Les moteurs des automobiles
Et pour commencer,… un peu d’histoire :
Les premières automobiles étaient à vapeur. Le Fardier de Cugnot en fut la première ;
puis « l’Obéissante » qui inaugura le trajet du Mans à Paris.
En 1899, une automobile en forme d’obus atteint les 100 km/h. Elle s’appelle la « Jamais contente » (créateur, Camille JENATZY).
C’est finalement le moteur à pétrole qui s’imposera.
John FORD à partir de 1903 construit la 1ère voiture à Pétrole :
la FORD modèle A : http://www.youtube.com/watch?v=fzNW7bcpQaA ,
puis en 1913, la modèle T. : http://www.youtube.com/watch?v=wA2P76gQUCo
Les moteurs d’aujourd’hui sont toujours créer sur le principe du cycle à 4 temps de BEAU DE ROCHAS.
1769 : Joseph Cugnot présente son « fardier à vapeur », un chariot sur lequel il a monté une chaudière à vapeur. Il atteint 4 km/h et a une autonomie de 15 minutes. http://www.arts-et-metiers.net/musee.php?P=46&id=50&lang=fra&flash=f&arc=1 1860 : Invention du moteur à explosion par Étienne Lenoir. http://www.youtube.com/watch?v=WxqyIDJJtOY 1873 : Amédée Bollée commercialise la première voiture. Elle est mue par un moteur à vapeur il l’appel « l’Obéissante ». http://vimeo.com/33644558 http://en.wiki-videos.com/video/History%20of%20steam%20road%20vehicles 1881 : Amédée Bollée commercialise la première voiture à atteindre 60 km/h. Elle est mue par un moteur à vapeur il l’appelle « la Rapide ». 1884 : Première automobile à moteur à explosion brevetée par Edouard Delamare-Deboutteville et Léon Malandin : première voiture à moteur à 4 temps mise au point. 1886 : Première automobile à moteur à explosion produite par Carl Benz.
http://www.ina.fr/video/CPF07002600/d-hier-a-demain-en-chemin-de-fer-et-en-voiture-video.html
Le moteur à essence
http://www.youtube.com/watch?v=aSaq7ZgyLD0
Son principe consiste à utiliser la pression due à la combustion des gaz pour créer un mouvement.
On l’appelle « moteur à explosion ». Une bougie fait exploser un mélange « air-essence » pour obtenir un mouvement linéaire d’un piston. Ce mouvement linéaire est transformé en mouvement circulaire par un système bielle-manivelle. Cependant on retiendra surtout le terme de « combustion » plutôt que « d’explosion » pour la raison suivante : une explosion est caractérisée par une vitesse de propagation de flamme très élevée, comme la cartouche d’un fusil ; tandis que dans le moteur à essence, la flamme se propage seulement à une vitesse de l’ordre de 20 m/seconde.
Le cycle à 4 temps
Grâce à l’ingénieur Français Alphonse Beau de Rochas (1815-1893)
FONCTIONNEMENT http://ressources.univlemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/moteur.html
1er temps : ADMISSION
La soupape d’admission est ouverte. Le piston se déplace en coulissant dans cylindre du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et aspire un mélange composé d’air et d’essence. Lorsque le piston est parvenu au PMB, la soupape d’admission se referme
2ème temps : COMPRESSION
Le piston remonte en comprimant le mélange air/essence à une pression de l’ordre de 8 bars. Cette compression provoque une élévation de la température des gaz jusqu’à 400° environ.
3ème temps : COMBUSTION – DETENTE (temps de TRAVAIL)
Une étincelle jaillit à la bougie. Le mélange gazeux s’enflamme et la brusque augmentation du volume des gaz qui se détendent repousse violement le piston vers le bas : C’est le « temps moteur », la température atteint une valeur de l’ordre de 2 000°C.
4ème temps : ECHAPPEMENT
La soupape d’échappement s’ouvre. Le piston remonte en chassant les gaz brûlés.
A la fin de cette phase, la soupape d’échappement se referme, la soupape d’admission s’ouvre de nouveau et c’est le départ d’un nouveau cycle !
Pendant la durée d’un cycle complet, le piston a fait 2 aller/retour, et le vilebrequin a donc fait 2 tours pour un seul temps moteur.
Afin d’obtenir un mouvement plus régulier, les moteurs comportent généralement plusieurs cylindres, donc plusieurs pistons qui agissent sur le même vilebrequin.
Les cylindres peuvent être disposés :
– En ligne – En V – A plat
Le nombre des cylindres peut varier de 2 à 12.
La plupart des voitures de tourisme sont équipées d’un moteur à 4 cylindres en ligne.
http://www.ac-nancymetz.fr/enseign/Autocompetences/2_ressources_pedagogiques/1_motorisation/stockage_le%E7ons_technologie/organes-du-moteur.pdf
Pour des raisons d’équilibre, les explosions, donc les poussées sur le vilebrequin, sont réparties dans un ordre déterminé. Dans le cas d’un moteur à 4 cylindres en ligne, les explosions se succèdent dans l’ordre : 1, 3, 4,2. (mnémotéchnique: « un toit qu’à deux » 😉
Les parties fixes
Le corps du moteur est constitué par un bloc cylindres ou bloc-moteur, en fonte ou en alliage d’aluminium, dans lequel sont pratiqués 4 alésages qui constituent les cylindres. Des canalisations sont faites dans le bloc pour permettre la circulation du liquide de refroidissement entre les cylindres.
Dans certains types de moteur, des cylindres aux parois minces sont rapportés dans ces alésages. Ces cylindres rapportés ont appelés chemises sèches, car ils n’entrent pas directement en contact avec le liquide de refroidissement.
Il existe aussi des moteurs à chemises humides. Celles-ci entrent directement en contact avec le liquide de refroidissement. Elles sont plus épaisses que les sèches. Des joints spéciaux permettent d’assurer l’étanchéité.
Le carter d’huile est généralement réalisé en tôle et parfois en alliage d’aluminium. Il est fixé sous le bloc moteur, protège le vilebrequin, contient l’huile et contribue à en favoriser le refroidissement. L’étanchéité entre le bloc-moteur et le carter est assurée par des joints. Un orifice muni d’un bouchon permet de vidanger l’huile.
La culasse, qui se fixe au-dessus du bloc-moteur, constitue le haut des chambres de combustion. Elle est généralement conçue en alliage léger. La culasse comporte 4 orifices filetés qui débouchent dans chacune des chambres de combustion et dan lesquels sont vissées des bougies.
D’autres ouvertures ont pratiquées pour permettre l’arrivée des gaz frais et le rejet des gaz brûlés. La partie supérieure de la culasse qui reçoit le dispositif de commande d’ouverture des soupapes (rampe de distribution) est fermée par un couvercle appelé « cache-culbuteurs » muni d’un bouchon de remplissage d’huile.
Comme le bloc-moteur, la culasse comporte des canalisations qui permettent la circulation des liquides de refroidissement, et d’autres qui acheminent l’huile pour la lubrification de la rampe de distribution.
L’étanchéité avec le bloc-moteur est assurée par le joint de culasse.
Les parties mobiles
Les soupapes : elles commandent le passage des gaz dans la chambre de combustion.
Au repos, elles sont maintenues fermées par des ressorts. Leur ouverture est obtenue par une pression exercée sur la queue de la soupape. La soupape d’admission est en générale plus grande que celle de l’échappement.
En théorie, la soupape d’admission devrait s’ouvrir quand le piston se trouve au PMH (Point Mort Haut), restée ouverte pendant la descente du piston, et se refermer quand on atteint le PMB (Point Mort Bas). Mais compte tenu du temps nécessaire à l’ouverture totale de la soupape et de l’inertie des gaz, cette solution conduirait à un remplissage insuffisant du cylindre.
De même, si la soupape d’échappement commence à remonter, l’inertie des gaz brûlés ajoutée au temps d’ouverture de la soupape freinerait le mouvement du piston et les gaz brûlés ne seraient pas totalement évacués lorsque le piston arriverait au PMH. Voilà pourquoi l’ouverture et la fermeture des soupapes sont décalées par rapport à la théorie.
L’arbre à cames : il commande l’ouverture des soupapes, grâce à des cames qui transforment le mouvement circulaire de l’arbre en mouvement alternatif. La forme et la position de la came permet de préciser le moment de l’ouverture et de la fermeture de la soupape.
Il comporte une came par soupape ; et il commande chacune d’elle par un culbuteur.
Il actionne également d’autres équipements : l’allumeur, la pompe à essence, etc.)
Il est lui-même entraîné par le vilebrequin.
L’arbre à cames tourne 2 fois moins vite que le vilebrequin.
2 rotations du vilebrequin = 1 rotation de l’arbre à Cames
La transmission peut être faite par une chaîne ou courroie crantée (moins bruyant), ou par une cascade de pignons.
Les pistons : ils coulissent dans les cylindres, reçoivent les poussées dues aux explosions et les transmettent au vilebrequin par l’intermédiaire des bielles. Leur mouvement alternatif exige une inertie aussi faible que possible. C’est pourquoi ils sont en alliage d’aluminium.
Le piston est soumis à des températures importantes, plus élevées au niveau de la tête que la jupe.
L’étanchéité entre piston et le cylindre est assurée par des 3 segments. En partant du haut on trouve :
1- le segment coup de feu ;
2- segment de compression (les 2 ont pour but d’éviter la fuite des gaz de combustion.
3- le segment racleur, empêche l’huile de remonter dans la chambre de combustion.
Le piston est rattaché à sa bielle.
La bielle est réalisée en acier, car elle est soumise à des efforts important ; elle doit donc être solide, rigide et légère. C’est par la partie la plus étroite (pied de bielle) qu’elle est rattachée au piston.
La tête de bielle (partie la + large) est composée de 2 parties semi-circulaires qui enserrent le maneton du vilebrequin. 2 coussinets garnis de métal antifriction, lubrifiés sous pression par de l’huile acheminée par des canalisations du vilebrequin.
Le vilebrequin : il reçoit les poussées des bielles qui lui donnent un mouvement de rotation. Ce mouvement est transmis à l’embrayage.
En acier car il subit d’importantes contraintes de frottement et de torsion.
Il repose sur des paliers par des tourillons situés dans son axe. Des manetons décalés pour former une manivelle reçoivent les bielles.
D’un côté du vilebrequin est fixé le volant moteur. Son rôle est, par son poids, d’améliorer la régularité du mouvement ; d’entraîner (par sa face externe) le disque d’embrayage ; et par les dentures de son périmètre il entraîne le démarreur (mise en marche du moteur).
Le moteur diesel
http://www.youtube.com/watch?v=zWV1OSzKkpk
1897 : Né à Paris en 1858, mais expulsé en 1871 pour cause de conflit franco prussien, l’ingénieur allemand Rudolf DIESEL, invente le moteur qui porte toujours son nom.
Différences entre moteur Essence et Diesel :
Le carburant bien sûr… mais aussi, les moteurs essences et les moteurs diesels possèdent une principale différence qui réside dans le mode d’inflammation du carburant.
Donc : Diesel au lieu d’Essence, et, pas de bougie (l’injection de gazole suffit à enflammer = auto inflammation)
1) La méthode d’inflammation n’étant pas la même selon le combustible, la phase d’explosion ne se déroule donc pas de la même manière:
Phase de combustion d’un moteur essence : le combustible comprimé dans la chambre de combustion est enflammé par une étincelle électrique (c’est le rôle de la bougie).
Phase d’explosion d’un moteur diesel : le diesel à besoin d’atteindre le point d’auto-inflammation qui est d’environ 250°C. La chambre de combustion est remplie d’air fortement comprimée (la pression atteint les 35 bars et la température est alors de 600°C, bien au dessus du point d’auto-inflammation du diesel). Au moment approprié, l’injecteur s’ouvre et un brouillard de carburant pénètre dans le cylindre. L’air chaud vaporise le carburant qui s’enflamme (ie: la bougie est alors remplacée par l’injecteur de carburant). Avantages du moteur diesel:
– Le couple moteur est plus important et il reste constant pour des vitesses faibles ;
– Meilleur rendement (grâce à l’augmentation du rapport volumétrique la combustion est plus complète et la consommation spécifique est réduite) ;
– Les risques d’incendies sont plus faibles car le point d’inflammation est beaucoup plus élevé que celui de l’essence ;
– Les gaz d’échappement sont moins toxiques car ils contiennent moins d’oxyde de carbone. Inconvénients du moteur diesel:
– Les composants mécaniques doivent être surdimensionnés (très hautes pressions et températures) ;
– Le bruit de fonctionnement est plus important (l’explosion du mélange air-carburant provoque l’onde de choc qui constitue le bruit du moteur que nous pouvons entendre) ;
– Nécessite d’un refroidissement plus efficace ;
– Le démarrage à froid est moins bon qu’un moteur à allumage commandé.
Le moteur rotatif dit « WANKEL »
http://www.dailymotion.com/video/x8au0l_moteur-a-piston-rotatif-moteur-wank_tech
1954, en avril, le premier moteur Wankel (de Félix Wankel) à piston rotatif est réalisé. Chez N.S.U. c’est l’enthousiasme, on dit : « 4 temps en une seule machine, c’est 4 inventions en une seule ! ». Il n’a jamais réellement convaincu. Mazda reste sont fervent défenseur surtout avec l’arrivée de la voiture hybride !
Le TURBO compresseur
http://www.renault.com/fr/lists/archivesdocuments/turbocompresseur.pdf
Il offre au moteur un surcroît de puissance en réutilisant les gaz brûlés.
L’idée est très ancienne ; 1902 Louis RENAULT dépose un brevet pour un dispositif augmentant la pression des gaz admis dans les cylindres (en intercalant un ventilateur ou un compresseur… Le turbo était né !
3 ans plus tard Albert BUCHI brevette un compresseur centrifuge et turbine entraînée par les gaz d’échappement.
A ce jour c’est plus de 70% des véhicules Diesel qui en sont équipé (contre 10% pour les Essence)
Rôle et fonctionnement
Le système d’un moteur qui utilise un mélange air/carburant a comme défaut de ne jamais remplir complètement les cylindres (perte de 15 à 20% environ) ; le turbo va augmenter la pression et donc gagner en puissance. Il suralimente en comprimant d’avantage l’air.
Composé de 2 parties : une turbine qui est entraînée par les gaz d’échappement et un compresseur relié par son axe à la turbine, qui est placé sur la conduite d’admission (avant le moteur).
C’est une idée simple et ingénieuse : la turbine entraîne l’axe qui fait tourner le compresseur ; et par effet de la force centrifuge, chasse l’air et crée une dépression au centre (ce qui augmente la pression de l’air admis).
Les caractéristiques d’un moteur :
Les données dimensionnelles et de performances permettent d’apprécier les qualités et la vocation d’un véhicule (Tourisme, sportif, utilitaire…)
La cylindrée : Elle se calcule à partir de l’alésage du cylindre et de la course du piston.
La cylindrée totale s’obtient en multipliant la cylindré unitaire par le nombre de cylindre du moteur concerné.
Pour les automobiles, on oscille entre 900 cm3 et 2 500 cm3 (on parle alors souvent en litre ex : 2.5L).
Plus la cylindrée est important plus la rotation sera lente, donc plus souple.
http://le_castillon.etab.ac-caen.fr/sites/le_castillon.etab.ac-caen.fr/IMG/pdf/Cylindree_d_un_moteur-2.pdf
V = v Le taux de compression.
Chaque moteur a un taux de compression optimal spécifique. Dans le cylindre, le mélange air-essence se fait comprimer pour créer une explosion. La force de cette explosion dépend du rapport volumétrique dans le cylindre. Plus le taux est élevé, plus l’espace dans lequel le mélange se fait compresser est grand.
L’explosion se produit dans la tête du cylindre, dans l’espace où le piston ne peut pas aller. Cette partie inatteignable par le piston devient l’unité de mesure de base pour calculer le taux de compression.
On compte ensuite le nombre de fois où cette unité entre dans la cylindrée. C’est la raison pour laquelle on obtient des chiffres sous la forme d’une fraction.
Un moteur à compression régulière a un taux qui varie entre 8:1 et 10:1. Un taux de compression élevé se situe entre 12:1 et 14:1.
Les conséquences d’un taux de compression élevé:
Avantages : explosion efficace, + de puissance, une meilleure économie de carburant et donc moins de pollution. Inconvénients : risque de bris des composantes internes (explosions plus violentes). Les moteurs suralimentés et diesel Dans un moteur à aspiration naturelle (non-turbo), le taux de compression peut être plus élevé que celui des moteurs suralimentés. Avec un turbo par exemple, l’air qui entre dans la chambre de combustion a déjà beaucoup de pression.
Le taux de compression doit être un peu plus bas pour éviter que les tensions sur les composantes du moteur soient trop importantes. Pour les moteurs suralimentés, les taux oscillent de 8:1 à 8.5:1.
Dans un moteur diesel, l’absence de bougie d’allumage requiert un plus haut taux de compression. Des chiffres impressionnants de 14:1 pouvant même aller jusqu’à 22:1 sont possibles.
Avec cette technologie, l’explosion se produit lorsque l’essence atteint sa limite d’absorption de chaleur et doit libérer les particules.
La puissance DIN (Deutsche Industrial Normes) ou les chevaux vapeur
A l’époque cette unité permettait de comparer la puissance d’une machine à vapeur à celle d’un cheval ! L’abréviation du cheval vapeur est 1ch correspond à la puissance d’un cheval qui tire 75 kg en marchant au pas (1 m/seconde).
A ne pas confondre avec les chevaux fiscaux ! Eux ne servent qu’à fixer le montant de la taxation fiscale.
La puissance varie avec la vitesse de rotation du moteur.
On l’exprime en chevaux DIN ou en Kw.
Il s’agit d’une courbe dont le sommet ou puissance maxi se situe avant la vitesse de rotation maximale du moteur.
Les valeurs moyennes varient entre 50 et 120 ch DIN (en Kw : 36 et 88) pour les autos moyennes. NB : 1 Cheval = 736 watts ou 1 000 Watt = 1,36 ch DIN
La couple maxi
Exprimé avant en mètre kilogramme (m.Kgf) ; aujourd’hui en mètre décanewton (m.daN).
Il est représenté par une courbe dont le sommet correspond au couple maxi.
Il exprime les possibilités d’accélération du moteur. + le couple est élevé à bas régime, + le moteur est économique (consommation et usure).
Une courbe de couple dont le sommet est très aplati indique de bonnes possibilités d’accélération sur une plage de régime étendue.
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