PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR et périphérie

LE MOTEUR

Le moteur de votre automobile est une machine
thermique, ou encore, un moteur à combustion interne.
Le mélange air-carburant est aspiré par les pistons
dans les cylindres, ou il est comprimé. Alors, une
étincelle d' origine électrique amorce la combustion.
C'est un moteur " à explosion ".

Quatre temps :

. L'admission.
. La compression.
. L'explosion / détente.
. L' échappement.





LES CYLINDRES

A l'intérieur du moteur, la combustion
du mélange air-essence met les pistons
en mouvement, lesquels décrivent un va-et-vient
dans les cylindres, d'où le nom de moteur alternatif.

Les pistons sont reliés, par l'intermédiaire des bielles,
au vilebrequin, qui transforment le mouvement alternatif
en un mouvement de rotation.
Le nombre et la disposition des cylindres déterminent
l'aspect général du moteur.





LES TEMPS ( 1 ) ( 2)

Les voitures sont équipées de moteurs
à quatre temps. C'est à dire que leur cycle
élémentaire de fonctionnement, connu sous le
nom de cycle d'Otto, comprend deux va-et-vient
du piston ( soit deux tours du vilebrequin).

1er Temps : admission.
2ème Temps : compression.





LES TEMPS ( 3 ) ( 4 )

3ème Temps : L'explosion / détente.
4ème Temps : Échappement.

ORDRE D' ALLUMAGE :

Dans un moteur à plusieurs cylindres, on fait
fonctionner chaque cylindre en décalage par rapport aux
autres de manière à régulariser la rotation du
vilebrequin. Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres,
l'allumage s'effectue généralement dans l'ordre 1-3-4-2 ,
afin de répartir au mieux les efforts sur le vilebrequin.





REFROIDISSEMENT DU MOTEUR

Refroidissement du moteur.
Outre l' énergie motrice, un moteur libère
une grande quantité de chaleur, qui doit être
évacuée sous peine de surchauffe et de grippage
des pièces en mouvement.

La plupart des moteurs sont refroidis par la circulation
d'un liquide à l'intérieur du bloc moteur ;
d'autres le sont par circulation d'air sur des ailettes
disposées en grand nombre à la surface
des cylindres et des culasses.





CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT

Des conduits et des cavités ( chemises d'eau )sont
aménagés dans le bloc-cylindres et la culasse
pour permettre la circulation du liquide de refroidissement.

Après avoir traversé le moteur, le liquide parvient,
par l'intermédiaire d'une durite, au réservoir supérieur
du radiateur, d'où il s'écoule jusqu'au réservoir inférieur
par une série de tubes pour être refroidi par l'air qui circule
autour de ces tubes. Le liquide retourne alors au moteur par
la durite de sortie du radiateur.





CIRCUIT DE LUBRIFICATION

L'HUILE lubrifie les pièces en frottement du moteur,
mais elle évacue aussi, vers le carter moteur, où
elle sera dissipée, la chaleur produite par la friction entre
ces pièces.
Elle contient des additifs qui absorbent les sous -produits
corrosifs ou nocifs créés par la combustion du mélange carburé
dans les cylindres.
L' huile renforce aussi l' étanchéité aux gaz au niveau des
segments des pistons.





TURBO ( 1 )

Le turbocompresseur consiste essentiellement en
un compresseur d'air et une turbine à gaz à un étage,
reliés par un arbre commun et tournant par conséquent à
la même vitesse.
La turbine à gaz transforme l'énergie des
gaz d'échappement, qui normalement se perdent inutilement
dans l'atmosphère, en énergie de rotation.
Cette énergie actionne le compresseur.
Le compresseur aspire de l'air frais et transporte
l'air pré comprimé vers les cylindres du moteur.





TURBO ( 2 )

La puissance d'un moteur à combustion dépend
de la masse d'air et de carburant qui peut être mise à la
disposition du moteur pour la combustion. Pour augmenter la
puissance d'un moteur, il faut lui fournir plus d'air et plus de
carburant. Sur un moteur aspiré, cette augmentation de la
puissance peut se faire par une augmentation de la cylindrée
ou de la vitesse de rotation.
La compression préliminaire de l'air de combustion, c'est à dire
la suralimentation par un turbocompresseur, s'est révélée une
solution technique élégante pour avoir une augmentation de la
puissance du moteur.

LE PISTON

La COMBUSTION et le mouvement du PISTON :
Le mélange air-essence pénètre dans la chambre de
combustion par la soupape d'admission.
Lorsque le piston atteint le sommet de sa course
de compression, la bougie produit une étincelle qui
provoque la combustion du mélange, lequel brûle
rapidement, se dilate considérablement et repousse
le piston vers le bas, au cours de la phase de
travail et de détente.





LES SEGMENTS

On trouve généralement 3 segments par piston:
. le segment supérieur ou segment de feu,
assure l' essentiel de l'étanchéité.
. le segment d'étanchéité intermédiaire complète
cette fonction et recueille une partie de l'huile des parois.
. le segment inférieur ou râcleur d'huile, râcle quant
à lui le reste de l'huile sur les parois du cylindre
pendant la course descendante du piston et la
renvoie dans le carter.





LA CHAMBRE DE COMBUSTION

Dans une chambre de combustion hémisphèrique les
soupapes d' admission et d' échappement sont placées de
part et d'autre de la bougie, elle-même montée au centre de
la chambre, pour réduire le trajet de la flamme.
Une chambre hémisphèrique peut accueillir des soupapes de
grand diamètre qui vont garantir une bonne " respiration " du
moteur. ( et par conséquent, une puissance élevée). En revanche,
la commande relativement compliquée des soupapes entraîne un
coût de fabrication élevé.





AUTRES CHAMBRES

Dans une chambre en baquet, le trajet de la flamme est
court à partir de la bougie qui est montée latéralement.
La forme de cette chambre permet de créer autour de la
bougie un petit effet d'écrasement qui favorise la
turbulence et améliore les caractéristiques de la combustion.
Une chambre en coin présente les mêmes avantages que
la chambre en baquet. Le petit espace libre situé à la
périphérie de la chambre, entre le piston et la culasse, est
destiné à éviter que le piston ne bute sur la culasse.





ENCORE DES CHAMBRES...

Dans une chambre dite " aménagée dans le piston "
l' espace réservé à la combustion est ménagé dans le
piston dont la tête est creusée.
La forme de la chambre de combustion à soupapes latérales
la plus efficace comporte un espace en coin au dessus
des pistons dans la culasse. Cette solution ancienne,
peu coûteuse, ne conduit pas à un bon rendement
énergétique. Notons que la culasse présente un
faible encombrement.





LES CAUSES DU CLIQUETIS
L' étincelle destinée à enflammer
le mélange air-essence doit déclencher une
combustion rapide, régulière et complète, dans
toute la chambre (1). Si le mélange est trop riche en un
endroit donné en raison d'un manque d'homogénéité,
il pourra détoner " spontanément " en cet endroit (2).
Cette explosion locale viendra contrarier la progressivité
et la régularité de la combustion (3). C'est le phénomène
dit de détonation qui se traduit par celui du cliquetis.





DIESEL

Dans un Diesel à injection indirecte le carburant est
pulvérisé sous très haute pression dans une
chambre de précombustion, aménagée dans la culasse
et qui communique avec la chambre principale.
Dans un Diesel à injection directe, le carburant est injecté
directement dans la chambre de combustion aménagée dans
la tête du piston. La forme de la chambre est meilleure mais
le mélange air-carburant est plus difficile à obtenir.





ALLUMAGE - PRINCIPE

La bobine est un transformateur, avec un enroulement
primaire, et un enroulement secondaire. Lorsque les contacts
du rupteur se touchent un courant circule dans le circuit primaire.
Lorsque les 2 contacts s'écartent, la variation brusque du courant
génère la Haute Tension aux bornes du secondaire. Cette
haute tension est amenée sur le doigt de l'allumeur qui va la
distribuer aux bougies. Le condensateur sert essentiellement à
protéger les contacts du rupteur.





L'ALLUMEUR

L'allumeur ( ou Delco ) :
Il a deux fonctions :
. Le rupteur provoque la production d'impulsions à
très haute tension ( 18000 à 40000 V ).
. Le distributeur oriente l'impulsion à haute tension
successivement vers les différentes bougies d'allumage.





ALLUMAGE ELECTRONIQUE

Système d'allumage électronique sans rupteur :
Le rupteur est remplacé par un capteur magnétique.
( Il n'y a donc plus d'usure des contacts du rupteur ).
Le circuit électronique, qui reçoit les impulsions du
capteur, va établir périodiquement le passage du
courant dans l'enroulement primaire de la bobine.
Le reste du système d'allumage fonctionne de la
même manière qu'un allumage classique
à bobine et rupteur mécanique.





LE CARBURATEUR Voir aussi le topic sur les WEBER

Le carburateur doit être en mesure de fournir à tout
instant et en toutes circonstances un mélange air-essence
aussi homogène que possible et d'une composition
sensiblement constante à tous les régimes.

Sur l' illustration :
Partie gauche : Corps principal du carburateur, qui comprend la
buse, où se forme le mélange.
Partie droite : La cuve à niveau constant.





LE FONCTIONNEMENT DU CARBURATEUR

Au ralenti : le papillon est fermé et l'aspiration du moteur
s'exerce surtout au niveau du conduit du dispositif de ralenti.
Accélération : le papillon des gaz bascule, et la dépression
est forte dans la buse, le débit d'air est accru et l'essence est
aspirée par le conduit débouchant au centre de la buse.

Accélération rapide : La pompe de reprise projette de l'essence
dans le diffuseur pour enrichir briévement le mélange admis.





LA DISTRIBUTION (1)

La rotation du vilebrequin est transmise à l'arbre à
cames par une chaîne de distribution ( ou par une
courroie crantée, ou par des pignons ).

Arbre à cames latéral : L'arbre à cames
est monté sur le côté du bloc-cylindres. Il comporte
une série de cames, chacune d'elles correspondant à une
soupape. En tournant, chaque came soulève le poussoir et
la tige qui lui fait suite. Cette dernière, à son tour, pousse
le culbuteur, qui agit sur la soupape pour provoquer
son ouverture.
Au repos, les soupapes sont maintenues en position
fermée par des ressorts hélicoïdaux.

NB : 2 tours du vilebrequin = 1 tour de l'arbre à cames.





LA DISTRIBUTION (2)

La nécessité de simplifier le mécanisme de commande des
soupapes pour réduire les limitations dues à l'inertie
des pièces en mouvement alternatif a conduit les constructeurs
à choisir l' arbre à cames en tête pour certains moteurs.

. Attaque directe des soupapes via un poussoir cylindrique.
. ou culbuteur.
. ou basculeur à doigt.





MOTEUR A 2 ARBRES A CAMES EN TETE

Un arbre à cames pour les soupapes d'admission,
l'autre pour les soupapes d'échappement. Les arbres
sont entraînés à partir du vilebrequin par une ou
plusieurs chaînes à maillons doubles ou triples.
Chaque chaîne est maintenue en tension par un tendeur
à ressort à portée en caoutchouc.





SOUPAPES

La soupape est montée de telle sorte que sa tête se
trouve vers l'intérieur de la chambre de combustion.
L'ouverture s'effectue lorsqu'une pression est exercée
sur la queue de la soupape. La fermeture est réalisée par
un puissant ressort de rappel qui ramène la tête de la
soupape sur son siège.
La queue de la soupape coulisse dans un guide aménagé
dans la culasse.( ou dans le bloc-cylindres )





CAMES

Le profil des cames est un facteur déterminant pour le
bon fonctionnement et les performances du moteur.
En effet, ce profil conditionne la durée d'ouverture
des soupapes et la vitesse d'ouverture et de fermeture
de ces dernières.





CULASSE

Les soupapes sont actionnées par des tiges et des
petits leviers, les culbuteurs. Chaque soupape a sa
propre commande et il lui correspond un bossage
donné de l'arbre à cames.
Le mélange air-carburant pénètre dans les cylindres
par des conduits venus de fonderie dans la culasse.





NOMBRE DE SOUPAPES

Il y a, traditionnellement, 2 soupapes par cylindre !
Le dispositif de distribution sera soulagé si la
course des soupapes est courte. Afin de conserver
une section d'ouverture suffisante et une grande
turbulence, on est venu naturellement à la
multiplication des soupapes : 3, 4, 6, 7... par cylindre.
Si la distribution est un peu plus complexe, l'inertie
est diminuée par la division des masses et,
tandis que les contraintes mécaniques sont
moindres, la soupape, par ailleurs, dissipe mieux la
chaleur.



Source : Topic sur PSA

Pour résumer le principe d'un fonctionnement de moteur automobile (ou de tout autre véhicule), on dira qu'il permet de convertir de l'énergie chimique (ici, air essence) en énergie mécanique (donc la rotation du moteur).

Pour y voir un peu plus clair, voyons d'abord les principaux constituants de tout moteur, afin d'expliquer dans un deuxième temps le cycle quatre temps (cycle de fonctionnement de tous moteur, de la VW coccinelle à la Golf V !).


En caractère bleu se trouve les pièces fixes (celle qui compose les différents carters moteurs), en rouge, les pièces mobiles du carter cylindre et en noir les pièces mobiles de la culasse. On a donc ici les pièces essentielles d'un moteur à combustion interne (nos moteur quoi !), qu'il soit de 1900 ou de 2000 ! vous me direz alors " ou est le progrès dans ce cas, si rien n'a changé en 100 ans ?! ".
Le progrès se situe autour du moteur, avec l'apparition de nouveaux éléments et toute l'électronique embarqué qui va avec. A présent ce sont de véritables ordinateurs qui contrôlent le bon fonctionnement de nos chers moteurs pour garantir une grande souplesse d'utilisation et un niveau de pollution apte à passer des normes de plus en plus sévère.
Ainsi on ne sent plus le moteur vibrer, on ne l'entend presque plus, il n'y a plus de starter, il démarre facilement à froid comme à chaud, bref que du bonheur (même si personnellement je les trouve assez aseptisés et conduire une " vieille " voiture me fait très plaisir !).

Le moteur est donc constitué de trois principaux blocs :

- La culasse qui compose le haut moteur. Une des pièces les plus compliquées du moteur, car elle referme (sauf certain cas de moteur) tout le mécanisme d'ouverture et fermeture des soupapes. Ces dernières permettent le remplissage et la vidange du cylindre. Elle renferme également la chambre de combustion ou a lieu l'inflammation du mélange air/essence. Inflammation permise par la bougie sur moteur essence ou par auto-combustion (donc pas de bougie) sur diesel.
D'ailleurs revenons à nos soupapes. Pour qu'elles puissent s'ouvrir et se fermer au bon moment, elles sont commandées par les arbres à cames eux mêmes entraînés par le moteur (via le vilebrequin donc). De nos jours, on les trouve souvent au nombre de quatre par cylindre (soit 16 soupapes pour un quatre cylindres, l'architecture classique d'un moteur), mais elles furent plus souvent deux par cylindre.
En dessous j'ai isolé la culasse de la nouvelle BMW M5 V10 (même les moteurs aux plus hautes technologies conservent cette architecture classique !) et montré les constituants déjà énumérés plus haut.


- Les cylindres ou bloc moteur soutient les éléments qui transformeront l'énergie acquise lors de la combustion, en énergie mécanique. On trouve donc le piston qui coulisse dans le cylindre (jeu minimale entre ces deux éléments donc), et se prend sur sa calotte (surface du dessus du piston) toute la pression engendrée par la compression, permettant alors sa descente. Sa remontée est possible grâce aux autres cylindres (ou à l'inertie moteur dans le cas d'un monocylindre de moto). L'étanchéité entre le bas moteur et la chambre de combustion est réalisée par la segmentations (ensembles de trois segments situé sur le piston).

Ce mouvement de translation est transmise, via la bielle, au vilebrequin qui transforme donc cette translation en rotation.

Quand le piston est à son point le plus haut, on dit qu'il est au PMH (Point Mort Haut). On parle de PMB (Point Mort Bas) pour l'inverse. La distance entre le PMB et le PMH est la course du piston. Avec son diamètre (on dit plutôt alésage), on peut donc calculer le volume balayé par le piston: (pi*alésage²/4)*course. On trouve donc la cylindré unitaire du moteur qui multiplié par le nombre de cylindre nous donne la cylindrée totale (celle donné par le constructeur donc). Ci-dessous se trouve le bloc d'un 2 litre Honda (vous êtes gâtés question belle mécanique là !), avec les éléments mentionnés en haut.


- Enfin le carter d'huile vient fermer le bloc moteur et permet le remplissage du moteur en huile. Ce lubrifiant est extrêmement important dans un moteur. Son acheminement dans l'ensemble des pièces mobiles du moteur (jusqu'à la culasse donc), est assuré par une pompe à huile situé donc dans le carter du bas moteur.


L'admission est l'étape ou rentre dans le cylindre, via la soupape d'admission, soit que de l'air pour les moteurs diesels ou essence à injection directe (FSI chez VW), ou directement le mélange air/essence pour la plupart des essences. Avant d'arriver, cet air a été filtré (par le filtre à air bien sur), et son débit quantifié par la gestion électronique moteur, afin de doser correctement l'apport d'essence dans le cylindre.

On comprendra donc que plus on rentre d'air, plus on peut mettre de l'essence d'ou un gain en puissance. La plupart des diesels d'aujourd'hui et quelques essences sont équipés de turbo permettant le gavage en air du cylindre. On rencontre plus rarement des compresseurs dont la fonctions est identiques aux turbos.

On parle de moteur atmosphérique quand il n'y a pas les éléments cités juste avant. Dans ce cas-ci, seul l'aspiration du piston (il va du PMH au PMB lors de ce temps) permet de faire rentrer l'air. Le dessin de l'arbre à came (qui commande le temps d'ouverture et la levée de la soupape) est alors primordiale pour faire rentrer un maximum d'air et d'obtenir le meilleur rendement possible. Ensuite la forme du circuit d'admission entier doit être conçu de façon à ce qu'un minimum d'obstacles viennent perturber le cheminement de l'air (d'ou l'intérêt des filtres à air sport).


Ce temps permet de conditionner le mélange afin qu'il puisse brûler le plus rapidement possible.
Pour cela le piston en remontant va comprimer le mélange rentré à l'étape précédente et également le réchauffer. Imaginez, au début le mélange occupe tout le volume du cylindre, et à la fin de la compression, il n'occupe plus que le volume de la chambre de combustion ! Ce dernier volume est donc très important dans la conception du moteur. Trop faible, le mélange sera trop comprimé et abîmerait le moteur (notamment par le cliquetis qui est une sorte d'auto-combustion), et trop élevé le mélange ne sera pas comprimé assez pour en exploiter tout le potentiel, d'ou une perte de puissance.

Le rapport volumétrique (RV) permet de faire le lien entre le volume total du cylindre et celui de la chambre. Il est environ de 8/9 pour un moteur turbo, et plutôt 10/11 pour un atmo. D'ailleurs quand on parle de test de compression sur un moteur, le principe est de faire tourner le moteur au démarreur et de mesurer les pressions maxi atteint dans le cylindre, pour ensuite vérifier leurs conformités par rapport aux valeurs constructeurs. Ici on contrôle donc l'étanchéité aux soupapes et aux segments (pertes de compression si mauvaise étanchéité et de puissance donc).


La combustion est l'inflammation du mélange comprimé précédemment. Dans le cas d'un moteur essence, c'est toujours la bougie qui permet grâce à l'étincelle qu'elle génère l'inflammation du mélange (l'autre nom du moteur essence est moteur à allumage commandé, vous comprenez pourquoi maintenant !). En diesel les taux de compression plus élevé (RV=17/18) permettent une auto-inflammation du mélange admis.

L'étincelle à donc lieu au moment ou le piston est près du PMH (un peu avant en fait, on parle donc d'avance à l'allumage), pour bénéficier de la compression du mélange.

L'inflammation va donc provoquer une brusque montée en pression qui atteindra son maxi peu après que le PMH du piston. On peut aller de 60 bars pour un essence atmo, à 180 bars ( !) pour les derniers diesels suralimentés. La résistance de l'équipage mobile est donc primordiale tout comme celui de l'ensemble culasse/bloc. Il s'ensuit donc la descente du piston poussé par cette pression.


Une fois le mélange brûlé, l'arbre à came ouvre la soupape d'échappement qui, aidé par la monté du piston, libère ainsi les gaz que l'on retrouve alors au pot d'échappement. Une fois sorti, la soupape d'admission se rouvrira pour recommencer un cycle …
La encore le moins d'obstacle doit se trouver sur la route de ces gaz, afin de bien tout vidanger le cylindre (la puissance moteur diminuerait avec l'augmentation des gaz brûlés résiduels)

Vous l'avez peut être remarqué mais il faut deux tours vilebrequin (donc deux tours moteur), pour réaliser un cycle complet. C'est la grande différence avec les moteurs dit 2 temps à qui il ne faut qu'un tour pour réaliser son cycle.

Sur un moteur quatre cylindres, on s'arrangera toujours à ce qu'aucun cylindre ne soit dans un même temps qu'un autre afin d'avoir un moteur le plus souple possible (imaginez les vibrations et les a-coups qu'engendreraient 4 combustions phasées en même temps !). Sur un six cylindres ou plus les temps se chevauchent donc, mais sont toujours conçu de façon a ce que la bougie n'allume jamais au même moment dans deux cylindres.

Vous êtes arrivés au bout ? si oui et si vous avez bien assimilé l'ensemble de cet article, allez donc voir les autres qui rentrent beaucoup plus dans les détails et sont donc plus passionnant (enfin je trouve !).

• Presentation du moteur sur le site de l'IFP (Institut Français du Pétrole) :
  IFP
  
• Voilà une présentation très "scolaire", mais complète :
  présentation moteur

Source : http://moteurpassion.site.voila.fr/presentation.htm

Merci beaucoup mon amis