Cycle de Beau de Rochas - Définition

Le cycle de Beau de Rochas ou cycle à quatre temps des moteurs à explosion classiques est le cycle le plus utilisé dans le domaine des transports et de l'industrie (automobile et camions, générateurs, etc.). Le principe a été défini par Beau de Rochas puis implémenté successivement par Nikolaus Otto, Étienne Lenoir et Rudolf Diesel.

Description

Ce cycle est caractérisé par quatre temps ou mouvements linéaires du piston :

1. Admission
2. Compression
3. Combustion-détente
4. Échappement

1. Le cycle commence à un point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le piston descend (admission), un mélange d'air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d'admission.
2. La soupape d'admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis.
3. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L'expansion des gaz portés à haute température lors de la combustion force le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l'énergie directement utilisable).
4. Lors du quatrième et dernier temps (l'échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée du piston.

Les soupapes

Les soupapes sont actionnées par un arbre à cames. C'est un axe comportant des bossages de forme oblongue appelés cames. L'arbre à cames entraîné par l'arbre moteur ou vilebrequin, est relié à ce dernier par une liaison sans glissement (pignon, chaîne, courroie dentée divisant par deux la vitesse de rotation (deux tours de l'arbre moteur = un tour d'arbre à cames). Les cames sont en liaison avec les soupapes qu'elles poussent par l'intermédiaire de poussoirs ou de culbuteurs, les faisant s'ouvrir au moment opportun. Les soupapes sont munies de ressorts qui les referment lorsque les cames les libèrent.
Les illustrations montrent un moteur avec deux arbres à cames en tête (les arbres à cames sont au-dessus du cylindre).Une soupape est composée de 3 parties:la tête, la tige, et le collet.

la synchronisation des soupapes

Pour la grande majorité des moteurs à quatre temps, les soupapes sont fermées par le rappel de ressorts. À mesure que la vitesse de rotation du moteur augmente, le temps mis par le ressort pour refermer la soupape ne peut plus être négligé, ce qui affecte la synchronisation et les performances du moteur.

Pour les moteurs de compétition, la vitesse de rotation peut atteindre 19 000 tours/minute d'où une fréquence d'action de plus de 300 Hertz pour les soupapes.

Les deux culbuteurs sur une culasse de Ducati

Une solution à ce problème est le système de synchronisation à soupape desmodromique (Fabio Taglioni). Cette amélioration mécanique d'ouverture et de fermeture des soupapes est dite positive, car elle accompagne mécaniquement le mouvement de la soupape lors de son ouverture et de sa fermeture. La soupape est poussée par une came (ouverture) puis tirée (fermeture) par un levier asservi à la même came, et non plus laissée à la seule action du ressort de rappel.

La course de la soupape est ainsi entièrement contrôlée par la came de commande. Le nom desmodromique est d'ailleurs composé par les racines grecques desmo qui signifie lien, chaîne -dans le sens de asservi, contrôlé- et dromo qui signifie course. Les moteurs peuvent alors tourner beaucoup plus vite sans que l'on ait à craindre la " danse " des ressorts et un affolement des soupapes.

L'inconvénient du système est sa complexité et, donc son coût accru. Un fabricant employant ce système est Ducati, pour certains de ses moteurs de moto.

En Formule 1, fut expérimenté un système de rappel des soupapes fonctionnant au gaz, ce qui permet aussi d'obtenir des régimes de rotation élevés sans affolement de soupapes.

Avantages et inconvénients

Le cycle à quatre temps a un meilleur rendement que le cycle à deux temps mais à cylindrée égale il est moins performant. De plus un moteur à 4 temps nécessite une distribution complexe (soupapes, arbres à cames...). Comme sur les 4 temps un seul temps est moteur (le 3eme, au moment de l'explosion) le piston fournit de l'énergie mécanique une fois tous les 2 tours, il se produit alors des irrégularités au niveau du couple du moteur.

Étude thermodynamique

On modélise le cycle par des transformations particulières :

1. L'admission est modélisée par une isobare 0-1.
2. La compression 1-2 est supposée adiabatique.
3. L'explosion se déroule à volume constant sur 2-3, la détente 3-4 est adiabatique.
4. L'ouverture de la soupape est modélisée par l'isochore 4-5, et l'echappement par l'isobare 5-0.

On appelle α le taux de compression . Le rendement du cycle réversible (rapport du travail fourni par le transfert thermique de la combustion) est alors . (γ rapport des capacités thermiques à pression constante et volume constant est supposé constant).