MOTEURS THERMIQUES

MOTEURS THERMIQUES

D’une manière générale, le terme «moteurs thermiques» peut s’appliquer à toutes les machines destinées à la transformation de la chaleur en travail, quels que soient, d’une part, leur mode de fonctionnement et, d’autre part, la nature du fluide utilisé pour cette transformation. En fait, on réserve habituellement cette désignation aux machines à mouvement alternatif fonctionnant avec un gaz permanent, et c’est cette convention qui est adoptée dans cet article. Une telle restriction revient à exclure du domaine des moteurs thermiques les machines à vapeur, les turbines à gaz et les turbines à vapeur: dans le premier cas, le fluide utilisé n’est pas un gaz, dans le deuxième, le mouvement n’est pas alternatif, enfin, dans le troisième, aucune de ces deux conditions n’est satisfaite.

Presque tous ces moteurs sont à combustion interne; la seule exception est présentée par le moteur Philips qui est à combustion externe, et qui n’est pas étudié ici. Comme, dans tous ces moteurs, le fluide reste toujours à l’état gazeux, la chaleur n’y intervient que sous forme sensible, et non sous forme latente, ce qui veut dire que toutes les transformations thermodynamiques subies par le fluide sont accompagnées d’une variation de température; ce n’est que dans certaines conditions théoriques, ou encore dans un dessein de simplification, qu’on peut assimiler quelques-unes de ces transformations à des isothermes. La nature du fluide utilisé entraîne donc une variation de la température de celui-ci au cours des différentes parties de son cycle thermodynamique; en outre, la nature du mouvement réalisé dans le moteur a pour effet une variation périodique de la température en tout point du moteur, et cela même pour un régime de fonctionnement donné. C’est cette variation de température qui forme l’une des principales différences entre les moteurs à mouvement alternatif et les turbines: dans celles-ci (qu’elles soient à vapeur ou à gaz), pour un régime donné, l’état du fluide dans toute section considérée est invariable, tandis que, dans les moteurs, la pression et la température en chaque point varient constamment en fonction de la position du piston et de celle des organes d’admission et d’échappement. Cette différence a une conséquence pratique importante: dans une turbine, la température maximale du métal est voisine de celle du fluide (vapeur ou gaz) admis dans la machine, de sorte que cette dernière température ne doit pas dépasser la limite qui est fixée par les propriétés des matériaux de construction; au contraire, dans un moteur à mouvement alternatif, la température maximale n’est atteinte que pendant une fraction du cycle complet, et la valeur moyenne de la température en un point donné est notablement inférieure à la température maximale au même point. Il en résulte, en particulier, que le maximum de température pouvant être adopté pour un moteur à mouvement alternatif est plus élevé que celui qui peut être admis pour une turbine, et cette circonstance est, du point de vue thermodynamique, très favorable.

Même conçu au sens restreint précisé ci-dessus, le domaine des moteurs thermiques présente une assez grande diversité. Ces moteurs peuvent, en effet, présenter des différences notables concernant le mode d’introduction du combustible, le mode d’allumage de celui-ci, la nature des transformations thermodynamiques décrites par le gaz, etc.

Il suffit, pour illustrer l’importance pratique des moteurs thermiques, de signaler leur rôle dans le domaine des transports: si, dans la propulsion aérienne, ces moteurs ont été détrônés par la turbine à gaz, ils continuent de régner presque sans partage dans le domaine de l’automobile et occupent une place très importante aussi bien dans le domaine de la traction ferroviaire que dans celui de la propulsion marine et fluviale.

1. Principes généraux et classification

Les deux modes de combustion

Dans tous les moteurs à combustion, la transformation de la chaleur en travail a lieu dans un récipient de forme cylindrique dont le volume subit des variations périodiques, la valeur instantanée de ce volume étant liée à la position d’un piston mobile. Cette capacité est munie d’orifices destinés à permettre, d’une part, l’introduction d’air et de combustible, d’autre part, l’évacuation des produits de la combustion. Dans presque tous les cas, la combustion est interne, ce qui veut dire que la totalité de l’air introduit dans le moteur prend part à la combustion ou se mélange avec les produits de celle-ci. Le système de réglage du moteur agit sur le débit de combustible introduit dans le moteur afin d’obtenir le régime de fonctionnement désiré, régime qui est défini par les valeurs de la puissance développée et de la vitesse de rotation.

On divise habituellement les moteurs à combustion interne en deux classes qui diffèrent entre elles par la forme du cycle thermodynamique décrit dans le moteur, en particulier, par la nature de la transformation qui accompagne ou suit l’allumage du combustible. Dans les moteurs à explosion, le combustible, qui est mélangé à de l’air préalablement comprimé, est allumé au moyen d’une étincelle produite par une bougie électrique; l’allumage provoque un fort accroissement de pression et, par conséquent, une poussée importante sur le piston. En fait, il ne s’agit là que d’une désignation conventionnelle, car la vitesse de propagation de la flamme dans un tel moteur est beaucoup plus faible que celle qui a lieu dans le cas d’une explosion véritable. Ces moteurs sont également appelés moteurs à volume constant car, dans leur cycle théorique, la combustion est considérée comme instantanée et correspond, par conséquent, à une position fixe du piston, donc à une valeur fixe du volume occupé par le gaz. Dans les moteurs Diesel, ou à pression constante, le combustible s’enflamme sans intervention d’un moyen extérieur, tel qu’une bougie, mais sous l’effet de l’échauffement de l’air dû à une forte compression de celui-ci; le combustible est introduit progressivement, et la combustion a lieu, au moins en partie, sous une pression invariable.

Moteurs à deux temps et à quatre temps

Une autre classification des moteurs à combustion est fondée sur le nombre de tours nécessaires pour la réalisation du cycle thermodynamique. Chaque tour de vilebrequin correspond évidemment à deux courses du piston (une course dans chaque sens); or, aussi bien dans le cas d’un moteur à volume constant que dans celui d’un moteur à pression constante, le cycle thermodynamique complet peut être décrit soit pendant un seul tour de vilebrequin (c’est-à-dire pendant deux courses du piston), soit pendant deux tours (c’est-à-dire pendant quatre courses du piston). On dit, dans le premier cas, que le moteur est à deux temps et, dans le second, qu’il est à quatre temps. Les premiers moteurs thermiques, à volume constant ou à pression constante, étaient presque tous à quatre temps; actuellement, les deux types de moteurs sont couramment employés.

Suralimentation. Forme du moteur

On peut également classer les moteurs à combustion suivant que l’air comburant y est introduit sous la pression atmosphérique ou après une compression préalable; dans ce dernier cas, le moteur est dit suralimenté.

Enfin, une autre classification des moteurs à combustion peut avoir pour base la forme générale de leurs organes mobiles, donc aussi des capacités fixes dans lesquelles ces organes se déplacent. Dans la grande majorité des cas, ces capacités sont des cylindres dans lesquels se déplacent des pistons de section circulaire, et ces moteurs sont les seuls qui soient considérés dans cet article; toutefois, de nombreuses tentatives ont été faites également en vue de la mise au point d’un moteur du type rotatif et l’une d’entre elles a déjà trouvé des applications pratiques dans le domaine de l’automobile: c’est le moteur N.S.U. Wankel (cf. AUTOMOBILE - Technologie).

Rendement et consommation spécifique

Le fonctionnement des moteurs à combustion, comme celui de toutes les machines thermiques en général, est régi par les deux principes de la thermodynamique: le principe de l’équivalence et celui de Carnot-Clausius. Il en résulte que, même dans des conditions idéales, seule une fraction de la quantité d’énergie Q¹ fournie par le combustible peut être transformée en travail W, le reste, soit Q⁰ = Q¹ 漣 W, devant être cédé à la source froide. Le rendement du moteur sera donc donné par:

bien entendu, les grandeurs Q¹, Q⁰ et W sont ici exprimées au moyen de la même unité, par exemple le joule ^{[cf. ENTROPIE]}.

Il peut être plus commode d’exprimer le rendement 兀 en rapportant les grandeurs W et Q¹ à une unité de temps, la seconde par exemple; on a alors:

où P est la puissance mécanique fournie par le moteur et P^c la puissance thermique dégagée par la combustion. Ces deux puissances étant exprimées au moyen de la même unité (par exemple le kilowatt), le rendement est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1 (en fait, la limite supérieure du rendement est de l’ordre de 0,4).

Dans la pratique, on préfère souvent caractériser le fonctionnement d’un moteur par une grandeur qui est inversement proportionnelle au rendement et qui est la consommation spécifique de combustible: c’est la quantité de combustible, d’un pouvoir calorifique donné, qui doit être dépensée pour la production d’une unité d’énergie, par exemple d’un kilojoule ou d’un kilowatt-heure. La consommation spécifique (donc aussi le rendement) dépend, d’une part, de la forme du cycle thermodynamique décrit dans le moteur, d’autre part, des valeurs extrêmes de la température et de la pression atteintes par le gaz. L’étude du fonctionnement des moteurs thermiques est donc fondée, en premier lieu, sur l’examen du diagramme représentant l’ensemble des transformations subies par le gaz, diagramme qui est habituellement construit dans le système d’axes p (pression), v (volume massique).

Rendement des cycles

Hypothèses simplificatrices

Pour faciliter cette étude, on peut adopter, en première approximation, certaines hypothèses simplificatrices concernant, d’une part, le fluide évoluant dans le moteur, d’autre part, la forme du cycle décrit par ce fluide. Les simplifications relatives au fluide consistent à considérer celui-ci comme un gaz de composition invariable et dont les capacités thermiques à pression constante C^p et à volume constant C^v (donc aussi leur rapport 塚 = C^p /C^v) ont des valeurs fixes, c’est-à-dire indépendantes de la température et de la pression. Les transformations constituant le cycle thermodynamique sont supposées réversibles, ce qui signifie, en particulier, que les transformations adiabatiques (c’est-à-dire ne comportant pas d’échanges de chaleur) sont aussi isentropiques, et que l’écoulement du fluide n’est pas accompagné de pertes de charge. Toutes ces hypothèses facilitent à la fois la construction du diagramme et la recherche d’une expression mathématique du rendement du moteur ou du travail fourni par celui-ci; mais il est bien entendu que, pour trouver des résultats conformes à la réalité, on doit faire intervenir dans le calcul certains coefficients de correction pouvant être tirés de la comparaison entre les diagrammes théorique et réel d’un moteur donné.

Rendement du cycle mixte

Compte tenu des hypothèses simplificatrices, quel que soit le type du moteur à allumage commandé ou à allumage par compression, son fonctionnement peut être caractérisé par le cycle mixte (fig. 1) où l’apport de chaleur Q¹ se fait partiellement à volume constant et partiellement à pression constante. Les grandeurs caractérisant ce cycle en plus du rapport de capacité thermique 塚 = C^p /C^v sont: le rapport volumique de compression 﨎 = V²/V³, le rapport de la pression maximale à la pression de compression = p ⁴/p ³, et le rapport volumique de la détente à pression constante 嗀 = V⁴/V⁴ size=1 = V⁴/V³. Les quantités de chaleur fournies au fluide et cédées par lui s’écrivent respectivement:

et:

On exprime les températures en fonction de la température du début de compression ² et des paramètres caractéristiques 﨎, et 嗀:

Le rendement prend alors la forme:

Les cas extrêmes correspondent au cycle à apport de chaleur isochore ( 嗀 = 1) et au cycle à apport de chaleur isobare ( = 1):

et:

Le cycle mixte ne constitue qu’une première approximation. En 1935, Vibe proposait une loi d’apport de chaleur représentée par l’expression:

Elle est déduite des considérations sur les réactions en chaîne, où Q représente la quantité de chaleur acquise par le fluide moteur à l’instant t depuis l’inflammation, Q² la quantité de chaleur acquise par le fluide pendant toute la durée de la combustion à un millième près, m un paramètre caractérisant la vitesse de dégagement de chaleur.

Toutes les solutions proposées actuellement s’inspirent de cette modélisation. Toutefois, on cherche à remplacer cette représentation paramétrique par des concepts qui font intervenir les phénomènes caractérisant la formation du mélange et sa combustion.

2. Moteurs à allumage commandé (moteurs à explosion)

L’idée du moteur à explosion a fait l’objet des brevets pris par Hugon (1858) et Lenoir (1860); dans les deux cas, le cycle (qu’on appelle habituellement cycle de Lenoir) est à deux temps et ne comporte pas de compression préalable. Par suite de l’absence de cette dernière opération, le moteur de Lenoir avait un rendement très bas et ne présente plus actuellement qu’un intérêt historique.

C’est Beau de Rochas qui a conçu un moteur à explosion où l’allumage du combustible est précédé d’une compression de l’air comburant (1862); son cycle, qui est à quatre temps, a été appliqué pour la première fois par Otto (1867), et c’est encore lui qui caractérise le fonctionnement de la grande majorité des moteurs à explosion modernes.

Moteurs à quatre temps

La figure 2 montre schématiquement la position des différents organes du moteur correspondant aux quatre temps du cycle, tandis que la figure 3 représente, dans le diagramme (p , v), la forme de ce cycle, compte tenu des simplifications exposées ci-dessus. Ainsi que le montre la figure 2, le moteur (qui est ici disposé verticalement) comporte un cylindre dans lequel se déplace un piston qui, par l’intermédiaire d’un mécanisme à bielle et manivelle, fait tourner un arbre. Dans sa partie supérieure, le cylindre est muni d’une soupape d’admission et d’une soupape d’échappement, ainsi que d’une bougie d’allumage. Conformément à la définition du cycle à quatre temps, celui-ci est décrit pendant deux tours complets de l’arbre, chacun de ces tours correspondant à deux courses (de sens contraire) du piston.

Le premier des quatre temps est l’aspiration (ou admission). Pendant cette opération, la soupape d’admission est ouverte (la soupape d’échappement étant fermée), et le piston qui descend aspire un mélange d’air et de combustible (par exemple d’essence); dans des conditions idéales, l’aspiration a lieu sous une pression constante et, par conséquent, peut être représentée dans le diagramme (p , v) de la figure 3 par une droite telle que 1-2. Au cours du deuxième temps, qui est la compression, les deux soupapes sont fermées, et le piston, en montant, comprime le mélange gazeux qu’il vient d’aspirer (2-3, figure 3). Quand le piston arrive au voisinage de l’extrémité supérieure de sa course (point mort haut), la bougie produit une étincelle qui enflamme le mélange gazeux: c’est l’explosion (3-4, fig. 3), qui repousse le piston vers le bas, et les gaz subissent ainsi une détente (4-5, fig. 3). Au point mort bas, l’ouverture de la soupape d’échappement provoque une nouvelle baisse de pression (5-2, fig. 3), et la rotation de l’arbre fait remonter le piston, qui expulse les produits de la combustion à travers la soupape (6): c’est l’échappement (2-1, fig. 3), qui se termine lorsque le piston se retrouve dans sa position initiale, ce qui correspond au début d’un nouveau cycle.

Expression du rendement

La formule (4):

montre que le rendement théorique varie donc indéfiniment dans le même sens que le taux de compression volumétrique 﨎. En adoptant pour 塚 la valeur de 1,40 et en appliquant la relation (4), on obtient le tableau suivant:

En fait, la valeur de 1,40 adoptée pour 塚 n’est valable que pour les gaz parfaits diatomiques; pour tenir compte des propriétés réelles des gaz utilisés dans un moteur à combustion, on doit adopter pour 塚 une valeur plus basse, ce qui réduit la valeur du rendement pour un taux de compression donné. Ainsi, en posant, par exemple, 塚 = 1,30, on obtient, pour 﨎 = 5, 兀 = 0,38 et, pour 﨎 = 10, 兀 = 0,50.

Limitation du taux de compression

Dans la pratique, le choix du taux de compression doit tenir compte du fait qu’une compression trop élevée du mélange peut provoquer soit un allumage prématuré, soit une détonation qui se manifeste par le cliquetis. Ce phénomène est dû à la désintégration de certains hydrocarbures contenus dans l’essence et, par conséquent, dépend de la composition de celle-ci. On définit la résistance à la détonation d’une essence donnée par comparaison avec un carburant de référence et on exprime cette résistance par un nombre appelé indice d’octane qui est de l’ordre de 70 à 80 pour les essences de bonne qualité. L’emploi de ces essences permet d’adopter pour le taux de compression des valeurs de l’ordre de 7 à 8. Dans le cas d’un moteur à gaz, c’est-à-dire d’un moteur fonctionnant avec un combustible gazeux, le taux de pression volumétrique peut être plus élevé (de l’ordre de 12); ce qui limite la valeur de 﨎 dans ce cas n’est pas le risque d’une détonation ou d’un allumage prématuré, mais, au contraire, la difficulté de provoquer l’allumage en faisant passer une étincelle à travers une masse gazeuse sous une pression élevée.

L’augmentation notable du rapport volumique de compression ne peut se concevoir qu’en cas d’évolution favorable de procédés de raffinage, et particulièrement de leur prix de revient. Dans la conjoncture actuelle, l’emploi des produits pétroliers dans le moteur à allumage commandé ne semble pas susceptible de dépasser le rapport volumique de compression de 10. Il n’en est pas de même lors de l’utilisation des alcools où les rapports volumiques de compression peuvent atteindre des chiffres indiqués plus haut.

Diagramme réel

Il est bien entendu que les expressions du rendement (3) et (4) ne sont valables que pour un moteur fonctionnant suivant le diagramme théorique de la figure 3; le diagramme réel du moteur (fig. 4) a une forme qui s’écarte sensiblement de celle du diagramme théorique. Tout d’abord, l’ouverture et la fermeture des soupapes d’admission et d’échappement n’ont pas lieu exactement lors du passage du piston par les points morts: le dispositif de réglage du moteur est conçu de manière que les opérations aient lieu avec une avance ou un retard, et cela pour les raisons suivantes. Lorsque, à la fin de l’échappement, le piston se trouve au point mort supérieur, la pression dans le cylindre est plus élevée que la pression atmosphérique, et, si la soupape d’admission s’ouvrait à cet instant, les gaz frais ne pourraient pas pénétrer immédiatement dans le cylindre. Pour cette raison, on ouvre la soupape d’admission soit avec un certain retard, soit, au contraire, avec une certaine avance: le retard à l’ouverture admission a pour but de n’ouvrir la soupape que lorsqu’une légère dépression s’est établie dans le cylindre, tandis que l’avance à l’ouverture admission laisse aux gaz frais le temps de vaincre leur inertie avant de se mettre en mouvement; c’est la première méthode qu’on applique aux moteurs d’automobile dont le fonctionnement doit être très souple, tandis que la seconde trouve une utilisation dans le cas des moteurs très poussés. De même, la soupape d’admission ne se ferme que lorsque le piston a dépassé le point mort bas, ce retard à la fermeture admission permettant de profiter de l’inertie des gaz pour assurer un meilleur remplissage du cylindre. D’une manière analogue, on réalise dans le moteur une avance à l’allumage: on fait éclater l’étincelle avant que le piston ait atteint le point mort haut, de manière à assurer une combustion complète et obtenir une élévation de pression aussi grande que possible. Enfin, le réglage du moteur comporte une avance à l’ouverture échappement et un retard à la fermeture échappement; la soupape d’échappement reste donc ouverte pendant que l’arbre tourne de plus de 180⁰, ce qui permet d’obtenir une évacuation complète des gaz brûlés.

Les valeurs de ces avances ou retards sont habituellement exprimées en degrés (ou grades) d’angle définissant la position de l’arbre au moment où a lieu l’opération considérée; elles varient d’ailleurs notablement d’un constructeur à l’autre. À titre d’exemple, citons un moteur ayant 20⁰ d’avance à l’ouverture admission, 50⁰ de retard à la fermeture admission, 50⁰ d’avance à l’ouverture échappement et 10⁰ de retard à la fermeture échappement. Dans cet exemple, la soupape d’admission reste donc ouverte pendant que l’arbre tourne de 20 + 180 + 50 = 250⁰; la soupape d’échappement reste ouverte pendant que l’arbre accomplit une rotation de 50 + 180 + 10 = 240⁰.

D’autre part, dans un moteur réel, l’introduction d’air frais à travers la soupape d’admission n’est possible que si la pression dans le cylindre est inférieure à la pression atmosphérique. De même, le cylindre est soumis, pendant la course d’échappement, à une certaine surpression par rapport à l’atmosphère. Enfin, aussi bien la compression de l’air que la détente des gaz de combustion ne sont pas des transformations adiabatiques, chacune d’elles étant accompagnée d’un échange de chaleur: pendant la compression, ce sont les parois du cylindre qui cèdent de la chaleur à l’air, tandis que, pendant la détente, c’est une partie de la chaleur des gaz de combustion qui est transmise aux parois. Ces deux échanges de chaleur ont un effet défavorable sur le rendement: le premier d’entre eux augmente le travail absorbé par la compression, tandis que le second diminue celui qui est développé pendant la course de détente.

C’est pour toutes ces raisons que la forme du diagramme réel du moteur (fig. 4) diffère notablement de celle du diagramme théorique. En particulier, par suite de la dépression et de la surpression qui s’établissent dans le cylindre pendant les courses d’admission et d’échappement, l’ensemble de ces deux transformations forme dans la partie inférieure du diagramme une boucle (fig. 4) dont la surface représente une certaine perte de travail utile. Il en résulte que le travail utile par cycle est donné, à l’échelle du diagramme, par la différence des aires 1 et 2; mais, dans le cas d’un moteur bien étudié, l’aire de la boucle 2 est habituellement peu importante.

Le diagramme réel du moteur peut être relevé au moyen de l’indicateur de Watt. En divisant la surface du diagramme par sa longueur, on obtient son ordonnée moyenne qui, en tenant compte de l’échelle de l’indicateur, fournit la valeur moyenne p ^m de la pression indiquée. La connaissance de p ^m permet, à son tour, de trouver la valeur du travail développé, d’une part, pendant la course de détente, d’autre part, par cycle. De même, la comparaison des diagrammes théorique et réel rend possible la localisation des pertes accompagnant le fonctionnement du moteur réel et entraînant une réduction du rendement de celui-ci.

Répartition des pertes

La valeur relativement faible du rendement des moteurs thermiques est due à l’importance des quantités de chaleur emportées par les gaz d’échappement et par l’eau de refroidissement du moteur. À titre d’exemple, si 25 p. 100 de la quantité de chaleur fournie par le combustible se transforme en travail utile (ce qui, par définition, correspond à un rendement égal à 0,25), 7 p. 100 de cette chaleur est perdue par suite des frottements mécaniques et des pertes de charge dans les tuyauteries, le reste (soit 68 p. 100) se répartissant à peu près également entre l’eau de circulation servant au refroidissement du moteur et les gaz chauds sortant de celui-ci.

Dispositif de réglage

Dans les moteurs modernes, les soupapes de réglage sont placées dans la culasse et s’ouvrent vers le bas, ainsi que le montre la figure 5. Le mouvement de chaque soupape est commandé par une came ayant un profil bien particulier et montée sur un arbre à cames; comme chaque soupape s’ouvre une seule fois pendant que l’arbre du moteur décrit deux tours, il est nécessaire que la vitesse de rotation de l’arbre à cames soit deux fois plus petite que celle de l’arbre principal. La came agit, par l’intermédiaire d’un plateau, ou d’un sabot, ou encore, comme dans la figure 5, d’un galet, sur un poussoir qui coulisse dans un guide; ce poussoir est relié à une tige qui transmet son mouvement à un levier que l’on appelle culbuteur. Cet organe est un balancier dont le rôle consiste à transformer le sens du mouvement en passant de la tige à la soupape; ainsi que le montre la figure, lorsque la tige monte, la soupape descend (et s’ouvre), tandis que lorsque la tige descend, c’est la soupape qui monte (et se ferme), et cela sous l’effet d’un ressort. La levée de la soupape peut être réglée à l’aide d’une vis, ce qui permet de compenser les jeux pouvant être produits par l’usure des pièces.

Carburateur

Le mélange gazeux entrant dans le moteur par la soupape d’admission est habituellement fourni par un carburateur; cet appareil est destiné à réaliser un mélange intime entre l’air et le carburant (essence) et à pulvériser ce dernier très finement afin de lui assurer une combustion complète. De plus, il doit doser le carburant pour adapter son débit au régime du moteur. Le principe du carburateur est illustré par la figure 6 qui montre l’une des dispositions pouvant être adoptées pour cet appareil. L’air frais, qui est appelé par le piston du moteur pendant le temps d’aspiration, arrive par le tube. L’essence est fournie par le réservoir à une cuve à niveau constant, dans laquelle elle pénètre par un tube. Dans cette cuve, le niveau de liquide est réglé par un flotteur qui ferme l’arrivée d’essence à l’aide d’un pointeau dès que le niveau dans la cuve dépasse une certaine limite. À la sortie de cette cuve, l’essence traverse un ajustage calibré qui est le gicleur et dont l’extrémité se trouve dans la chambre de carburation. Cette dernière communique d’un côté avec l’arrivée d’air et, de l’autre, avec l’aspiration du moteur. Afin d’obtenir une pulvérisation plus poussée du carburant et d’améliorer ainsi sa combustion, on crée dans la chambre de carburation une forte dépression par rapport à l’atmosphère; à cet effet, on place à la suite du gicleur une buse ou bien un diffuseur dont la présence diminue la section de passage offerte à l’air et provoque ainsi une accélération de celui-ci et, par conséquent, une baisse de pression. Enfin, la figure montre aussi qu’entre la chambre de carburation et l’entrée du cylindre est placé un obturateur qui, dans le cas présenté dans la figure ci-contre, est constitué par un papillon. Celui-ci a pour but de permettre une variation du débit de mélange admis dans le moteur et d’adapter ainsi ce débit au régime de fonctionnement du moteur. Enfin, le carburateur doit être muni de certains dispositifs qui ne sont pas représentés dans la figure et qui permettent d’obtenir automatiquement la constance de la composition du mélange d’air et d’essence, quelle que soit l’allure du moteur.

Régularisation du fonctionnement

Comme, dans un moteur à quatre temps, le travail n’est produit que pendant un quart de cycle, il est nécessaire de régulariser le fonctionnement du moteur en emmagasinant une partie de l’énergie dégagée par l’explosion dans un volant qui la restitue pendant les trois autres quarts de cycle. L’inertie du volant doit être suffisante pour produire une rotation à peu près uniforme de l’arbre et assurer ainsi le mouvement régulier du piston pendant les temps d’aspiration, de compression et d’échappement.

En fait, un moteur constitué par un seul cylindre, même muni d’un volant, peut difficilement avoir un mouvement suffisamment régulier. Une amélioration sensible peut être obtenue en accolant deux cylindres selon certaines dispositions appropriées. La plupart

des moteurs à explosion sont constitués par quatre, six ou huit cylindres, ce qui permet d’obtenir un fonctionnement très régulier. Les cylindres du moteur peuvent être disposés de différentes manières. Dans le cas de la disposition des cylindres en ligne, les bielles reliées aux différents pistons agissent sur un arbre coudé qui est le vilebrequin. Les figures 7 et 8 montrent, à titre d’exemples, les formes d’un vilebrequin d’un moteur à quatre cylindres (fig. 7) ou à six cylindres (fig. 8) en ligne. Dans chacun de ces cas, le nombre des manetons est le même que celui des cylindres; il est donc de quatre dans la figure 7 et de six dans la figure 8. En revanche, le nombre des paliers, lui, peut être variable, même pour un nombre donné de cylindres; ainsi, ce nombre est de trois dans le cas de la figure 7, mais, en fait, un moteur à quatre cylindres peut aussi avoir deux, quatre ou même cinq paliers. Dans tous les cas, le décalage angulaire des manetons et l’ordre d’allumage des cylindres doivent être choisis de manière à assurer au moteur un fonctionnement aussi régulier que possible.

Moteurs à allumage commandé à deux temps

Dans les moteurs à explosion à deux temps, on cherche à réaliser le cycle de Beau de Rochas de telle sorte que l’allumage et la détente aient lieu à chaque tour de vilebrequin. Théoriquement, un tel moteur devrait avoir une puissance deux fois plus grande que celle d’un moteur à quatre temps ayant les mêmes dimensions et la même vitesse de rotation. En réalité, le rapport des puissances des deux moteurs, au lieu d’être égal à deux, n’est que de l’ordre de 1,4 à 1,5, car certaines transformations constituant le cycle y sont effectuées dans des conditions plus défavorables que dans un moteur à quatre temps.

Les moteurs à deux temps existent sous plusieurs formes. Le type le plus répandu (surtout dans le domaine des petites puissances) est celui qui comporte trois lumières; celles-ci sont destinées à assurer l’aspiration, l’échappement et la communication entre le carter et le cylindre. Malgré leur rendement médiocre, ces moteurs sont d’un usage courant, car ils sont très simples et ne comportent pas d’organes de distribution.

Moteurs à charge stratifiée

Ce procédé consiste à réaliser dans la chambre de combustion un mélange air-carburant hétérogène dont les fractions riches en carburant sont localisées au voisinage de la bougie, ce qui assure un très bon allumage, le reste de la chambre de combustion ne contenant que des fractions très pauvres en carburant. Cela permet, en principe, la combustion de mélanges globalement très pauvres alors qu’un mélange homogène très pauvre brûlerait très mal ou même pas du tout, et théoriquement la réduction de la consommation spécifique.

Diverses solutions sont à l’étude, ou déjà appliquées, avec ou sans préchambre, avec injection ou avec carburation, sur des moteurs à quatre temps ou à deux temps.

À ce jour, en 1982, une seule solution a débouché sur une fabrication en grande série: il s’agit d’un moteur à chambre auxiliaire avec une soupape d’admission supplémentaire pour mélange riche (moteur CVCC Honda).

3. Moteurs à allumage par compression (moteurs Diesel)

Les principales caractéristiques du brevet de Rudolf Diesel (1892) portent sur l’introduction progressive de combustible et sur la compression de l’air jusqu’à une température supérieure au point d’inflammabilité du combustible utilisé. Il en résulte, en particulier, que le moteur Diesel échappe aux limitations imposées au taux de compression par le risque d’un allumage spontané du combustible. De plus, le fonctionnement de ce moteur n’exige aucun dispositif d’allumage tel qu’une bougie. Le combustible, qui est finement pulvérisé, est injecté dans l’air comprimé et s’enflamme sous l’effet de l’échauffement subi par l’air au cours de la compression.

Diagramme et rendement théorique

De même que les moteurs à explosion, les moteurs Diesel peuvent être soit à quatre temps, soit à deux temps. L’évolution du fluide moteur dans un moteur Diesel est représentée par le cycle mixte, qui ne diffère de celui du moteur à allumage par compression que par l’importance de l’apport de chaleur à pression constante.

À la limite, tout apport de chaleur peut être effectué à pression constante comme le préconisait Diesel et dans ce cas le rendement du cycle est donné par la formule (5):

On peut noter que le cycle mixte ne constitue pas la seule approximation possible. L’expérience montre que les cycles des moteurs Diesel rapides se rapprochent d’un cycle où l’apport de chaleur se fait partiellement à volume constant et partiellement à température constante.

Suralimentation

Dans les moteurs Diesel à quatre temps (cf. fig. 9), la distribution est réalisée au moyen de deux soupapes, dont l’une assure l’aspiration d’air extérieur, et l’autre règle l’échappement des gaz de combustion dans l’atmosphère. Tout comme dans le cas du moteur à explosion, la puissance d’un moteur Diesel à quatre temps est, pour des dimensions données, inférieure à celle du moteur à deux temps. Il est cependant possible d’augmenter la puissance du moteur sans modifier ses dimensions ni sa vitesse de rotation, mais en agissant sur la masse volumique de l’air aspiré, donc sur la masse d’air remplissant le cylindre à la fin de la course d’aspiration. Ce résultat est obtenu grâce à la suralimentation du moteur, c’est-à-dire à la compression préalable de l’air aspiré par celui-ci. L’accroissement de puissance dû à ce procédé est d’autant plus sensible que, dans un moteur non suralimenté (et surtout lorsque la vitesse de rotation du moteur est élevée), par suite de la perte de charge dans la tuyauterie et dans la soupape d’aspiration, la pression qui s’établit dans le cylindre à

la fin de la course d’aspiration peut être notablement inférieure à la pression atmosphérique. De plus, dans un tel moteur, la masse d’air aspiré subit une réduction par suite de la présence dans le cylindre, à la fin de la course d’échappement, d’une certaine quantité de gaz de combustion. Or, non seulement la suralimentation augmente la masse volumique de l’air aspiré, mais elle réalise aussi un balayage efficace du cylindre, ce qui entraîne un accroissement du volume de l’air entrant dans le cylindre pendant l’aspiration. Accessoirement, ce balayage présente aussi l’avantage d’entraîner une certaine réduction de la température des soupapes et des parois du moteur.

La suralimentation des moteurs Diesel à quatre temps peut être réalisée de plusieurs manières, qui diffèrent entre elles soit par le mode d’entraînement de la soufflante, soit par le mode de fonctionnement de celle-ci. La soufflante peut être entraînée par le moteur et absorber ainsi une fraction de la puissance développée. Le mode de fonctionnement le plus simple est alors celui qu’on obtient en reliant le refoulement de la soufflante à l’aspiration du moteur. Un autre mode de fonctionnement, qui est dû à la société Burmeister et Waine, permet d’obtenir une réduction sensible de la puissance absorbée par la soufflante; il consiste à réaliser le remplissage du cylindre en trois phases dont la succession est assurée par le déplacement d’un tiroir de réglage: balayage du moteur avec de l’air comprimé fourni par la soufflante; remplissage du moteur avec de l’air aspiré directement à l’atmosphère; enfin, compression de cet air par la mise en communication du moteur avec le refoulement de la soufflante. Dans les deux cas, la soufflante est du type volumétrique, et l’accroissement de puissance peut atteindre 30 p. 100.

Au lieu d’entraîner la soufflante de suralimentation aux dépens d’une fraction de la puissance mécanique du moteur, il est également possible d’utiliser à cet effet une partie de l’énergie disponible dans les gaz d’échappement: ces gaz se détendent jusqu’à la pression atmosphérique dans une turbine entraînant directement une soufflante centrifuge qui aspire de l’air extérieur et le refoule dans la conduite d’aspiration du moteur. En munissant le moteur d’une telle turbosoufflante de suralimentation, on peut obtenir un accroissement de puissance d’environ 50 p. 100.

Dans le cas d’un moteur Diesel à deux temps, une certaine suralimentation est pratiquement indispensable, car, le temps disponible pour l’échappement des gaz de combustion étant court, il est nécessaire de réaliser le balayage du cylindre avec de l’air porté préalablement à une pression suffisamment élevée. Cette compression de l’air peut être réalisée, par exemple, au moyen d’une pompe de balayage à piston, ou d’une soufflante volumétrique rotative, ou encore d’une soufflante centrifuge; dans les deux premiers cas, l’appareil est entraîné par le moteur lui-même (d’ailleurs, le rôle de la pompe de balayage est souvent joué par le piston du moteur, la compression de l’air étant alors réalisée soit par la face intérieure du piston, soit par l’un des étages de celui-ci qui a, alors, la forme d’un piston différentiel), et, dans le troisième, par un moteur électrique. L’introduction de l’air comprimé dans le cylindre est habituellement réalisée au moyen de lumières (dites lumières de balayage), et l’échappement se fait soit au moyen d’autres lumières, soit par des soupapes.

Haute suralimentation

La haute suralimentation des moteurs à bas rapport volumique de compression, 﨎 = 7-8, permet de quadrupler la puissance du moteur non suralimenté ayant des rapports volumiques de compression conventionnels, 﨎 = 12-14.

Une solution de très haute suralimentation (système Hyperbar, fig. 10), mise au point en France, a abouti à des réalisations industrielles (moteurs des engins militaires, moteurs de traction ferroviaire) avec des pressions de suralimentation de l’ordre de 8 bars. Dans ce cas, les gaz d’échappement du Diesel alimentent une chambre de postcombustion placée à l’entrée de la turbine, cette dernière entraînant des compresseurs pourvus de réfrigérants intermédiaires et des réfrigérants de sortie. À pleine charge, l’énergie des gaz d’échappement est suffisante pour assurer la compression de l’air alimentant le moteur à des pressions de l’ordre de 8 bars. Aux faibles charges et aux faibles vitesses, on injecte du combustible dans la chambre de combustion, pour fournir à la turbine l’énergie nécessaire. Le compresseur alimente en parallèle le moteur et la chambre de postcombustion en diluant les gaz de celle-ci. Cette disposition permet de faire fonctionner les compresseurs en dehors de la zone de pompage quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur.

Injection

L’injection de combustible dans un moteur Diesel peut être pneumatique ou mécanique. Dans le premier cas, le combustible, fourni par une pompe à piston, est pulvérisé au moyen d’air refoulé sous une pression élevée par un compresseur entraîné par le moteur; dans le second, le combustible est porté par la pompe d’injection à une pression de plusieurs centaines de bars et il est finement pulvérisé au moyen d’un injecteur, par exemple du type à aiguille. L’injection mécanique peut être directe ou avec préchambre.

Comme son nom l’indique, l’injection directe consiste à introduire le combustible pulvérisé directement dans la chambre de combustion du moteur, laquelle est formée par l’espace compris entre la culasse et le fond du piston; en agissant sur la forme de ces deux éléments du moteur, on peut donc donner à la chambre de combustion la forme désirée (par exemple: plate, semi-sphérique, etc.). L’injection directe présente le double avantage de faciliter le démarrage du moteur à froid et de réaliser la combustion dans des conditions particulièrement favorables; elle a l’inconvénient d’être bruyante. Le terme «préchambre» désigne une chambre auxiliaire placée entre l’injecteur et le moteur, dans laquelle le combustible subit une vaporisation et une combustion partielles qui ont pour effet d’augmenter fortement la turbulence de l’air comburant. La création de cette turbulence est accompagnée d’un accroissement de la perte de charge; de plus, la présence de la préchambre augmente la surface d’échange, donc aussi les pertes de chaleur. Pour cette double raison, l’injection avec préchambre augmente légèrement la consommation spécifique du moteur. En même temps, le passage de l’air et du combustible par la préchambre réduit la vitesse de l’accroissement de pression, ce qui rend le fonctionnement du moteur plus silencieux. Enfin, la grande vitesse imposée à l’air entrant dans le moteur a pour effet un refroidissement de celui-ci; pour cette raison, lorsque la température ambiante est basse, le démarrage d’un moteur à préchambre peut rendre nécessaire le recours à un système auxiliaire d’allumage.

Emploi des combustibles lourds

Les nombreuses applications que le moteur Diesel a trouvées dans les domaines de la production d’énergie électrique, de la propulsion navale et de la traction ferroviaire et routière sont dues non seulement à son rendement élevé (de l’ordre de 0,40) et à la gamme très étendue des puissances qu’il permet de développer (pouvant atteindre 10 000 à 15 000 kW), mais aussi à la possibilité d’utiliser, dans certaines conditions, des combustibles lourds dont le prix est relativement peu élevé. Ces combustibles (dont la masse spécifique est d’ailleurs peu différente de celle des combustibles légers) sont caractérisés par une viscosité élevée, ainsi que par une forte teneur en soufre et en cendres. Pour permettre l’écoulement d’un tel combustible et son injection dans le moteur, il est nécessaire d’abaisser sa viscosité au moyen d’un réchauffage préalable. Le combustible réchauffé peut être soumis à une centrifugation qui permet d’éliminer une grande partie des cendres (et aussi de l’eau) qu’il contient. L’emploi des combustibles lourds dans les moteurs Diesel exige donc un certain traitement préalable. Toutefois, celui-ci n’exerce pratiquement aucun effet sur la teneur en soufre; or, lorsque celle-ci est élevée, les composés sulfuriques contenus dans les gaz de combustion peuvent attaquer certains matériaux (aciers au nickel), surtout lorsque la combustion est incomplète. Il en résulte que, parmi les précautions qu’impose l’emploi des combustibles lourds, figure un réglage précis de l’injection afin d’obtenir une combustion aussi complète que possible. Ce réglage peut être assuré d’autant plus facilement que la vitesse de rotation du moteur est plus basse; les moteurs de grande puissance se prêtent donc mieux à l’emploi des combustibles lourds que les moteurs de petit diamètre dont la vitesse de rotation est habituellement élevée.

Enfin, même si le moteur fonctionne normalement avec un combustible lourd, les opérations de démarrage et d’arrêt sont effectuées avec un combustible léger, afin d’éviter des dépôts dans les tuyauteries.

Encyclopédie Universelle. 2012.