Fonctionnement 

Principe élémentaire

Dans un moteur thermique, le travail est produit par les différents changements d’état d’une masse gazeuse combustible (air carburé). On appelle cycle, l’ensemble des transformations de cette masse gazeuse et au bout desquelles on retrouve les conditions de début.

D’après le processus de ces transformations, on classe les moteurs en deux catégories, selon qu’ils fonctionnent suivant un cycle à quatre temps ou un cycle à deux temps.

Les moteurs automobiles fonctionnent le plus souvent suivant un cycle à quatre temps imaginé en 1862 par le Français Beau de Rochas qui lui a donné son nom.

Le moteur que nous venons de décrire. bien que très élémentaire, comporte tous les éléments qui doivent lui permettre de fonctionner suivant le cycle Beau de Rochas.

Comme nous l’avons vu précédemment, un moteur à quatre temps est composé d’un cylindre de fonte aux parois résistantes (1), fermé à l’une des extrémités par un couvercle appelé culasse (2) et évasé à l’autre extrémité pour constituer un carter (3) à l’intérieur duquel tourne un arbre coudé appelé vilebrequin (4).

Le couvercle est évidé en forme de champignon et à l’intérieur débouchent deux conduits (6) obturables chacun par une soupape (5) ; ces deux organes étant commandés mécaniquement.

Le conduit d’admission (conduit de gauche) peut être obturé par la soupape d’admission. Ce conduit fait communiquer l’intérieur du cylindre avec un appareil appelé carburateur, qui élabore le mélange gazeux air-essence constituant l’aliment du moteur.

Le conduit d’échappement (conduit de droite) peut être fermé par la soupape d’échappement. Ce conduit fait communiquer l’intérieur du cylindre avec l’atmosphère. Par ce conduit s’échappent les gaz brûlés résultant de la combustion du mélange gazeux.

Les deux soupapes sont maintenues normalement fermées grâce à un ressort (7) qui s’appuie par une de ses extrémités sur le cylindre et par l’autre extrémité sur une cuvette (8) fixée sur la queue de soupape par une clavette (9) traversant cette dernière.

Lorsque les soupapes sont en position de fermeture, elles obturent hermétiquement l’orifice correspondant.
Chaque soupape est commandée par un bossage appelé came (10) usiné sur un arbre à cames par l’intermédiaire d’un poussoir (11) coulissant dans un guide de la paroi du cylindre. L’arbre est entraîné par le vilebrequin à demi-vitesse de celui-ci.

Les cames sont décalées d’un quart de tour afin que les soupapes ne s’ouvrent pas en même temps, mais seulement au moment déterminé par le cycle de fonctionnement du moteur.

Dans le fond du cylindre est placé un inflammateur électrique appelé bougie d’allumage (12).

A l’intérieur du cylindre se déplace un piston (13) évidé qui est traversé par un axe. Sur cet axe est engagée une bielle (15) dont l’autre extrémité est adaptée sur le vilebrequin.

A l’extrémité de cet arbre qui sort du carter est claveté un lourd volant dont le rôle est très important.
 

Cycle à quatre temps

Le piston évolue dans le cylindre tantôt entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB), tantôt en sens inverse.
Lorsque le piston se trouve au PMH, les deux soupapes sont, par construction, fermées et aucune des cames n’est à l’attaque.

Considérons que le vilebrequin tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, à l’aide d’une manivelle engagée dans ce premier.

Premier temps : Admission

Le piston se déplace du PMH vers le PMB. Le volume compris au- dessus du piston augmentant, il se produit dans le cylindre une dépression qui détermine l’aspiration, par la soupape d’admission, de l’air carburé (mélange gazeux) venant du carburateur.

Lorsque le vilebrequin a fait un demi-tour, le piston est arrivé au PMB et le cylindre est rempli de mélange gazeux.

Deuxième temps : Compression

La manivelle continue son action et le piston commence à remonter du PMB vers le PMH, tandis que la came d’admission, qui a tourné d’un quart de tour pendant la rotation du vilebrequin, cesse d’attaquer la soupape correspondante ; elle se ferme. La soupape d’échappement est toujours fermée. Dans son déplacement, le piston comprime au-dessus de lui les gaz précédemment admis qui ne trouvent aucune issue pour s’échapper.

Lorsque le piston parvient au PMH, les gaz sont comprimés fortement dans la chambre de compression.

Troisième temps : Détente

Au moment où le piston parvient au PMH, une étincelle électrique jaillit aux électrodes de la bougie. Le mélange gazeux comprimé s’enflamme et, comme les soupapes sont toujours fermées, la pression s’élève très rapidement.

Lorsque l’inflammation est totale, le piston est chassé violemment vers le bas tandis que le vilebrequin reçoit une vive impulsion qui lance le volant. Ce temps est appelé le temps moteur en raison de son action ; par opposition aux autres temps qui sont des temps résistants.

A partir de ce moment là, la manivelle qui servait à faire tourner le vilebrequin est éjectée. Dès lors, le moteur va fonctionner de lui-même. L’énergie emmagasinée par le volant (énergie cinétique) va servir à faire tourner le vilebrequin jusqu’au temps moteur du cycle suivant.

Quatrième temps : Échappement

Arrivé au point mort bas, le piston recommence sa montée. A ce moment là, la soupape d’échappement s’ouvre. Les gaz brûlés, refoulés par le piston, s’échappent dans l’atmosphère.

Lorsque le piston est arrivé au point mort haut, le cycle du moteur est achevé. Toujours sous l’impulsion du volant, le piston commence à redescendre tandis que s’ouvre la soupape d’admission. Un nouveau cycle recommence.

La compression suivante s’effectue sous l’effet du volant et une nouvelle explosion détente se produit alors.

Remarques

1. Le fonctionnement décrit montre que le cycle complet du moteur s'effectue sur deux tours du vilebrequin :
              ●    Admission: 1/2 tour
              ●    Compression: 1/2 tour
              ●    Explosion détente: 1/2 tour
              ●    Echappement: 1/2 tour

2. Sur les 4 temps du cycle, un seul (explosion-détente) est moteur ; les autres sont résistants (aspiration, compression, échappement).

3. Le rôle du volant est très important puisque sans lui le moteur s’arrêterait après le temps explosion.

Fonctionnement

Dans le cycle à 4 temps, le couple moteur est positif pendant un temps (combustion-détente) et négatif pendant trois autres temps (admission, compression, échappement).

Dans un moteur monocylindrique fonctionnant suivant ce cycle, on est conduit à monter sur l’arbre moteur un volant très lourd capable d’emmagasiner une certaine énergie au temps moteur et de la restituer ensuite pour permettre au moteur d’effectuer les temps résistants.

Dans un moteur à 4 cylindres, le problème est différent. Dans chaque cylindre s’effectue un cycle complet, il se produit donc non plus une seule mais quatre explosions pendant deux tours de rotation. Au lieu de se produire simultanément, les explosions se répartissent de telle manière qu’il y a toujours un cylindre au temps moteur tandis qu’il s’effectue dans les trois autres un des trois temps résistants. Ce fonctionnement est rendu possible grâce à la forme du vilebrequin. Lorsque les pistons 1 et 4 effectuent une course ascendante, les manetons 2 et 3 effectuent une course descendante.

Avec un tel vilebrequin, deux ordres d’allumage sont possibles.

1er ordre

Le temps moteur (Travail) se produit dans le premier cylindre, puis au demi-tour suivant dans le 3e cylindre, puis dans le 4e cylindre, puis enfin dans le 2e cylindre.
 

Avec un tel ordre d’allumage (1-3-4-2), il y a un cylindre au temps moteur à chaque demi-tour du vilebrequin.

2ème ordre

Les temps moteurs s’effectuent, dans ce deuxième cas, dans l’ordre 1-2-4-3.

Les deux ordres d’allumage sont adoptés par les constructeurs ; le premier étant le plus répandu.

Définitions relatives au moteur

Course

C’est la distance parcourue par le piston entre les deux points morts. Elle s’exprime en millimètres.

Alésage

C’est le diamètre intérieur du cylindre. Il est exprimé en millimètres.

Cylindrée unitaire

C’est le volume V engendré par le piston lorsqu’il se déplace entre deux points morts. Elle s’exprime en centimètres cubes.

On considère plus généralement la cylindrée totale qui est le produit de la cylindrée unitaire par le nombre des cylindres du moteur.

Chambre de compression ou d’explosion

C’est le volume compris au-dessus du piston, lorsque celui-ci est au point mort haut. Il est parfois appelé espace mort. On désigne ce volume par la lettre v. Il s’exprime en centimètres cubes.

Taux de compression

Il existe un rapport entre le volume situé au-dessus du piston lorsqu’il est au point mort bas (V + v) et le volume situé au-dessus du piston lorsqu’il est au point mort haut, soit le volume de la chambre de compression v.

Ce rapport est appelé taux de compression. Il n’est suivi d’aucune indication d’unité puisqu’il s’agit d’un rapport entre deux unités identiques.

Article écrit par Alexandre Degrancourt

Credits: Documents Peugeot, Panhard, Ondulex, Salmson, Marine nationale.