou le débitmètre.
Il est possible d'augmenter le volume d'air dans les chambres de combustion grâce à plusieurs systèmes de suralimentation : turbo, compresseur ou même N2O liquide.

Notez que le mélange air/carburant peut s'effectuer juste avant l'entrée dans la chambre de combustion ou se faire directement dans la chambre de combustion (voir la différence entre injection directe et indirecte). Une fois la combustion effectuée, l'air plein de gaz est expulsé par la soupape d'échappement en passant ensuite par le collecteur d'échappement.
Ces gaz d'échappement entraineront la turbine du turbo (si il y en a un évidemment) et passeront par différents éléments qui permettront de dépolluer ces derniers : catalyseur(s) et FAP (diesel) avant de finir dans l'air extérieur.
Sachez qu'une partie de ces gaz peuvent être réinjectés dans la chambre de combustion par le biais d'une vanne dite EGR, dans le but de réduire les Nox (le fait de réinjecter des gaz d'échappement refroidis permettent leur réduction).

Circuit de carburant

Dans le cas des vieux moteurs, le carburateur s'occupe de faire le mélange air/carburant avant d'envoyer les gaz vers les cylindres. Cela par le biais du collecteur d'admission.

Sur les moteurs récents, le carburateur est remplacé par des injecteurs, des sortes de petits jets haute pression qui envoient le carburant dans le collecteur ou directement dans les cylindres. Ce carburant est aspergé à haute pression sous forme de minuscules gouttelettes qui se vaporisent rapidement afin d'être brûlées.
Notez que comme l'air, le carburant passe par un filtre afin de retirer toute particule potentiellement dangereusement pour les chambres de combustion.

Voici le circuit d'une voiture diesel moderne bénéficiant d'une rampe commune située entre la pompe à injection et les injecteurs.

Plus d'infos sur l'injection et le circuit de carburant ici.

Quand on accélère ?

Sur les anciens moteurs à essence il y avait ce que l'on appelle un carburateur. Quand on accélérait, la pédale tirait un câble qui ouvrait alors un clapet sur le carburateur. Cependant, ce système n'étant pas vraiment efficient il a été abandonné sur les voitures modernes ...

Voici l'allure d'un carburateur

Désormais, que ce soit en essence ou en diesel, c'est la combinaison du boitier papillon et de l'injection (nécessite une pompe) qui fait entrer le mélange air/carburant dans le moteur. Cela est contrôlé par un calculateur qui ajuste le mélange au millimètre selon les conditions atmosphériques (entre autres). De ce fait, aucune goute de carburant n'est utilisée pour rien (sauf quand le conducteur conduit n'importe comment sa monture ...).

Et voici donc un boîtier papillon, ici il n'y a que de l'air qui passe, c'est l'injection qui s'occupe de fournir le carburant

Composantes d'un moteur

Voici le haut moteur avec les soupapes

Différentes architectures

Comme vous avez déjà du en entendre parler, il existe plusieurs "types" de moteurs 4 temps, ou plutôt plusieurs configurations qui influent sur les performances et l'agrément.

V6 contre 6 en ligne

Quelle différence ? Et bien la disposition des cylindres n'est pas la même :

Voici un V8 (idem qu'un V6 mais avec 2 cylindres en plus, logique). J'ai notifié avec une double flèche la forme en V du moteur. Chaque côté du V est composé de 4 cylindres, soit 8 au total. Cette disposition rend les moteurs moins rapide pour monter en régime mais l'avantage est de confiner le moteur dans un espace plus réduit. Quand le V est à 180 degrés, il est alors aplati, c'est le flat 6 de Porsche par exemple.


Voici 4 cylindres en ligne. Certes, tous les 4 cylindres sont en ligne mais c'est moins courant pour les 6 cylindres (il suffirait alors d'ajouter 2 cylindres à l'illustration pour avoir un moteur en ligne).

Voir d'autres configurations en cliquant ici.

Et les soupapes ? 8V, 16V ....

Et bien plus il y a de soupapes plus le moteur marche fort. Car les soupapes servent à faire respirer le moteur, plus ses poumons sont gros (ou plutôt ses narines ...) et plus il peut envoyer !

Ici il suffit de compter, il y a 16 soupapes (4 par cylindres et il y a 4 cylindres) ce qui est pas mal du tout. Les moteurs les moins performants en ont 8 pour 4 cylindres.

Atmosphérique ? Suralimenté ?

On dit qu'un moteur est atmosphérique quand il n'intègre pas de suralimentation de type turbo. En effet, un turbo suralimente le moteur en air (donc en oxygène), ce qui permet d'accroître la combustion. Les amateurs de jolies mécaniques privilégient l'atmosphérique car la puissance arrive plus régulièrement (et cela réduit les probabilités de pannes). En ce qui me concerne, avoir un turbo ne me dérange absolument pas !

Voici un turbo, dont le rôle est d'envoyer plus d'air dans la chambre de combustion, un peu comme quand on souffle sur un feu pour l'attiser.

Plus d'informations sur le fonctionnement du turbo ici.

Compresseur ?

Un compresseur est comme un turbo sauf qu'il tourne beaucoup moins vite. En effet son rôle est aussi d'injecter de l'air compressé dans le moteur. Il tourne moins vite car il est entrainé par le moteur alors qu'un turbo est entrainé par les gaz d'échappement, qui peuvent alors faire tourner bien plus vite la turbine.

Quelle différence avec un moteur 2 temps ?

Source : German Wikipedia - Self-work by A. Schierwagen

Premièrement un moteur 2 temps ne peut pas fonctionner avec du carburant seul, il faut lui ajouter un peu d'huile pour que le moteur soit lubrifié. L'huile est brulée en même temps que le carburant alors que dans un 4 temps elle se situe dans une cuve sous les chambres de combustion que l'on appelle carter. La pompe à huile lubrifie l'ensemble en pulvérisant l'huile dans les cylindres via de petits conduits. De plus dans un moteur 2 temps il n'y a pas de soupape qui s'ouvre et se ferme, cela ,n'est plus nécessaire en raison de sa simplicité.
Un moteur 2 temps consomme plus et donc pollue plus qu'un 4 temps. Cependant pour une petite cylindrée (sur un deux roues) on préfèrera un 2 temps car il proposera plus de puissance. Par exemple une moto 125 aura bien moins de nervosité en 4 temps qu'en 2 temps.

Le downsizing c'est quoi ?

On en parle de plus en plus, il s'agit tout bêtement de la réduction au maximum de la cylindrée et donc de la chambre de combustion. Le volume dans lequel doit avoir la combustion est plus petit et nécessite donc moins de produit inflammable, à savoir le carburant. Cependant le fait de réduire la cylindrée fait automatiquement perdre de la puissance, logique. Pour combler ce manque de puissance on y intègre à la fois un turbocompresseur et une injection directe à très haute pression.
Quelques exemple de moteur "downsizés" : 1.6 THP de PSA qui monte jusqu'à 200 chevaux (pas courant pour un 1.6), le 1.2 TCE de Renault qui atteint 130 chevaux ! Il y a encore quelques années ces puissances étaient atteintes uniquement avec des 2.0 litres.

Vraiment efficace le downsizing ?

Et bien pas forcément dans la réalité ... Les économies de carburant sont en effet bien plus visibles par le biais des tests normalisés plutôt que dans les faits. Mazda prouve d'ailleurs que la réduction de carburant peut être aussi conséquente sans passer par le downsizing. De plus, les petites moteurs à injection direct ayant un mode de fonctionnement stratifié provoque l'apparition d'une multitudes de particules fines ... Un FAP a d'ailleurs fait son apparition sur ce type de moteur.

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