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Moteur à explosion

Le moteur à explosion est un type de moteur à combustion interne, il est principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile, moto, camion, bateau), ainsi que pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène, pompe).

Le terme moteur à explosion, consacré par l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) est impropre car il ne rend pas compte de tous les phénomènes se produisant dans ces moteurs, pour lesquels la dénomination à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital...) est nettement plus adéquate.

La détonation, forme particulière d'une explosion (vitesse du front de flamme supérieur au km/s), a parfois lieu, mais c'est un défaut (sauf lors du démarrage de la combustion des moteurs Diesel). Normalement c'est une déflagration qui se produit au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) de ces moteurs.

Il se différencie du moteur Diesel (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage n'est pas commandé mais spontané, par phénomène d'autoallumage. Il n'a donc pas...) car il nécessite, contrairement à ce dernier, une étincelle pour le déclenchement de la combustion du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est...).

Nous emploierons Diesel en préservant la majuscule initiale du nom propre donc plutôt que diesel.

Moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...) quatre temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) à allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d'inflammation (ti-380°C).) commandé

Tous les moteurs utilisant comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) de l'essence, ou de l'alcool, voire un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) (GPL) ou autre, dont le déclenchement de la combustion est dépendant d'une source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) externe (bougie, trembleur...)

Constitution

Ces moteurs transforment l'énergie potentielle chimique stockée dans un carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides, d'où le terme d'explosions. Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindres confinant les combustions. Dans chaque cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée...), un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif. Mouvement transformé en rotation, par l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin (assemblage de manivelles sur un axe). Chaque cylindre est fermé par une culasse munie d'au moins deux soupapes. L'une d'elle permet de relier le cylindre au collecteur d'admission, et l'autre au collecteur d'échappement.

Fonctionnement

Cycle quatre temps à allumage commandé
Cycle quatre temps à allumage commandé

Son cycle (de fonctionnement) se décompose analytiquement en quatre temps (ou phases). Le mouvement du piston est initié par la combustion (augmentation rapide du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) des gaz) d'un mélange de carburant et d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...) (comburant) qui a lieu durant le temps moteur. C'est le seul temps produisant de l'énergie, les trois autres temps en consomment mais le rendent possible.

Le piston se déplace pendant le démarrage grâce à une source d'énergie externe (souvent un démarreur (Le démarreur est un moteur électrique auxiliaire alimenté par la batterie d'accumulateurs et destiné à lancer un moteur à combustion interne pour lui permettre de démarrer.) ou lanceur : un moteur électrique est couplé temporairement au vilebrequin) jusqu'à ce qu'au moins un temps moteur produise une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) capable d'assurer les trois autres temps avant le prochain temps moteur. Le moteur fonctionne, dès lors, seul et produit un couple sur son arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc qui peut...) de sortie.

Voici une description des cycles successifs d'un moteur à quatre temps :

  1. admission d'un mélange air et de carburant vaporisé, présent dans le conduit d'admission, mélange préparé par divers composants (carburateur ou système d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) indirecte) : ouverture de la soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .) d'admission et descente du piston, ce dernier pompe ainsi ce mélange dans le cylindre à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de -0,1 à -0,3 bar ;
  2. compression du mélange : fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) de la soupape d'admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à 12 à 18 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;
  3. combustion, détente : aux environs du point (Graphie) mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes...) haut), moment où le piston atteint son point culminant et, ou la compression est au maximum, la bougie (La bougie est un objet servant en général à éclairer, composé d'un corps gras et d’une mèche enflammée. Elle a...) d'allumage, (connectée à un générateur d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) haute tension), produit une étincelle ; la combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds à une pression moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) de 40 bars repoussent le piston, initiant le mouvement ;
  4. échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés détendus dans le collecteur d'échappement, laissant la place à une nouvelle charge de mélange.
  1. Un nouveau cycle commence en 1.

Moteur Diesel quatre temps

Moteur deux temps

Historique

Le premier moteur à deux temps fut imaginé et réalisé par Jean-Joseph Étienne Lenoir (Jean-Joseph Étienne Lenoir (Mussy-la-Ville, Belgique, 12 janvier 1822 - La Varenne-Saint-Hilaire, 4 août 1900) est un ingénieur belge, qui réalisa notamment le premier moteur à combustion interne en 1860 et...) en 1860. Il fonctionne selon le cycle de Lenoir.

  • Dans sa version économique dotée d'un simple carburateur (Le carburateur est un organe du moteur à combustion interne essence ou ethanol et aussi des chaudières à carburants liquides. Cet organe permet de préparer un mélange d'air (le...), son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d’une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et d'un couple nettement plus élevés (60 à 70 %) qu'un moteur à quatre temps de la même cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre hermétiquement close pour un mouvement unitaire. Ce concept est utilisé pour les pompes et tous...) au même régime ; il est demeuré longtemps et reste encore le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs et de quelques motos sportives répliques de motos de compétition en GP et tout-terrain.
  • Depuis 1990, on s’intéresse de nouveau au moteur à deux temps pour l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée...) mais en injection directe (L'injection directe est une technologie utilisée dans les moteurs à combustion interne. Elle consiste à diffuser le carburant directement dans la chambre de combustion plutôt qu'en amont dans la tubulure d'admission pour les...), ce qui constitue une évolution sans réelle utilisation pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), notamment du fait de la difficulté de maîtriser la dépollution.

Technique

Fonctionnement du cycle 2 temps
Fonctionnement du cycle 2 temps

Les moteurs " deux temps " respectent le cycle de Beau de Rochas en utilisant les deux côtés du piston : la partie supérieure pour les phases de compression et de combustion et la partie inférieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de conséquence, d'échappement). Ils épargnent ainsi les mouvements (donc latences, frottements…) de deux cycles non producteurs d'énergie et produisent davantage de couple et de puissance.

Avantages

Les moteurs " deux temps " permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être compris dans de nombreux domaines.) demeure difficile à assurer et certains effets de l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.

Les principaux avantages de ces moteurs sont :

  • une combustion à chaque tour moteur, donc une puissance massique (La puissance massique est le ratio d'une puissance (en W) par une masse (en kg). La puissance massique s'exprime donc dans le système international en W/kg ; elle traduit la...) très élevée malgré des régimes souvent relativement faibles.
  • une puissance spécifique (puissance/cylindrée) très élevée possible avec un échappement accordé qui suralimente le moteur à haut régime (motos de sport).
  • une simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ;
  • une certaine fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) qui en découle ;
  • une certaine capacité à utiliser les carburants provoquant des combustions détonantes (CAI).
  • un graissage des éléments en rotation quelque soit l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de...) du moteur plus d'info (lien)

Inconvénients

Les principaux inconvénients des moteurs deux temps sont :

  • une forte consommation spécifique, spécialement à faible charge (à faible régime et faible puissance) quand le moteur est poussé (résonateur accordé). Pour y remédier en partie, il faut faire appel à une injection directe de carburant.
  • une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) de puissance plus pointue que celle d'un 4 temps, qui rend la conduite moins agréable : la marge de couple disponible étant plus faible, il faut "rester dans les tours".
  • une usure rapide, surtout à haut régime, due aux lumières des canaux de transferts qui torturent les segments à leur passage : ils y subissent des contraintes différentes et importantes, usant le cylindre anormalement dans ces zones) ;
  • le niveau de pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...) par hydrocarbures imbrûlés HC est important, du fait qu'une partie du mélange air essence admis ne brûle pas et sort directement par l'échappement (solution technique : l'injection directe), de plus l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est cependant...) utilisée pour la lubrification brûle différemment de l'essence ;
  • le graissage pose problème (surtout au niveau des segments et du bas moteur) car l'huile diluée dans l'essence pour assurer la lubrification ne privilégie pas spécialement ces zones ; de plus, elle brûle mal donc produit des composés imbrûlés, qui ont tendance à se déposer au lieu d'être évacués par l'échappement;
  • faible frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) moteur.

Pour ces différentes raisons, les moteurs deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition, car ils polluent beaucoup plus que des moteurs quatre temps équivalents (tondeuses à gazon, tronçonneuses, vélomoteurs, moteurs hors-bord (Un moteur hors-bord est un système de propulsion utilisé sur des bateaux. Il contient en un seul bloc, le moteur à explosion, la transmission et l'hélice propulsant le bateau. Sur certains moteurs (en...), petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélisme…).

Le développement de moteurs quatre temps à forte densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et...) de puissance paraît donc nécessaire… aux services marketing (Le marketing (on utilise aussi parfois — dans 7% des cas, d'après les chiffres donnés par Google — le néologisme français mercatique) est une discipline qui cherche à...), mais pas aux bureaux d'étude !

Les émissions de polluants des moteurs 2 temps et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) élevé de ces moteurs rendent nécessaire l'application de normes de réduction de pollution.

Diesels deux temps

Toutefois, les moteurs deux temps présentent encore un fort potentiel dans des secteurs spécifiques, par exemple celui des très grandes puissances (propulsion marine ou production électrique) où des diesels deux temps dits "  moteurs lents  " délivrent plus de 95 000 chevaux avec un excellent rendement (50 %).

Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) atteint un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) de diamètre et la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) jusqu'à trois mètres. La vitesse (On distingue :) de rotation de leur arbre est d'environ 120 tours/minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et la faible consommation mais leur encombrement (ils occupent trois étages de la plupart des navires équipés) est toutefois parfois gênant, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme celui de leurs homologues quatre temps.

Une évolution très prometteuse mais encore rare sur le marché se poursuit depuis l'an 2000 dans ce domaine avec le système d'injection directe Orbital appelé Common rail en anglais (HDI Peugeot (Peugeot est une marque de constructeur automobile français fondée par Armand Peugeot de la famille Peugeot en 1896. Le siège est à Paris et les bureaux d'étude et de...), DITECH Aprilia, PUREJET Piaggio, KDI Kymco, DI Suzuki Katana (La Katana est une moto produite par le constructeur japonais Suzuki.), etc.), qui optimise leur fonctionnement tout en diminuant la pollution de 80 % et la consommation de 40 à 50 %.

Architectures alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.)

Les défauts du moteur à combustion interne classique, dont son rendement, ses vibrations et la difficulté de sa dépollution, ont suscité de nombreuses propositions alternatives. Beaucoup sont restées à l'état de dessins ou de maquettes, certaines ont données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) des prototypes fonctionnels, et quelques rares des productions industrielles.

La plus connue, utilisée notamment dans les automobiles, est celle du moteur à piston rotatif (Le moteur à piston rotatif est un moteur à combustion interne dans lequel l'élément moteur est animé d'un mouvement rotatif, et non alternatif.), notamment le moteur Wankel (Le moteur Wankel fut inventé, développé, et son brevet vendu par celui qui lui a donné son nom : Félix Wankel.).

Pour l'instant, aucune autre solution ne semble devoir détrôner le moteur à pistons avec son vilebrequin et ses soupapes...

Caractérisation

La cylindrée d'un moteur est le volume total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une...) (tous cylindres) déplacé durant un cycle. Elle est calculée à partir du diamètre d'un cylindre (l'alésage), de la distance parcourue par un piston (la course) et, du nombre de cylindres.

La puissance développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites...), souvent exprimée par une courbe de puissance moteur (On peut observer ici une courbe de puissance d'un moteur à explosion à tous les régimes.), doit être mesurée selon certaines normes définissant en particulier les accessoires mis en œuvre et les conditions de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) et de pression. Elle est toujours supérieure à la puissance réellement disponible aux roues pour un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) du fait des pertes dans la transmission. L'unité légale utilisée est le kW mais souvent accolé au cheval-vapeur (ch).

Le couple maximal exercé sur l'axe. L'unité légale utilisée est le kN*m mais le kg*m reste courant. La puissance est le produit du couple par la vitesse de rotation (attention, pour obtenir des watts, il faut multiplier des N*m par la vitesse en radians par seconde !).

La vitesse maximale de rotation généralement exprimée en tours par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale,...).

La puissance spécifique exprime la puissance produite en fonction de la cylindrée (volume de gaz contenus après le cycle d'admission). Elle est souvent exprimée en la rapportant au litre de cylindrée. Un moteur de 500 cm³ développant 33 ch présente ainsi un rendement de puissance de 66 ch au litre tandis qu'un 3 000 cm³ développant 120 ch n'en offre que 40. L'augmentation de la puissance spécifique est d'autant plus aisée que la cylindrée unitaire diminue (donc que le nombre de cylindres augmente) puisque la puissance augmente avec le régime. Or, un moteur de forte cylindrée unitaire fonctionnant rapidement développe des moments mettant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...), en particulier le piston, à rude épreuve et, donc menace sa fiabilité.

La puissance massique est un rapport entre la puissance développée et la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) du moteur. Dans le cas d'un moteur à poste fixe, elle n'exprime le plus souvent rien d'utile, mais les constructeurs d'aéronefs lui accordent par contre une grande importance.

Le taux de compression d'un moteur exprime le rapport entre le volume laissé dans l'un de ses cylindres au point mort bas et au point mort haut (En mécanique avec un dispositif utilisant un piston alternatif (moteur à explosion ou compresseur, par exemple), on parle de point mort haut et de point mort...). Plus il est élevé plus le mélange est comprimé donc plus l'explosion sera forte, donc difficile à gérer (choc mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...), température…) mais plus le rendement du moteur sera élevé : voir l'étude thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première...).

Refroidissement

Les combustions répétées surchauffent les pièces en contact (piston, cylindre, soupape) et se diffusent sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à explosion ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) d’une température régulière et adaptée.

Refroidissement à air

Moteur de la Coccinelle
Moteur de la Coccinelle

En 1875 le français Alexis de Bischop utilise l'air pour le refroidissement. Son moteur sans compression préalable, de type mixte, comportait un cylindre entouré d'ailettes métalliques augmentant ainsi la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) en contact avec l'air.

Ce type de refroidissement est surtout utilisé pour les moteurs équipant les vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais aussi sur des automobiles, comme certaines Porsche (Porsche AG est un constructeur de voitures de sport fondé en 1931 par Ferdinand Porsche, l’ingénieur qui créa la première Volkswagen. La société a son siège social à Zuffenhausen, un quartier de Stuttgart.), GS, la 2CV ou la Coccinelle. Le refroidissement par air est aussi la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à...) pour les moteurs à pistons équipant les avions.

Le refroidissement à air a longtemps été la référence pour les moteurs de motocyclette (Une motocyclette, également appelée par son apocope moto, est un véhicule motorisé à deux roues monotrace (les roues sont l'une derrière l'autre). Le pilote y est assis à...) (même s'il a toujours existé des moteurs de motocyclette à refroidissement liquide), mais les problèmes entraînés par le haut rendement de ces moteurs (casses, usure prématurée) ont conduit à la quasi généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils puissent être considérés de...) du refroidissement liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), malgré les avantages spécifiques pour la motocyclette du refroidissement à air (encombrement, poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...), simplicité, prix).

Il peut être optimisé par l'utilisation d'un ventilateur, dont la présence ne révèle toutefois pas toujours un refroidissement à air, car il dissipe parfois la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) du radiateur d'un système de refroidissement liquide.

Refroidissement liquide

Radiateur moderne, en aluminium
Radiateur moderne, en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.)

C'est l'anglais Samuel Brown qui inventa le refroidissement du moteur par de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) afin d'améliorer les performances du refroidissement. Dans son moteur, l'eau entraînée par une pompe circule autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) des cylindres entourés d'une chemise, l'eau est refroidie par contact direct avec l'air ambiant.

  • Le radiateur fut inventé en 1897 par l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de produits, de...) allemand Wilhelm Maybach (Constructeur automobile, fondé par Wilhelm Maybach, spécialisé dans les voitures de luxe, telles que les Maybach-Zeppelin DS7 et DS8 produites entre 1928 et 1934.). Après de nombreux tâtonnements, il mit au point le radiateur dit " nid d'abeille " qui permet le refroidissement très efficace d'un liquide. Il est composé d'un faisceau de conduits courts et étroits entre lesquels circule l'air. L'air peut être accéléré par un ventilateur placé devant ou derrière lui. Ce radiateur est situé dans un circuit fermé ou semi-fermé emplit d'un liquide (à base d'eau) assurant le refroidissement du moteur.
  • Dans les moteurs les plus anciens, la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'eau est assurée par thermosiphon : l'eau chauffée par le moteur monte vers le radiateur, placé en hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Une fois refroidie, elle redescend vers le moteur. Dans les moteurs modernes, on utilise une pompe à eau.
  • Un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) permanent de la température vise à maintenir l'eau et l'huile dans des conditions permettant une lubrification optimale.
  • Idéalement, la température du liquide de refroidissement (Le liquide de refroidissement est un liquide utilisé dans un circuit fermé dans le but d'évacuer des calories créées sous forme de chaleur. Le plus...) est d'environ 75°-95° Celsius, déterminée par plusieurs facteurs tels que tolérances d'usinage et résistance au frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) des pièces mécaniques, lubrifiants utilisés.
  • La régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique calorstat située dans le circuit de refroidissement, associée à un ou plusieurs ventilateurs asservi par une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques et...) thermocontact à la température du liquide dans le radiateur.
  • Dans les moteurs marins, le radiateur est remplacé par un échangeur de température. L'eau de mer assurant le refroidissement du circuit d'eau douce du moteur.
  • Le radiateur à buses de Hugo Junkers (Junkers & Co est une société métallurgique allemande. Elle a été fondée en 1895 par Hugo Junkers à Dessau. Elle produisait à l'origine différentes inventions du fondateur comme des...)

Le dispositif de radiateur à buses (en allemand : Düsenkühler) est un échangeur de chaleur dans lequel l'air en se réchauffant génère une certaine poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.). Cet effet est créé par l'introduction de l'air dans le refroidisseur au travers de fentes minces orientées dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) du déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur,...) du véhicule où il se dilate en se réchauffant et sort par une buse dans le sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) au déplacement. Le système ne génère aucune poussée lorsque le véhicule est immobilisé. Ce principe de refroidissement a été mis en œuvre sur les avions à moteur refroidi par eau.
Le brevet de ce dispositif a été déposé en 1915 par Hugo Junkers.

Refroidissement par huile

Tout les moteurs à combustion interne utilisent déjà un liquide pour la lubrification des pièces en mouvement, l'huile qui circule, propulsée par une pompe, il suffit donc de faire circuler ce liquide dans les zones les plus chaudes et, surtout, d'en assurer le refroidissement correct.

Tous utilisent plus ou moins le refroidissement par huile : carter d'huile bas moteur ventilé, parfois muni d'ailettes, un petit radiateur d'huile.

Ou d'une manière plus déterminante. Exemple: certaines motos à 4 cylindres de marque Suzuki utilisent un refroidissement mixte air-huile, avec un gros radiateur d'huile.

Avantages : les canalisations, pompe, radiateur indépendant et liquide, spécifiques au refroidissement deviennent inutiles. Cela permet un net gain de poids et une plus grande simplicité de conception.

Inconvénients : l'huile transporte moins bien la chaleur que l'eau et les spécificités de ces huiles les rendent plus coûteuses pour l'utilisateur. De plus, le graissage du moteur est moins performant (à isopérimètre) car il y a des pertes de charges dues à la circulation dans le radiateur d'huile.

Architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) des moteurs à explosion

Moteur en double étoile à 14 cylindres
Moteur en double étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) à 14 cylindres

Voir les articles détaillés:

  • Cylindres en ligne
  • Cylindres en V
  • Cylindres en W
  • Cylindres opposés horizontalement (Boxer)
  • Cylindres en H
  • Cylindres en étoile
  • Moteurs complexes (moteurs en carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un...), etc.)

Maintenance

Les moteurs à explosion exigent une maintenance régulière de leurs différents organes.

Historique

Monocylindre

Le premier brevet concernant un moteur à explosion a été déposé par le Suisse François Isaac de Rivaz (François Isaac de Rivaz, dit Isaac de Rivaz, de nationalité suisse, né à Paris le 19 décembre 1752, mort à Sion, le 30 juillet 1828, fut un homme politique et un inventeur.) le 30 janvier 1807.

Quatre cylindres

Schéma d'un moteur 4 cylindres vers 1900
Schéma d'un moteur 4 cylindres vers 1900

Panhard (Panhard fut un constructeur français dont l'activité « automobile » a été arrêtée en 1967 après sa reprise par Citroën. Il reste aujourd'hui constructeur de véhicules militaires.) et Levassor, dès 1896, engagent un " quatre cylindres en ligne " sur l'épreuve Paris-Marseille-Paris. Deux ans plus tard, les multicylindres (à quatre cylindres) gagnent les grosses voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des moyens...) et, progressivement, se généralisent à l'ensemble de la gamme, devenant, en quelque sorte, l'archétype mondial pour les voitures courantes de moyennes et basses gammes.

Une première variante, le quatre cylindres en V, fait son apparition en course à la charnière des deux siècles, sur des modèles Mors et Ader. Quelques années plus tard, cette solution séduit Peugeot et Ariès pour leurs modèles courants d'avant 1914. Beaucoup plus tard, à partir de 1962, Ford (Ford Motor Company, généralement appelée simplement Ford, est un constructeur automobile américain.) en fera une large utilisation, mais aussi Matra et SAAB (Saab est le nom d'un constructeur aéronautique et d'un constructeur automobile suédois. Ce nom est un acronyme de Svenska Aeroplan AB (AB pour Aktie Bolaget), ce qui...).

Deuxième variante, le quatre cylindres (en ligne) couché, que l'on trouve en compétition chez Amédée Bollée (Amédée Bollée père (1844-1917) est un fondeur de cloche et un inventeur français spécialisé dans l'automobile. Un de ses fils porte le même prénom, l'autre celui de Léon, futur...) (1898/99) (premier moteur à quatre cylindre monobloc (les autre moteurs quatre cylindres à l'époque étaient des bicylindres ou des monocylindres accouplés)) et chez Wolseley et Winton (1903). On l'a trouvée sur les motocyclettes BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en français : manufacture bavaroise de moteurs) est une société industrielle...) série K et sur les Peugeot 104 (La 104 est une petite voiture française construite par Peugeot.) - 205, mais aussi sur les véhicules utilitaires ou monospace (Un monospace, aussi appelé monovolume, mini-fourgonnette (Canada francophone) ou MPV (Multi Purpose Vehicle: véhicule multi-usage),...) optant pour la solution " moteur sous le plancher ".

Troisième variante, le quatre cylindres à plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert à 180°. Emblématique, dans sa version refroidissement à air, des " coccinelles " de Volkswagen (Volkswagen est une marque automobile allemande appartenant au groupe Volkswagen AG. L'actuel président de la marque s'appelle Wolfgang Bernhard (juillet 2005). Il remplace Peter Hartz, qui a donné sa démission. Rappelons tout de même...). Cette architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe actuellement les Subaru (Subaru est un constructeur automobile japonais, né en 1956, et faisant partir du groupe Fuji Heavy Industries) Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde (Le mot monde peut désigner :) des rallyes WRC.

Moteur V6 moderne (Mercedes)
Moteur V6 moderne (Mercedes)

Mais la course — où l'on recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) la vitesse — est exigeante en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de puissance, surtout quand il s'agit de courses de côte. D'où la tentation d'augmenter le nombre de cylindres.

La marque néerlandaise Spyker (Spyker est un constructeur automobile néerlandais fondé en 1914, à l'origine l'entreprise était tournée vers l'aviation, on remarque encore aujourd'hui sur le logo de la marque cette référence...) avait présenté un modèle 6 cylindre en 1903[1]. Un modèle Chadwick aux États-Unis franchit le pas en 1907 pour la course de côte (La course de côte (ou simplement "la côte" dans le jargon) est une discipline de sport automobile qui consiste à parcourir le plus rapidement possible un tracé au dénivelé relativement important.) de Fairmont. L'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) suivante, cette fois en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...), Rolls-Royce fait de même pour la course Londres-Edimbourg, en faisant appel à des six cylindres. La transposition aux modèles courants est quasi-immédiate pour les voitures de sport et de luxe. En Europe, c'est le cas pour Delaunay-Belleville, Napier, Mercedes, aux États-Unis pour Marmon. Plus tard, à partir de 1927, on trouvera des six cylindres (presque toujours en ligne) sur un grand nombre de modèles non sportifs, même pour des cylindrées modestes. L'atout principal de cette solution étant la souplesse de fonctionnement du moteur.

Dans le monde de la motocyclette, le 6 cylindres restera rare. On le trouve en compétition, en particulier chez Honda dans les années 1960 (moteur en ligne) ou chez Laverda en endurance (moteur en V). Les moteurs de plus de 4 cylindres seront interdits en compétition. Sur les véhicules de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée supérieure à 24 heures. Ce qui implique la consommation d'une...), on trouvera essentiellement la Honda 1000 CBX (moteur à 24 soupapes refroidi par air) la Kawasaki Z 1300 (Les Z 1300 sont d'anciennes automotrices électriques de banlieue de la Compagnie de l'État. Intégrées à la SNCF en 1938, elles desservaient les lignes de l'Ouest de Paris.) (moteur à 12 soupapes refroidi par eau) et, plus marginalement, chez Benelli avec une 750, puis une 900. En 2006, Honda propose toujours à son catalogue un modèle 6 cylindres à plat, la GoldWing.

Huit cylindres et plus

Une nouvelle étape est franchie quand on passe au " huit cylindres ". Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V. La même année, apparaissent, toujours pour la compétition, des huit cylindres en ligne.
Les moteurs d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air,...) des années 30 et 40 répondent à la demande sans cesse croissante de puissance. Les moteurs courants sont des V-12 ou des moteurs en étoile de 1 à 4 rangées de 7 à 9 cylindres, soit 28 cylindres à la fin de la guerre pour les Whright développant 3500 cv, remplacés par les réacteurs.

Les États-uniens, grands amateurs de grandes automobiles et sans souci du prix de l'essence, démocratisèrent les gros V8 au couple très élevé et aux vitesses de rotation assez lentes.

Moteur W16 de la Bugatti
Moteur W16 de la Bugatti (Bugatti est un constructeur de voitures français, plus précisement alsacien, propriété du groupe Volkswagen AG depuis 1998.) " Veyron "

Les constructeurs des monoplaces de F1 utilisèrent pendant longtemps des V8 de 3 litres de cylindrée, dont le fameux Ford Cosworth. Dans les années 1990, c'est la structure V10 (Un V10 est un moteur dans une configuration en V qui a 10 cylindres.) qui aura la faveur des motoristes de F1. Même l'écurie Ferrari ( Automobiles et motos Ferrari, constructeur automobile italien dont le nom provient de son fondateur Enzo Ferrari. Scuderia Ferrari, l'écurie de course du constructeur....), très attaché aux 12 cylindres en V, se pliera aux lois de cette formule. Depuis l'année 2004 les instances sportives (FIA) ont imposées un retour au V8 avec des contraintes de fiabilité plus importante que par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...).

En 2006, les structures V10, V12 et à 16 cylindres sont réservées aux véhicules à tendance sportive.

Avantages

  • Les moteurs à vapeur () sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants. De plus, ils nécessitent une longue phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.). En revanche, ils permettent un démarrage très efficace, grâce à la pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.) accumulée ;
  • Les moteurs électriques bénéficient d'un excellent rendement, mais utilisent une source d'énergie dont on maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond...) assez mal le stockage ou la production embarquée: les batteries d'accumulateur restent lourdes, encombrantes et, surtout, longues à recharger ;
  • Les moteurs à explosion sont assez légers et petits, compensant un couple un peu faible par une vitesse de rotation élevée. Leur source d'énergie est peu encombrante et rapidement renouvelable, ce qui en fait des moteurs tout à fait indiqués pour équiper de petits véhicules roulants, mais aussi volants. Il n'est plus nécessaire de traîner sa tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon...) de charbon en plus d'une citerne (Une citerne est destinée à la collecte des eaux de pluies et à leur rétention afin d'en permettre une utilisation régulière, quotidienne (bien souvent domestique...) d'eau pour espérer avancer à une vitesse raisonnable ;
  • La facilité d'utilisation et de maintenance de ce type de moteur explique également son succès. Aussi, ces moteurs ne sont pas délicats et fonctionnent sans problème avec divers carburants, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des modifications importantes. L'essence peut être remplacée par de l'alcool ou du gaz et le gazole (Le gazole (terme recommandé en France par la DGLFLF), ou gas-oil, ou encore gasoil, ou diesel (terme recommandé par l'Office québécois de la langue...) par des huiles végétales, ce qui, soyons optimistes, pourrait nous permettre de conserver nos véhicules personnels après l'épuisement des réserves pétrolières. Le Brésil a développé à large échelle les véhicules à alcool dans les années 70 et 80 avant de la négliger, puis de la relancer au début du XXIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération...), avec la vogue des véhicules "flex-fuel" (bi-carburation).

Inconvénients

Mais, comme toutes choses sur cette terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), les moteurs à explosion n'ont pas que des avantages.

  • Ils ne sont vraiment efficaces qu'à assez basse altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...), là où la teneur en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air est forte : les moteurs à explosion ont permis l'envol des avions, mais ils les limitent également dans leur évolution. On peut compenser partiellement cet inconvénient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs.
  • La combustion entraîne le rejet de gaz potentiellement polluants. Ils sont, de ce fait, malgré des aménagements spécifiques, désignés comme une des principales sources de pollution des villes.
  • Le rendement du moteur à explosion est plutôt mauvais comparativement au moteur électrique.
  • Les moteurs à explosion, utilisent généralement un carburant d'origine fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un...), ils ont donc besoin d'une source d'énergie qui n'est pas renouvelable. L'utilisateur d'un moteur à explosion dépend de la fourniture de carburant notamment de son prix.
  • Le moteur à explosion réclame un entretient régulier (vidange huile et eau, changement des filtres air et carburant, réglages) , si on souhaite avoir un rendement correct et une durée de vie (La vie est le nom donné :) normale.

Améliorations

Modification du mélange gazeux

Parmi toutes les modifications améliorant le fonctionnement, on peut citer l'ajout d'eau ou de vapeur d'eau dans le mélange gazeux. Voir pour cela deux liens : Moteur à eau (Cet article traite du terme de moteur à eau.), (en particulier la partie Moteur à eau: L'eau comme additif dans le carburant), et l'article dédié Injection d'eau dans les moteurs

Taux de compression variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. ...)

Appelé moteur VCR (Variable Compression Ratio).

Meilleure est la compression du mélange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis. Une solution à ce problème consisterait à varier dynamiquement le volume de la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments...). En effet, en ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations...) par exemple, le moteur fonctionne souvent au ralenti, très loin de sa charge optimale et, donc avec un mauvais rendement, que l'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le volume de la chambre de combustion entre faible charge et de fortes sollicitations.

Déjà en 1928, Louis Damblanc (Louis Damblanc, (29 juin 1889-1969), est le constructeur de la première fusée à étage du monde.) dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose en 1990 son brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) et vibrations excessives.

L'idée de MCE-5, fondé par Vianney Rabhi est de faire varier le volume de la chambre de combustion en faisant varier la hauteur du piston dans l'axe du cylindre grâce à une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) dentée et une crémaillère, avec un calcul électronique de la position optimale. Le VCR est particulièrement intéressant couplé avec un turbocompresseur, ce moteur imposant un faible taux de compression sur un moteur classique, alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz…) et les gaz d'échappement étant plus chauds, le pot catalytique monte plus vite en température.

Il reste néanmoins à régler des problèmes de poids, de tenue mécanique et des questions de coûts industriels. Mais son industrialisation à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique,...) 2015-2020 reste très possible, surtout en cas de forte hausse du prix des carburants. Une adaptation du VCR est possible, mais semble peu pertinente en termes économiques.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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