2. Moteur - A. Comment Fonctionne un moteur ?

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Message par Mr WORSEPOWER le Lun 13 Mai - 14:12

Le cœur d'une voiture est constitué par son moteur. Il est indispensable d'en comprendre le fonctionnement pour extraire d'une voiture toute sa quintessence.

Principes et Configuration

La plupart des voitures sont équipées d'un moteur dit "alternatif" à quatre temps. Les moteurs alternatifs sont composés de cylindres dans lesquels un piston se déplace afin de générer de l'énergie. Les quatre temps du moteur sont les suivant : admission, compression, explosion et échappement.
Examinons de plus près ces quatre étapes du cycle.
Durant la première, l'admission, la soupape d'admission s'ouvre juste avant que le piston atteigne son "point mort haut", sa position la plus haute dans le cylindre, à proximité de la culasse. Pendant la descente du piston vers la position basse, le mélange air-essence est aspiré à travers l'orifice libéré par la soupape d'admission.
Lorsque le piston rejoint sa position la plus basse dans le cylindre, la phase d'admission s'achève pour laisser place à la compression durant laquelle toutes les soupapes sont fermées et la remontée du piston comprime le mélange air-essence dans le cylindre.
Dès que le piston à rejoint sa position la plus haute dans le cylindre (comprimant le mélange air-essence), une étincelle est déclenchée sur la bougie, faisant exploser le mélange air-essence comprimé à sa valeur maximale. Il s'agit de la phase d'explosion pouvant porter la température du cylindre à 2000°C et la pression à 200 bar. Cette combinaison de température et de pression très élevées renvoie le piston vers le bas, faisant ainsi tourner le vilebrequin et créant une énergie mécanique rotative.
La phase d'échappement débute lorsque le piston atteint de nouveau sa position basse. La soupape d'échappement s'ouvre alors afin de permettre aux gaz brûlés de quitter le cylindre. Ces gaz ne s'évacuent pas sous l'effet de la remontée du piston, mais grâce à la chaleur et la pression générée. À la remontée du piston, la soupape d'échappement se referme et le cycle se renouvelle à la fin du temps d'échappement.
Un moteur reproduit ce cycle plusieurs centaines de fois par minutes au ralenti et plusieurs milliers de fois par minutes à régime élevé, afin de continuer à générer l'énergie de déplacer la voiture.


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Types de Configuration des Cylindres



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Moteur en Ligne
Plusieurs cylindres sont alignés. Tous les cylindres animent le même vilebrequin et le bloc cylindre est composé d'une seul pièce, ce qui simplifie la fabrication et permet une relative légèreté du moteur. En revanche, plus le nombre de cylindres est élevé, plus le moteur est long, ce qui impose un compartiment moteurde grande taille à bord de la voiture.




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Moteur en V
Deux banc de cylindres sont associés selon une forme en V. Ceci permet de raccourcir le vilebrequin et offre une configuration compacte. Même lorsque le nombre de cylindres est élevé, l'oscillation est réduite et la faible longueur de l'ensemble par les blocs cylindres et le vilebrequin améliore la stabilité du moteur.




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Moteur à Plat
Les cylindres sont disposés face-à-face, d'où l'appellation "à plat". Les cylindres de gauche et de droite sont reliés par le vilebrequin situé entre les eux. On appelle parfois ce type de moteur "boxer" parce que le déplacement des pistons ressemble à celui des bras d'un boxeur. L'avantage principal de ce moteur se situe dans son centre de gravité très bas dû à sa hauteur réduite.




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Moteur en W
Cette appellation faisait référence à un type de moteur où le vilebrequin est allé à trois banc de cylindres adoptant la forme en W, mais s'applique aussi, depuis quelques années, à un ensemble de deux moteurs en V étroit accouplés. Un moteur en W est généralement plus large qu'un moteur en V, mais son vilebrequin est plus court, ce qui représente un avantage conséquent sur les moteurs comportant au moins 12 cylindres.




Configuration de Soupapes

Un moteur quatre temps est équipé de deux types de soupapes : les soupapes d'admission s'ouvrant pendant la phase d'admission pour laisser entrer le mélange air-essence frais et celles d'échappement s'ouvrant durant la phase d'échappement pour laisser s'écouler les gaz brûlés. Les soupapes sont situé dans la culasse et jouent un rôle crucial pour l’étanchéité de la chambre de combustion.
Les moteurs modernes utilisent le plus souvent un arbre à cames en tête situé dans le haut moteur, ce qui augmente la fiabilité du déplacement des soupapes. De nombreux moteurs modernes sont dits "multisoupapes" et comportent deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement par cylindre (soit quatre au total par cylindre), mais les moteurs visant un bon rendement de la combustion à bas régime avec 2 soupapes par cylindre (une d'admission et une d'échappement) vont probablement faire leur retour.

Les dernières tendances en matière de mécanique font appel à la distribution variable. Initialement, ce système permettait de deux types d'ouverture distincts, l'un destiné aux bas régimes et l'autre aux régimes élevés, mais les développement récents ont permis de faire varier de manière continue la synchronisation et le débattement afin de l'adapter à l'ensemble des plages de régime. Le dernier mécanisme de distribution variable du moteur "Valvetronic" de BMW permet de faire varier la puissance sans papillon de gaz, ce qui améliore le rendement
.




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2ACT
Double Arbre à Cames en Tête
La configuration à 2ACT fait appel à un double arbre à cames en tête (DOHC = Double OverHead Camshaft en anglais). Sur un moteur à 2ACT, l'un des arbres à cames agit sur les soupapes d'admission tandis que l'autre intervient sur les soupapes d'échappement. Outre l'avantage en terme de stabilité obtenu en confiant la tâche à deux arbres distincts, la distribution subit moins de contraintes, ce qui permet d'atteindre des régimes plus élevés.Ceci autorise à son tour une puissance moteur supérieur, ce qui explique pourquoi cette configuration est retenue sur la plupart des moteurs à hautes performances.




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ACT
Simple Arbre à Cames en Tête
Sur un moteur à simple arbre à cames en tête (SOHC = Simple OverHead Camshaft en anglais), un arbre unique situé dans le haut moteur agit à la fois sur les soupapes d'admission et d'échappement. Selon le type de chambre de combustion, l'arbre à cames peut attaquer soit directement, soit par l'intermédiaire des culbuteurs. Compte tenu du nombre réduit du nombre de pièces en mouvement, l'action sur les soupapes est plus fiable que sur un moteur à soupapes en tête. Elle est en revanche moins simple que sur un moteur 2ACT, mais il existe des moteurs ACT tournant aux régime ce qui signifie que la supériorité d'un moteur n'est pas systématiquement liée au nombre d'arbre à cames en tête.




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Soupapes en tête
Moteur culbuté
Sur ce type de moteur, les soupapes sont, comme dans le cas des moteurs à arbre à cames en tête, montées dans la culasse. Par abus de langage, les soupapes latérales ayant depuis longtemps disparu, on parle aujourd'hui rarement en français de moteur à soupapes en tête (OHV = OverHead Valve en anglais), mais plutôt de "moteur culbuté". On considère en effet que les soupapes se trouvent par défaut dans la culasse, la distinction s'effectuant sur l'emplacement du ou des arbre à cames en tête (en tête, c'est-à-dire dans la culasse ou dans le bas moteur relié à l'extrémité du vilebrequin).
Dans ce type de moteur, les soupapes sont animées par l'intermédiaire de culbuteurs relié à l'arbre à came par de longues tiges ou "poussoirs". Il s'agit d'une structure simple et facile d'entretien, mais ce type d'attaque des soupapes est moins fiable à régime élevé et généralement écarté sur les moteurs puissants.




Moteurs Rotatifs

Les moteurs rotatifs (dits aussi "Wankel") sont similaires aux moteurs alternatifs dans la mesure où ils emploient aussi quatre temps (admission, compression, explosion et échappement). Leur fonctionnement est cependant très différent.

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À la place de cylindres, ce type de moteur emploi un carter (stator) de la forme d'un stade d'athlétisme dans lequel se déplace un rotor grossièrement triangulaire. Ce rotor tourne de manière irrégulière à l'intérieur du stator, contractant ou augmentant le volume situé entre lui et la paroi intérieure du stator et dans lequel se produisent les quatre phases d'admission, compression, compression et échappement. Un moteur rotatif est généralement composé de deux ou trois ensemble rotor-stator juxtaposés.

Dans les moteurs alternatifs, le déplacement de plusieurs pistons empêche de régler finement la puissance et génère de nombreux bruits et vibrations. Sur un moteur rotatif, le mouvement ayant lieu de manière circulaire, le fonctionnement est nettement plus doux. Un autre avantage de ce type de moteur est l'absence de soupape réduisant notablement le nombre de pièce mobile susceptibles de causer une panne. Les moteurs rotatifs sont généralement plus léger et, malgré les progrès réalisés sur les moteurs alternatifs, demeurent les plus compacts.

Sur un moteur rotatif, la distribution des temps d'admission et d'échappement est définie par la forme et la position des lumières (les orifices par lesquels entrent et sortent les gaz) dans la paroi du stator. Les réglages d'admission et d'échappement d'un tel moteur se bornent à modifier la forme et la position de ces lumières. Par ailleurs, l'absence de soupapes d'échappement (les gaz brûlés quittant directement la lumière d'échappement), ce type de moteur est remarquablement adapté à l'emploi de turbocompresseurs.
Un moteur rotatif consomme en revanche davantage de carburant qu'un moteur alternatif du fait de la surface élevée par rapport à la taille de la chambre de combustion, des pertes thermiques et du faible rendement de l'énergie de révolution.


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