GENERALITES
MOTEUR 4 TEMPS
Comment fonctionne un moteur à explosion à 4 temps ?
Le moteur à explosion (dit aussi moteur thermique) est conçu pour transformer une énergie thermique (l’explosion d’un mélange air-essence (moteurs à 4 temps) ou air-essence-huile (moteurs à 2 temps)) en énergie mécanique d’abord linéaire (bielle) puis rotative (vilebrequin).
C’est en 1862 que Alphonse Beau de Rochas (1815 – 1893) écrit un mémoire comprenant le principe général du fonctionnement d’un tel moteur. Cette même année, Etienne Lenoir met au point le premier moteur à explosion interne. La première automobile, la Motorwagen, fonctionnant grâce à un moteur de ce type fut commercialisé par Karl Benz (1844 – 1929) en 1885.
Le principe du moteur à explosion 4 temps est relativement simple : le mélange air-essence est fortement comprimé par le piston. Une étincelle fournie par une bougie permet de faire exploser le gaz compressé qui repousse violemment le piston. Ce déplacement permet de faire tourner le vilebrequin qui, par un système mécanique compliqué, permettra de faire tourner les roues et donc d’avancer. Dans ce moteur à 4 temps, pour que la bielle tourne d’un tour, il faut deux montées et deux descentes du piston.
Le moteur à explosion (dit aussi moteur thermique) est conçu pour transformer une énergie thermique (l’explosion d’un mélange air-essence (moteurs à 4 temps) ou air-essence-huile (moteurs à 2 temps)) en énergie mécanique d’abord linéaire (bielle) puis rotative (vilebrequin).
C’est en 1862 que Alphonse Beau de Rochas (1815 – 1893) écrit un mémoire comprenant le principe général du fonctionnement d’un tel moteur. Cette même année, Etienne Lenoir met au point le premier moteur à explosion interne. La première automobile, la Motorwagen, fonctionnant grâce à un moteur de ce type fut commercialisé par Karl Benz (1844 – 1929) en 1885.
Le principe du moteur à explosion 4 temps est relativement simple : le mélange air-essence est fortement comprimé par le piston. Une étincelle fournie par une bougie permet de faire exploser le gaz compressé qui repousse violemment le piston. Ce déplacement permet de faire tourner le vilebrequin qui, par un système mécanique compliqué, permettra de faire tourner les roues et donc d’avancer. Dans ce moteur à 4 temps, pour que la bielle tourne d’un tour, il faut deux montées et deux descentes du piston.
Principe des 4 temps du moteur à explosion par un schéma
Différences entre moteurs à 4 temps et moteurs à 2 temps :
4 temps :
- L’huile et l’essence ne se mélange jamais. Le mélange air-essence est confiné à la partie haute du moteur tandis que l’huile reste dans la partie basse
- Le piston doit faire deux tours au vilebrequin (720°) pour effectuer un cycle complet.
2 temps :
- Le piston fait faire un seul tour au vilebrequin (360°) pour effectuer un cycle complet.
- Il s’use beaucoup plus vite que le moteur à 4 temps, car sa lubrification est moins bonne. De plus, il a tendance à polluer beaucoup plus.
Le moteur 2 temps est beaucoup utilisé dans l’agriculture (tondeuse) et le matériel de travaux publics.
4 temps :
- L’huile et l’essence ne se mélange jamais. Le mélange air-essence est confiné à la partie haute du moteur tandis que l’huile reste dans la partie basse
- Le piston doit faire deux tours au vilebrequin (720°) pour effectuer un cycle complet.
2 temps :
- Le piston fait faire un seul tour au vilebrequin (360°) pour effectuer un cycle complet.
- Il s’use beaucoup plus vite que le moteur à 4 temps, car sa lubrification est moins bonne. De plus, il a tendance à polluer beaucoup plus.
Le moteur 2 temps est beaucoup utilisé dans l’agriculture (tondeuse) et le matériel de travaux publics.
MOTEUR ROTATIF
Le moteur rotatif est très différent des moteurs traditionnels. Il a beaucoup d'avantages mais aussi, des inconvénients...Le moteur rotatif a été inventé par un ingénieur autodidacte allemand, Félix Wankel. Le premier brevet fut déposé par son inventeur en 1929, qui intégra le régime nazi à l’aube de la Seconde Guerre mondiale.
C’est en 1954 que Félix Wankel s’associe à NSU pour industrialiser ce moteur révolutionnaire. Après des années de développement et de mise au point, la NSU Spider voit le jour en 1964. Elle était équipée d’un petit moteur rotatif de 50 ch. Hélas, la commercialisation de cette voiture est stoppée en 1967.
Parallèlement, dès 1961, Mazda entre en négociation avec Wankel et décide de racheter le fameux brevet. Le constructeur japonais commercialise la Cosmo Sport (photo ci-dessus) en 1967 et stoppe rapidement la production en 1968 à cause des coûts de fabrication trop élevés. Mazda ne lâche pas le morceau et améliore perpétuellement ce moteur rotatif, on le retrouve quelques années plus tard sous les capots des modèles les plus emblématiques de la marque comme la RX-2, RX-3, RX-4 sans oublier la légendaire RX-7 ainsi que la RX-8 commercialisée en 2003.
Mazda va même utiliser ce moteur lors des compétitions et remporte en 1991, les 24 heures du Mans. Cette course mythique fut remportée par la Mazda 787B avec Johnny Herbert, Volker Weidler et Bertrand Gachot. Cette victoire ne plaît pas aux autres constructeurs automobiles, le moteur rotatif sera par la suite interdit par les organisateurs.Nous sommes en 2017 et Mazda ne compte pas abandonner son moteur rotatif. Ces derniers temps, on entend de plus en plus parler du retour du moteur rotatif. Ce moteur jouera probablement le rôle de propagateur d'autonomie, sous le capot des véhicules hybrides. Mais au fait, comment fonctionne un moteur rotatif ?
C’est en 1954 que Félix Wankel s’associe à NSU pour industrialiser ce moteur révolutionnaire. Après des années de développement et de mise au point, la NSU Spider voit le jour en 1964. Elle était équipée d’un petit moteur rotatif de 50 ch. Hélas, la commercialisation de cette voiture est stoppée en 1967.
Parallèlement, dès 1961, Mazda entre en négociation avec Wankel et décide de racheter le fameux brevet. Le constructeur japonais commercialise la Cosmo Sport (photo ci-dessus) en 1967 et stoppe rapidement la production en 1968 à cause des coûts de fabrication trop élevés. Mazda ne lâche pas le morceau et améliore perpétuellement ce moteur rotatif, on le retrouve quelques années plus tard sous les capots des modèles les plus emblématiques de la marque comme la RX-2, RX-3, RX-4 sans oublier la légendaire RX-7 ainsi que la RX-8 commercialisée en 2003.
Mazda va même utiliser ce moteur lors des compétitions et remporte en 1991, les 24 heures du Mans. Cette course mythique fut remportée par la Mazda 787B avec Johnny Herbert, Volker Weidler et Bertrand Gachot. Cette victoire ne plaît pas aux autres constructeurs automobiles, le moteur rotatif sera par la suite interdit par les organisateurs.Nous sommes en 2017 et Mazda ne compte pas abandonner son moteur rotatif. Ces derniers temps, on entend de plus en plus parler du retour du moteur rotatif. Ce moteur jouera probablement le rôle de propagateur d'autonomie, sous le capot des véhicules hybrides. Mais au fait, comment fonctionne un moteur rotatif ?
Le moteur rotatif est très différent des moteurs traditionnels, dont le mouvement des pistons est alternatif. Le moteur rotatif est composé d’un piston de forme triangulaire que l’on appelle rotor. Ce piston ou rotor, est composé de trois arêtes qui vont permettre de distinguer trois chambres. En effectuant une seule rotation, le rotor réalise les quatre-temps du cycle de combustion: admission, compression, détente et échappement. Au niveau du stator (le bloc externe contenant le rotor), se trouve un conduit d’admission. Le mélange air-carburant (bleu) est comprimé par le rotor jusqu’aux bougies d’allumage afin d’enflammer le carburant. Les gaz d’échappement produits (jaune) lors de cette combustion sont par la suite entraînés par le rotor jusqu’au conduit d’échappement.
Lorsque le rotor tourne dans le stator, il entraîne un pignon denté ainsi que l’arbre moteur : la voiture avance.
Le moteur rotatif ne compte que cinq pièces en mouvement, ce qui est très bien si l’on compare à un moteur classique (85 pièces en mouvement). D’ailleurs, par rapport à un moteur classique, le moteur rotatif est beaucoup plus compact et plus léger. Avec beaucoup moins de cylindrées, le moteur rotatif peut délivrer un haut niveau de puissance. Par exemple, sous la Mazda RX-8, on retrouve un moteur bi-rotor de 654 cm3 de cylindrée par rotor, ce qui est très peu volumineux. Pourtant, La Mazda RX-8 développe entre 192 et 231 ch. On vous laisse imaginer la puissance délivrée par un moteur à quatre rotors.
Il n’y a ni soupapes, ni vilebrequin ni arbres à cames (liste non exhaustive). De plus, il n’y a quasiment pas de vibrations, ce qui permet au moteur d’être plus silencieux. Mais voilà, si les constructeurs ont tourné le dos au moteur rotatif, c’est qu’il y a bien une raison ! Malheureusement, le moteur rotatif est moins fiable qu’un moteur à mouvement alternatif. L’étanchéité du moteur pose énormément de problèmes, le stator (bloc contenant le piston) ainsi que les arêtes du rotor ont tendance à se dilater au fil du temps. De plus, le moteur rotatif est plus gourmand en carburant et en huile qu’un moteur "normal". C'est pour ces deux dernières raisons que les clients sont réfractaires à ce type de moteur.
Le moteur rotatif ne compte que cinq pièces en mouvement, ce qui est très bien si l’on compare à un moteur classique (85 pièces en mouvement). D’ailleurs, par rapport à un moteur classique, le moteur rotatif est beaucoup plus compact et plus léger. Avec beaucoup moins de cylindrées, le moteur rotatif peut délivrer un haut niveau de puissance. Par exemple, sous la Mazda RX-8, on retrouve un moteur bi-rotor de 654 cm3 de cylindrée par rotor, ce qui est très peu volumineux. Pourtant, La Mazda RX-8 développe entre 192 et 231 ch. On vous laisse imaginer la puissance délivrée par un moteur à quatre rotors.
Il n’y a ni soupapes, ni vilebrequin ni arbres à cames (liste non exhaustive). De plus, il n’y a quasiment pas de vibrations, ce qui permet au moteur d’être plus silencieux. Mais voilà, si les constructeurs ont tourné le dos au moteur rotatif, c’est qu’il y a bien une raison ! Malheureusement, le moteur rotatif est moins fiable qu’un moteur à mouvement alternatif. L’étanchéité du moteur pose énormément de problèmes, le stator (bloc contenant le piston) ainsi que les arêtes du rotor ont tendance à se dilater au fil du temps. De plus, le moteur rotatif est plus gourmand en carburant et en huile qu’un moteur "normal". C'est pour ces deux dernières raisons que les clients sont réfractaires à ce type de moteur.
MOTEUR EN ETOILE
Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du villebrequin et axe de sortie moteur.
Moteur fixe
Dans ce cas, le moteur est fixé au chassis et le couple rotatif est disponible en sortie de vilebrequin.
Dans sa version classique, le vilebrequin, très court, ne comporte qu'un seul maneton auquel est connectée l'une des bielles dite « bielle maîtresse », sur laquelle viennent s'articuler les « bielles secondaires », de façon que les courses soient égales. En fait, la course des bielles secondaires n'est pas tout à fait égale à celle de la bielle maîtresse. Aucun des axes des pieds des bielles secondaires ne se déplace sur une trajectoire circulaire — elles sont elliptiques — et chacune des trajectoires est différente des autres. Dans le but de compenser les variations de course des pistons secondaires, chaque axe de pied de bielle est à une distance légèrement différente du centre du maneton. Tous ces facteurs donnent à chaque piston un mouvement unique qui, sauf pour le piston relié à la bielle maîtresse, n'est pas sinusoïdal. En conséquence, l'équilibrage d'un moteur en étoile est calculé pour compenser la « moyenne » de toutes les forces d'inertie résultant des variations des mouvements des pistons et des bielles associées. Quand n'importe quel piston est au point mort haut, le contrepoids est trop lourd, et quand ce même piston est au point mort bas, le contrepoids est trop léger. Cette force « secoue » l'étoile entière de cylindres dans un mouvement de tourbillonnement à deux fois la vitesse de vilebrequin, et est désignée par Pratt et Whitney et Curtiss-Wright sous le nom « vibration linéaire de second ordre ».
L'architecture en étoile, en général, a été très utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est de préférence impair pour des raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 pour un moteur simple étoile.
Dans ce cas, le moteur est fixé au chassis et le couple rotatif est disponible en sortie de vilebrequin.
Dans sa version classique, le vilebrequin, très court, ne comporte qu'un seul maneton auquel est connectée l'une des bielles dite « bielle maîtresse », sur laquelle viennent s'articuler les « bielles secondaires », de façon que les courses soient égales. En fait, la course des bielles secondaires n'est pas tout à fait égale à celle de la bielle maîtresse. Aucun des axes des pieds des bielles secondaires ne se déplace sur une trajectoire circulaire — elles sont elliptiques — et chacune des trajectoires est différente des autres. Dans le but de compenser les variations de course des pistons secondaires, chaque axe de pied de bielle est à une distance légèrement différente du centre du maneton. Tous ces facteurs donnent à chaque piston un mouvement unique qui, sauf pour le piston relié à la bielle maîtresse, n'est pas sinusoïdal. En conséquence, l'équilibrage d'un moteur en étoile est calculé pour compenser la « moyenne » de toutes les forces d'inertie résultant des variations des mouvements des pistons et des bielles associées. Quand n'importe quel piston est au point mort haut, le contrepoids est trop lourd, et quand ce même piston est au point mort bas, le contrepoids est trop léger. Cette force « secoue » l'étoile entière de cylindres dans un mouvement de tourbillonnement à deux fois la vitesse de vilebrequin, et est désignée par Pratt et Whitney et Curtiss-Wright sous le nom « vibration linéaire de second ordre ».
L'architecture en étoile, en général, a été très utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est de préférence impair pour des raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 pour un moteur simple étoile.
Moteur rotatif
Dans ce cas, le vilebrequin ou axe de rotation est fixé sur le bâti, ce sont les cylindres et le carter qui tournent (Gnome et Rhône). Cette architecture présente certains avantages : refroidissement par air permanent, même véhicule à l'arrêt ; régularité de fonctionnement du fait de l'inertie importante (tout le moteur tourne).
Mais présente des inconvénients non négligeables : l'effet gyroscopique est très important, masse en mouvement importante ; la distribution est délicate à mettre au point (certains moteurs avaient une soupape d'admission intégrée au piston) ; généralement la consommation d'huile est prohibitive.
Le plus puissant moteur rotatif qui ait été construit, (Gnome et Rhône), développait environ 240 ch réels. Le réglage de la puissance se faisait par coupure d'allumage sur un groupe de cylindres : la procédure utilisée avec ce dernier moteur : trois cylindres au ralenti, six cylindres au décollage, et neuf cylindres à pleine puissance. Sans action sur les commandes, l'avion s'inclinait en roulis par l'effet de couple, lorsque l'on enclenchait les neuf cylindres.
Dans ce cas, le vilebrequin ou axe de rotation est fixé sur le bâti, ce sont les cylindres et le carter qui tournent (Gnome et Rhône). Cette architecture présente certains avantages : refroidissement par air permanent, même véhicule à l'arrêt ; régularité de fonctionnement du fait de l'inertie importante (tout le moteur tourne).
Mais présente des inconvénients non négligeables : l'effet gyroscopique est très important, masse en mouvement importante ; la distribution est délicate à mettre au point (certains moteurs avaient une soupape d'admission intégrée au piston) ; généralement la consommation d'huile est prohibitive.
Le plus puissant moteur rotatif qui ait été construit, (Gnome et Rhône), développait environ 240 ch réels. Le réglage de la puissance se faisait par coupure d'allumage sur un groupe de cylindres : la procédure utilisée avec ce dernier moteur : trois cylindres au ralenti, six cylindres au décollage, et neuf cylindres à pleine puissance. Sans action sur les commandes, l'avion s'inclinait en roulis par l'effet de couple, lorsque l'on enclenchait les neuf cylindres.