Mécanique #1 : Notions sur les moteurs à explosion

Comme je l’annonçais précédemment, voici le premier article d’une série non pas de trois mais finalement de quatre, concernant la mécanique des moteurs à explosion qui équipent nos motos et scooters.

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Ce 1er article traite de l’histoire des moteurs à explosion. Il m’a demandé du temps de rédaction, pardon j’ai été un peu long, j’ai beaucoup de travail en ce moment. N’hésitez pas à commenter l’article pour des corrections ou précisions. 

1- La bielle-manivelle : l’invention du millénaire

Qu’importe que roulions en scooter, en moto, en voiture, en Formule 1… au gazole ou à l’essence, nos moteurs à explosions fonctionnent tous à partir du même principe de base : la bielle-manivelle. 

Ce mécanisme très ingénieux, datant du 15ème siècle en Europe, peut-être venu d’Allemagne, permet de transformer un mouvement de translation alternatif en un mouvement circulaire (ou l’inverse, selon l’usage).

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La bielle manivelle relie un mouvement circulaire à une translation

Initialement, ce mécanisme a été utilisé dans des moulins à eau, la force de celle-ci permettait la mise en mouvement pour actionner des pompes, des outils divers… Le principe était né et il n’a jamais changé.

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Un manège utilise la bielle-manivelle pour faire s’animer les chevaux de bois
Une ancienne machine à coudre tourne à l’aide d’un système bielle-manivelle entraîné par les pieds
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La foreuse du charpentier est une manivelle toute simple

Il y aurait beaucoup d’exemples à montrer de machines tournantes utilisant le système de bielle-manivelle. Je trouve qu’il est vraiment fascinant de voir que cette invention n’a jamais trouvé d’équivalent, et on la retrouve partout encore aujourd’hui, dans tous les moteurs essence ou gazole.

A noter : le terme moderne pour la « manivelle » est vilebrequin. La bielle, elle, a gardé son nom.

2- La machine à vapeur : un moteur à combustion externe

Au 19ème siècle, la machine à vapeur a permis de s’affranchir des forces naturelles qu’étaient l’eau ou le vent pour faire tourner les machines. L’énergie initiale est désormais créée par une chaudière, externe, qui produit de la vapeur d’eau suffisamment sous pression pour actionner un piston (et ainsi initier la translation).

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Poussé alternativement par la vapeur, le piston anime la bielle et au final, on a une roue qui tourne. De cette roue qui tourne est née la Révolution Industrielle…

La machine a vapeur est le premier véritable moteur : entièrement contrôlable, automatique, et fiable car utilisable tous les jours sous réserve d’avoir de l’eau à faire bouillir et du bois pour chauffer la chaudière. Il s’agit d’un moteur à combustion externe, du fait de l’éloignement entre la source d’énergie (le feu de la chaudière à vapeur) et le mécanisme sur lequel s’appuie cette énergie (le piston). La vapeur d’eau joue le rôle d’intermédiaire.

Ce moteur a permis de développer des puissances significatives. On trouve la machine à vapeur sur les locomotives, par exemple, révolutionnant les transports, et – on peut le dire – a changé la face du monde…

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Superbe mécanique bielle-manivelle des locomotives à vapeur. Notez la « boite à tiroirs » au dessus du piston, qui est l’ancêtre des soupapes.

Cependant, des limitations sont apparues :

  • encombrement (la chaudière, le combustible, etc…)
  • inertie (il faut faire chauffer l’eau, et on ne peut pas vraiment changer de régime de rotation ensuite)
  • rendement limité

3- Le moteur à combustion interne

Avec l’arrivée massive des hydrocarbures à la fin du 19ème siècle (gaz, pétrole, essence), on voit apparaitre, aux environs de 1860, grâce aux travaux d’Alphonse Beau de Rochas et d’Etienne Lenoir, les premiers moteurs à combustion interne. Plus besoin de chaudière, plus besoin d’un fluide sous pression à transporter jusqu’aux pistons : la source d’énergie est désormais placée au plus proche du piston, à l’intérieur même du cylindre.

Dans un premier temps Lenoir conçoit son moteur calqué sur une machine à vapeur traditionnelle. Cependant, tout est déjà là, ou presque, à savoir : deux bougies d’allumage (une pour l’aller, une pour le retour !) avec un système électrique haute tension à bobines, des tiroirs d’admission et d’échappement (les ancêtres de nos soupapes)…

Le moteur Lenoir, premier moteur à explosion

Ce moteur ne marchait pas très bien (peu de puissance), mais il a permis le développement de nos moteurs actuels, et pour la première fois on pouvait se passer d’une chaudière, ce qui était un immense progrès.

La simple idée de Jean-Joseph Etienne Lenoir d’utiliser des « bougies d’allumage » pour enflammer le mélange air-gaz est un trait de génie : rien n’a changé aujourd’hui.

Respects à Etienne Lenoir pour tous ses travaux !

4- Un peu de théorie : le cycle Beau de Rochas (le Cycle à Quatre Temps)

Alphonse Beau de Rochas, est un brillant ingénieur Français en thermodynamique, la science des machines thermiques. Il décrit de façon précise le cycle à quatre temps, dès 1862. Il en pose la définition théorique, sur laquelle va pouvoir s’appuyer tous les constructeurs de moteurs à hydrocarbures :

  • L’admission : le mélange air-carburant est aspiré au sein de la chambre de combustion
  • La compression : le mélange est comprimé
  • L’explosion (détente) : le mélange explose et produit de l’énergie
  • L’échappement : les gaz brûlés sont évacués.

Ce cycle se répète à l’infini dans les moteurs à pistons, et est continu sur les moteurs à réaction.

Il est important de noter que dans le cycle à quatre-temps, seul le temps n°3 (l’explosion) est créateur d’énergie. C’est le temps moteur. L’explosion du mélange air-carburant repousse violemment le piston vers le bas, entraînant en rotation le vilebrequin. C’est l’inertie du volant moteur (lourd disque en bout de vilebrequin) qui permet d’entretenir la rotation et qui fourni l’énergie nécessaire aux trois autres temps (l’échappement, l’admission et la compression).

Pour ceux qui ont déjà manipulé des moteurs à explosion à la main, on remarque très facilement le temps « compression » : l’arbre moteur résiste.

5- Les moteurs à deux-temps et les moteurs à quatre-temps

Les « 2-temps » et les « 4-temps » sont deux manières de dérouler le cycle Beau de Rochas cité plus haut (admission, compression, explosion, échappement). Qu’un moteur soit dit à « 2-temps » ou à « 4-temps », il respecte le cycle de Beau de Rochas.

Ici, le terme « temps » signifie en fait la course du piston dans le cylindre, c’est à dire du point le plus haut vers le plus bas ou bien du point le plus bas vers le plus haut. 

Un temps est donc un demi-tour de vilebrequin. C’est trompeur, il ne faut pas confondre avec les « temps » des quatre temps du Cycle Beau de Rochas cité plus haut. Ça n’a rien à voir. Les anglais utilisent le terme « stroke » ce qui est plus précis (two-/four-stroke engine).

Un moteur « 2-temps » déroule le cycle Beau de Rochas en 2 courses de piston (soit 1 tour de vilebrequin). Un moteur « 4-temps » déroule le cycle en 4 courses de piston (soit 2 tours de vilebrequin).

Les moteurs 2-temps utilisent les deux côtés du piston dans le cylindre, c’est ainsi qu’ils peuvent combiner 2 par 2 les cycles Admission-Compression et Explosion-Échappement.

Voici l’animation d’un moteur 2-temps :

Le moteur 2-temps déroule le cycle Beau de Rochas en seulement 2 demi-tours de vilebrequin, tout simplement en utilisant les deux côtés du piston pour aspirer et refouler le mélange air-essence en permanance

Ecoutez la sonorité d’un moteur 2-temps, on dirait un gros moustique, c’est caractéristique :

A l’inverse, les moteurs 4-temps n’exploitent qu’un seul côté du piston, il ne peut pas y avoir aspiration et refoulement du mélange en même temps. Le cycle Beau de Rochas est donc parfaitement décomposé :

Dans un moteur 4-temps, le cycle est bien décomposé : 1 Admission, 2 Compression, 3 Explosion et 4 Echappement. Noter les soupapes qui ouvrent ou ferment l’accès à la chambre de combustion.

Comme évoqué plus haut, seul le temps n°3 (l’explosion) est créateur d’énergie. Les trois autres temps consomment de l’énergie, puisée dans l’inertie du volant moteur. C’est une des principales raisons au fait que le rendement des moteurs à explosion est faible : entre 30 et 45% environ (contre + de 95% pour les moteurs électriques synchrones).

6- Avantages, inconvénients des deux types de moteurs

6.1 les moteurs 2-temps

Avantages :

  • Il y a un temps moteur à chaque tour de vilebrequin : le moteur 2-temps est puissant
  • Il n’y a pas de soupapes : simplicité et fiabilité
  • Il tourne très vite en gardant puissance et couple

Inconvénients :

  • Comme il n’y a pas de soupapes, il y des fuites de gaz et d’essence : le moteur 2-temps consomme et pollue beaucoup
  • On doit l’alimenter par un mélange essence-huile pour assurer le graissage, ce qui n’améliore pas la pollution…
  • A bas régime il est inexploitable, il n’a aucun couple et cale très facilement

Utilisation :

  • motos de circuits ou motos-cross, mobylettes, petit scooters
  • tronçonneuses, débroussailleuses…

6.2 les moteurs 4-temps

Avantages :

  • Consommation maîtrisée par le système de soupapes, assurant un bon rendement grâce à la bonne étanchéité de la chambre de combustion
  • Très grande longévité et fiabilité
  • Beaucoup de couple à bas et mi-régime, assurant une souplesse d’utilisation

Inconvénients :

  • Il n’y a qu’un seul temps moteur (l’explosion-détente) tous les 2 tours de vilebrequin, le 4-temps est donc moins puissant que le 2-temps à cylindrée égale
  • Beaucoup plus complexe à construire : la distribution (soupapes, etc…) est compliquée
  • Plus lourd et volumineux

Utilisation :

  • Tout véhicule possible et imaginable… Moto, bateau, avion, tracteur…

 

Conclusion

Dans ce chapitre, on a vu que la bielle-manivelle de la Renaissance à bien évoluée, mais n’a finalement pas changé dans son principe.

On a vu que la machine à vapeur est l’ancêtre de nos moteurs à pistons actuels, qu’elle a été modernisée, qu’on lui a enlevé son encombrante chaudière, qu’on a réduit sa taille, qu’on lui a mis un circuit électrique, qu’on a amélioré son système de distribution… Finalement, pas de révolution, mais des évolutions !

On a vu le cycle Admission, Compression, Explosion, Echappement de M. Beau de Rochas. On a vu qu’il était possible de l’exploiter sous deux formes : les moteurs 2-temps, petits, nerveux et rapides, et les moteurs 4-temps, plus gros, plus lents mais économes et très agréables.

 A SUIVRE :

LES ARCHITECTURES MOTEURS, PUISSANCE, CALAGE… 

6 commentaires

  1. Franck

    c’est clair, génial, même moi qui suis une grosse brelle en mécanique…et bien j’ai tout compris!!! Merci, très bien 20/20!

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