Transformer un liquide inflammable en énergie, et cette énergie en chaleur et en mouvement. Telle est la magie des moteurs à combustion interne, des pièces d’ingénierie millimétrées qui font partie de notre vie quotidienne, mais savons-nous vraiment quelles sont les pièces qui les composent et comment elles fonctionnent ?
Nous allons examiner les éléments fondamentaux qui composent un moteur à essence ou diesel et expliquer comment le liquide qui sort de la pompe à essence est transformé en mouvement.
Bloc moteur
Le bloc moteur est la pièce principale qui donne forme à un moteur, c’est sa cage thoracique. Les cylindres sont enfermés dans le bloc et sont généralement fabriqués en une seule pièce, mais en plus des cylindres, il incorpore également de multiples conduits pour le système de lubrification ou de refroidissement.
À l’intérieur du bloc, dans les cylindres, se trouvent les logements dans lesquels les pistons montent et descendent, de sorte que la précision de leur fabrication doit être nanométrique.
En même temps, c’est le bloc moteur qui détermine la cylindrée, car c’est là qu’elle est mesurée en multipliant la section des cylindres par la course (la distance de haut en bas) de chacun des pistons.
Pistons
Les pistons sont chargés de déplacer les gaz. Le vide qu’ils génèrent dans la chambre de combustion aspire le mélange dans la chambre de combustion, puis le comprime pour exploiter la force de l’explosion. C’est leur mouvement vertical qui pousse le vilebrequin à travers les bielles et qui devient ensuite l’énergie qui fait avancer le véhicule.
Elles sont taillées dans une seule pièce de métal sur mesure pour chaque cylindre, mais pour obtenir une étanchéité parfaite, des segments sont ajoutés sur le pourtour. Les culasses peuvent avoir des formes différentes pour modifier la compression contre la culasse ou pour laisser de l’espace aux soupapes lorsqu’elles sont ouvertes.
Vilebrequin
Les bielles sont reliées aux pistons par des axes et les bielles sont fixées à un arbre central unique appelé vilebrequin. Cette pièce métallique de forme irrégulière est chargée de synchroniser le mouvement des pistons. L’ordre d’allumage d’un moteur à quatre temps et à quatre cylindres est le suivant : 1-3-4-2.
Grâce à cette alternance et à l’aide d’un volant d’inertie placé à l’une des extrémités, le moteur parvient à tourner à l’unisson et à produire de l’énergie de manière régulière. Cette énergie produite, quel que soit le nombre de cylindres du moteur, est transférée au vilebrequin, qui l’achemine vers la chaîne cinématique.
Le carter
Au bas du moteur, boulonné au bloc, se trouve le carter. Cette pièce est une sorte de bain dans lequel l’huile repose pour maintenir la lubrification et le refroidissement de tous les composants internes du moteur.
Ce bac est spécialement conçu pour que la gravité entraîne l’huile vers sa partie la plus profonde, le point à partir duquel la pompe à huile absorbe le lubrifiant pour l’envoyer vers les pièces où il est nécessaire. Le carter, quant à lui, est généralement constitué de matériaux qui sont de bons conducteurs de chaleur, de sorte que l’huile est refroidie avant d’être renvoyée vers le haut pour faire son travail.
La culasse
La culasse est la partie la plus haute du moteur et c’est l’organe responsable de la mise en ordre. Appelée aussi culasse, la culasse est le couvercle qui ferme la chambre de combustion et abrite également les soupapes et leurs systèmes d’actionnement (arbres à cames).
Les arbres à cames sont généralement reliés au vilebrequin par une courroie et tournent à la moitié de la vitesse du vilebrequin (deux tours de vilebrequin pour chaque tour d’arbre à cames) pour ouvrir et fermer les soupapes, qui permettent au mélange de carburant d’entrer et aux gaz d’échappement de sortir.
Les soupapes sont soumises à une forte pression, car elles doivent, d’une part, fermer hermétiquement les chambres de combustion et, d’autre part, supporter des vitesses d’ouverture et de fermeture très élevées sans se fatiguer à des températures de fonctionnement élevées.
Dans la partie supérieure des soupapes, les arbres à cames tournent et leurs poussoirs à tête fraisée poussent les soupapes dans la chambre de combustion pour déterminer leur temps d’ouverture. Le retour à leur position initiale est assuré par des ressorts.
Les quatre temps d’un moteur à combustion
Pratiquement tous les moteurs à combustion utilisés pour propulser les véhicules modernes sont des moteurs à quatre temps, mais qu’est-ce que cela signifie exactement ? Eh bien, pour le ramener au fonctionnement d’un seul cylindre afin de mieux le comprendre, nous dirons que quatre phases doivent être accomplies pour obtenir une dose d’énergie qui sera chargée de faire bouger les roues. Les quatre étapes d’un moteur à combustion interne sont les suivantes :
- Admission : c’est ici que la magie commence. Lorsque le piston est en haut de la course, les soupapes d’admission s’ouvrent pour permettre au mélange de carburant aspiré par la dépression de pénétrer dans la chambre de combustion au fur et à mesure que le piston descend, aidé par la pression des injecteurs.
- Compression : les soupapes étant fermées, le piston commence à monter jusqu’à ce qu’il atteigne à nouveau son extrémité supérieure, ce qui comprime le mélange air-carburant.
- Explosion : alors que la chambre de combustion est pleine de mélange et que les soupapes sont toujours fermées, la détonation est générée soit par une étincelle électrique (bougie d’allumage dans les moteurs à essence), soit par l’autodétonation par compression (diesel). La force générée par l’explosion pousse le piston vers le bas.
- Échappement : dans le dernier des quatre temps du moteur, les soupapes d’échappement s’ouvrent et les gaz produits par la détonation sont évacués, poussés par la montée du piston.
Les moteurs diesel et à essence ont les mêmes quatre temps, mais comme nous venons de le voir, il existe une différence dans la façon dont le carburant est détoné. Dans un moteur à essence, il y a des bougies d’allumage, alors que dans un moteur diesel, il n’y a pas de bougies d’allumage, ce qui est directement lié au taux de compression.
Ce taux de compression illustre la différence de volume entre le point mort bas et le point mort haut. Ainsi, un taux de 10:1 indique que le mélange est comprimé 10 fois entre le moment où le piston commence à monter et le moment où il atteint le point le plus haut, juste avant la détonation.
Pour qu’un moteur diesel fasse exploser le mélange sans qu’une étincelle soit nécessaire, il faut savoir que le diesel s’autodéclenche à 256°C, une température atteinte grâce à des taux de compression élevés : plus la compression est élevée, plus les molécules se serrent les unes contre les autres sans pouvoir s’échapper, ce qui génère l’élévation de température nécessaire.
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