Moteur à allumage commandé - Définition
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Introduction
Un moteur à allumage commandé, plus communément appelé moteur à essence en raison du type de carburant utilisé, est une famille de moteur à combustion interne, pouvant être à mouvement alternatif (à deux ou quatre temps) ou à mouvement rotatif (Wankel). L'ingénieur belge Étienne Lenoir fabrique en 1860 le premier moteur à allumage commandé. C'est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu'il fabriquera à quelques 400 exemplaires faisant ainsi de lui le premier industriel de cette technique de l'allumage commandé.
Le physicien Beau de Rochas théorise en 1862 la thermodynamique des moteurs à quatre temps, mais il faut attendre 1872 pour que l'allemand Nikolaus Otto devienne le premier ingénieur à en concevoir un, commençant ainsi une longue série d'innovations.
Contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé ne s'enflamme pas spontanément, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par la bougie d'allumage. Le moteur à allumage commandé est donc équipé d'un système complet d'allumage, composé d'une bougie, provoquant l'arc électrique enflammant les gaz dans la chambre de combustion, d'une bobine servant à produire les hautes tensions nécessaires à la création de l'étincelle et d'un système de commande de l'allumage (rupteur ou système électronique).
Histoire
Naissance
C'est en 1860, approximativement à la même période en France et en Allemagne, que naît le moteur à combustion interne. Le 24 janvier, Étienne Lenoir dépose le brevet d'un « système de moteur à air [deux temps] dilaté par la combustion des gaz enflammés par l'électricité ». En raison de l'absence de compression des gaz préalablement à l'allumage, le moteur Lenoir souffre d'un rendement médiocre.
Il faut attendre le 16 janvier 1862 pour que le physicien Alphonse Beau de Rochas théorise le cycle thermodynamique d'un moteur à allumage commandé à quatre temps. C'est sur ce principe que fonctionne l'ensemble des moteurs à essence actuels. Néanmoins, Beau de Rochas est un théoricien et non un praticien, si bien que le premier moteur à allumage commandé, basé sur ce cycle thermodynamique, est mis au point par Nikolaus Otto en 1864.
Dans les débuts du moteur à combustion interne, la variation de l'avance à allumage permettait de moduler la puissance du moteur. Bien qu'efficace, ce procédé est limité par le phénomène de cliquetis et a été remplacé par une commande d'ouverture du carburateur. L'inconvénient du système d'avance à allumage était une consommation élevée constante de carburant, quelle que soit la puissance demandée au moteur.
Une fois conçus, les moteurs à allumage commandé sont très rapidement utilisés et installés sur des automobiles par les constructeurs naissants : Daimler, Benz, Peugeot, Renault, Panhard & Levassor, etc.
Naissance de différentes architectures
En raison des hauts régimes pouvant être atteints, les moteurs deux temps ont, en théorie, un avantage sur les quatre temps. Néanmoins, leur développement stagne jusqu'au début du XXe siècle tandis que les performances des moteurs quatre temps ne cessent de s'accroître. Les applications du moteur deux temps se multiplient alors sur les motos et motocyclettes, ainsi que sur les hors-bord et sur le matériel destiné à l'agriculture, en raison de leur légèreté et de la possibilité de fonctionner dans n'importe quelle position. Les automobiles quant à elles sont généralement mues par des quatre cylindres en ligne à quatre temps.
Durant près d'un siècle, l'architecture des moteurs va considérablement évoluer. Les quatre cylindres « en V » font leur apparition dans les années 1900 en course automobile, sur des modèles Mors et Ader. Par la suite, le nombre de cylindre ne cessera d'augmenter, de même que les cylindrées et les architectures alternatives. En 1896, Benz met au point le « Kontra », premier moteur de type boxer. Il s'agit d'un moteur à deux cylindres opposés connu pour sa large diffusion. Par la suite, les moteurs boxer trouvent de multiples applications dans le domaine automobile et seront notamment popularisés par la Volkswagen Coccinelle. En effet, en raison de leur architecture à cylindres opposés, ces moteur offrent la possibilité d'abaisser fortement le centre de gravité et d'améliorer ainsi le comportement dynamique de la voiture, ce que les moteurs en ligne ou en V ne permettent pas. Une autre disposition, bien adaptée à l'aviation et à un grand nombre de cylindres, est le moteur en étoile.
Ces moteurs fonctionnent sur le principe du mouvement alternatif des pistons et ce n'est que bien plus tard qu'un moteur à piston rotatif est inventé. Cette dernière innovation est le fruit des réflexions de Félix Wankel qui en dessine le principe en 1927. Le 20 décembre 1951, Wankel et N.S.U. signent un contrat d'association qui a pour objet le moteur à piston rotatif, dénommé moteur Wankel. Actuellement, seul le constructeur Mazda produit en série des véhicules équipés d'un tel moteur, mais ce type de moteur a aussi été utilisé sur des motos.
À noter que dans les années 1890 apparaît pour la première fois, sur des quadricycles et des motocyclettes, un moteur rotatif, dont le vilebrequin est fixe et le bloc-cylindres mobile. Gnome et Rhône, un des plus célèbres constructeurs, équipera les premiers avions de cette technique avant d'en fabriquer en très grande série pour les avions de combat de la Première Guerre mondiale. Les moteurs rotatifs équiperont également quelques motos, placés dans une des roues, sans grand succès.
Évolution des techniques
Le principe d'allumage par une bougie étant fixé, deux aspects concentreront des évolutions spécifiques aux moteurs à allumage commandé : l'allumage, et la façon d'amener le carburant jusqu'à la chambre.
L'évolution de l'allumage est liée à celle de l'électricité et de l'électronique. Après l'invention du distributeur Delco, industrialisée en 1908, les seules évolutions notables sont l'introduction du transistor à la place du rupteur, vers 1970, et le passage à l'allumage électronique intégral, vers 1980.
Du côté de l'alimentation en carburant, le principe qui fut majoritaire pendant plus d'un siècle est le carburateur. Inventé vers 1885, mais à la paternité peu claire, il fut largement majoritaire jusque vers 1990, avant d'être supplanté par l'injection indirecte, qui se répand à partir de 1960, et qui seule permit de passer les normes d'émissions polluantes. Ces deux techniques préparent le mélange comburant-carburant en amont de la chambre. Dans la technique d'injection directe, qui fut utilisée en aviation pendant la seconde guerre mondiale et dès 1952 sur des automobiles à moteur 2 temps, le carburant est injecté seul dans la chambre à proximité de la bougie. Cela peut présenter un avantage en termes de rendement, mais cette technique reste encore peu développée aujourd'hui sur les moteurs à allumage commandé.
Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient des soupapes latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement du piston. Cette technique utilise un ou deux arbres à cames et permet une grande proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre le vilebrequin et les soupapes, et connut son heure de gloire entre 1910 et 1940. Pour la compétition, et par la suite en grande série, afin de rapprocher l'arrivée du carburant et le point d'étincelle, les soupapes migrent dans la culasse, en tête de cylindre — technique OHV, pour « Overhead Valves ». Leur commande utilise des culbuteurs pour conserver un unique arbre à cames proche du vilebrequin. Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente aujourd'hui, l'arbre à cames peut être rapproché des queues de soupapes, et passer lui aussi en tête de cylindre — technique de l'ACT, pour arbre à cames en tête, ou OHC, pour « Overhead Camshaft » — grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, qui permettent de mieux maîtriser ce problème crucial qu'est l'affolement des soupapes à haut régime. Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser le fonctionnement, les techniques, comme le double arbre à cames en têtes, qui laissent cet espace central libre, sont aujourd'hui les plus répandues.
Nouvelles politiques anti-pollution
Au début du XXIe siècle, en raison de la raréfaction des ressources en pétrole et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions de CO, la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de motorisation est le downsizing. Après avoir été lancée par des constructeurs généralistes, en particulier avec les moteurs TSI de Volkswagen, recourant simultanément à un compresseur, un turbocompresseur et à l'injection directe, cette tendance s'étend aux modèles sportifs, par exemple pour l'Audi S4, qui abandonne le moteur V8 au profit d'un V6 compressé. Il s'agit de réduire la cylindrée des moteurs, tout en obtenant la même puissance qu'un moteur de plus forte cylindrée au moyen d'une suralimentation. En associant le downsizing à une injection directe, la consommation d'essence s'en trouve considérablement réduite et les émissions de CO sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'un compresseur ; en effet, afin d'éviter le phénomène de cliquetis, le rendement à très hauts régimes s'en trouve dégradé.
Depuis peu, l'hybridation des automobiles, c'est-à-dire l'association d'un moteur thermique et d'un moteur électrique dans la majorité des cas, se généralise. Cette technologie remplace une partie de l'énergie qui serait issue de la combustion de l'essence par une énergie électrique, issue de batteries ou de piles. Les moteurs à allumage commandé sont, à l'heure actuelle, les seules motorisations capables de supporter l'hybridation. Les moteurs thermiques et électriques peuvent fonctionner en concert ou indépendamment l'un de l'autre, ce qui implique un redémarrage fréquent du moteur thermique, que le moteur Diesel n'est pas apte à réaliser.
Innovations futures
L'une des évolutions majeures des moteurs à allumage commandé réside dans l'utilisation d'un taux de compression variable. La société MCE-5 est à l'origine de cette technologie, qui équipe leurs moteurs VCR MCE-5. Le principe du système est d'augmenter la pression pour accroître le rendement. Néanmoins, en raison du cliquetis, la pression est nécessairement limitée et calculée à pleine charge dans les hauts régimes, pour ne pas atteindre le « point de cliquetis ». Ceci implique donc un faible rendement à bas régime. Le MCE-5 résout ce problème en réduisant le volume de la chambre de combustion à bas régime. Ce volume varie continûment en fonction du régime moteur.
« Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et des engrenages à longue durée de vie ». Hormis le principe même de variation de volume de la chambre de combustion, l'idée fondamentale du système réside justement dans cet agencement qui permet de réaliser un piston à la cinématique parfaitement verticale, débarrassée des contraintes radiales, principale source de frottements.
Autres option technique permettant une réduction des émissions polluantes, les moteurs à cylindrée modulable – dont le nombre de cylindres en fonctionnement varie selon la charge – sont actuellement peu utilisés mais devraient se généraliser dans le futur.
Marché mondial
Le moteur à allumage commandé représente actuellement entre un tiers et un demi du marché mondial. En 2007, la part des voitures essence en Europe de l'ouest était de 46,7 % en moyenne. Néanmoins, selon de récentes études, la proportion de l'essence aurait tendance à s'accroître en raison de l'hybridation électrique-essence, des motorisations essences plus performantes, des diesels polluants, etc. Dans les transports maritimes, la part des moteurs essence est de l'ordre de 20 % contre près de 50 % pour les moteur Diesel léger.
