Le fonctionnement du moteur à explosion

Dans le moteur à combustion interne (ou moteur thermique) appelé à tort, moteur à explosion, l’énergie est fournie par la combustion et la détente d’un gaz. Il est utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile, moto, camion, bateau), pour une multitude d’outils mobiles (tronçonneuse, tondeuse à gazon …) ainsi que pour les installations fixes (groupe électrogène, pompe …)

La plus grande partie des automobiles et des motos fonctionnent grâce à ce moteur à combustion interne, appelé communément moteur à explosion.

Dans notre vie quotidienne, nous utilisons deux types de moteurs thermiques :

-le moteur 2 temps

-le moteur 4 temps

 

 

 

Nous nous efforcerons de vous expliquer ici le fonctionnement du moteur à 4 temps, utilisé dans le secteur automobile.

 

Le moteur 4 temps :

 

Voici une explication simple du fonctionnement du moteur à combustion interne (quatre temps) :

Quand vous faîtes du vélo, vous transformez l'énergie de votre corps en puissance (muscle) que vous transmettez par l'intermédiaire de vos jambes à un pédalier qui transforme ce déplacement linéaire en mouvement rotatif. C’est le principe du moteur thermique; il faut juste remplacer l'énergie et la puissance.

L’énergie sera le mélange essence/air que l’on comprimera fortement pour le faire exploser (ce sera la puissance). Nous utiliserons donc un cylindre hermétiquement fermé dans sa partie haute et un piston(1) mobile qui viendra comprimer le mélange ; il suffira d’une étincelle pour provoquer une explosion, ce qui entrainera une poussée sur la tête de piston le forçant à se déplacer vers le bas du cylindre.

Nous avons maintenant notre énergie et notre puissance. Il ne nous reste plus qu’à comprendre comment elle va être transmise ?

Pour cela nous allons remplacer nos jambes par une bielle(2) attachée a la partie supérieure du piston et à un vilebrequin(3) attaché à la partie inférieure du piston. Le vilebrequin aura une tache très importante dans ce dispositif puisqu’il transformera le mouvement linéaire en mouvement rotatif.

C’est donc le même principe que le vélo !!!

 

Nous avons donc vu le principe du moteur à combustion interne de façon simplifiée, nous allons maintenant détailler le fonctionnement du moteur " à explosion".

Avant de s’étendre sur la partie clef du moteur, il faut expliquer les étapes précédant la première phase du fonctionnement du moteur. Nous savons que, pour que l’explosion se fasse à l’intérieur du cylindre, nous devons être en présence d’un mélange air/essence. L’essence utilisée est un mélange d’hydrocarbures, auxquels sont parfois ajoutés d’autres produits combustibles ou adjuvants.

On y retrouve en moyenne :

20% à 30% d’alcanes (CnH2n+2),

5% de cycloalcanes (CnH2n)

30 % à 45 % d’alcènes (CnH2n)

30 % à 45 % d’hydrocarbures aromatiques, de la famille du benzène (C6H6)

Ce mélange se fait au niveau du carburateur(4). Il régule et dose le mélange entre l’air et l’essence. Ce mélange doit être précisément dosé pour le bon fonctionnement du moteur (1/18, une dose d’essence pour 18 doses d’air, la quantité de ces doses dépend du moteur).

Le mélange effectué se dirige vers la chambre de combustion. C’est à ce moment précis que commence le cycle de fonctionnement du moteur à explosion. Il se caractérise par quatre phases :

- La phase d’admission : le piston descend, la soupape d’admission est ouverte, le cylindre se remplit de mélange (air/essence).

- La phase de compression : le piston remonte, les 2 soupapes sont fermées, le mélange se comprime.

- La phase d’explosion-détente : Le piston arrive au niveau des électrodes de la bougie. Une étincelle apparaît, ce qui enflamme instantanément le mélange alors comprimé. Il s’ensuit une violente montée en pression qui repousse le piston vers le bas.

- La phase d’échappement : le piston remonte et la soupape d’échappement s’ouvre pour libérer les gaz contenus dans la chambre de combustion.

 

 

Nous allons à présent explorer en détail chacune de ces phases :

 

Première phase : La phase d’admission va permettre au mélange de rentrer dans la chambre de combustion par la culasse, c’est le haut du cylindre. Pour que le mélange soit introduit dans la chambre de combustion il faut que la culasse soit munie d’un orifice (c’est la lumière d’admission). Pour que l’explosion se fasse il faut que cet orifice se ferme. C’est donc la soupape(5) d’admission qui va boucher la lumière et donc limiter la quantité de mélange (air/essence) dans la chambre de combustion. Cette soupape est directement entrainée par le mouvement du vilebrequin car au bout de celui-ci on remarque la présence d’un pignon avec un arbre sur lequel nous observons une came pour l’admission et une came pour l’échappement. Ces cames sont reliées à des tiges de culbuteurs directement reliées aux soupapes. Au moment de la rotation du vilebrequin, les cames sont mises en mouvements à des intervalles de temps distincts et réguliers. Ils vont donc agir sur l’ouverture des soupapes. La fermeture des soupapes s’effectue automatiquement par l’effet des ressorts lorsque les cames ne sont plus en contact avec les tiges de culbuteurs.

 

2ème phase : La phase de compression va, comme son nom l’indique, compresser le mélange dans la chambre à combustion afin que le piston remonte le plus possible vers la culasse pour que dans la prochaine phase le piston puisse aller déclencher la bougie(6) en touchant les électrodes se situant de part et d’autre. A ce moment précis, le piston comprime le mélange dans le cylindre entre 12 et 18 bars et entre 400 et 500°C. Pour que cet acte soit réalisé il faut que les deux soupapes (d’admission et d’échappement) soient fermées afin que la compression puisse avoir lieu.

 

 

3ème phase : La phase d’explosion appelée aussi détente est la phase la plus importante du moteur à explosion. C’est elle qui va permettre au piston d’avoir un mouvement et donc de permettre à la bielle puis au vilebrequin et à de nombreux éléments d’être en mouvement. C’est donc le moment où le piston atteint son point culminant et où la compression est au maximum, le piston percute alors les électrodes de la bougie d’allumage, ce qui provoque une étincelle. Le mélange air-carburant est alors enflammé. Les gaz chauds à une pression moyenne de 40 bars repoussent le piston (produisant de l’énergie directement utilisable) initiant le mouvement.

L’équation bilan de cette réaction est :

C8H18 + 25/2 (O2+3,76N2) => 8CO2 + 9H2O + 25/2 x3,76N2

 

4ème phase : Dans la phase d’échappement qui est aussi la dernière étape du cycle. Les gaz brûlés sont évacués par la lumière d’échappement (c’est un orifice au niveau de la culasse) via la soupape d’échappement et poussés par la remontée du piston. Ces gaz expulsés sont rejetés de la voiture par le pot d’échappement .Les principaux rejets du pot d’échappement sont :

-Le dioxyde de carbone (CO2)

-Le monoxyde de Carbone (CO)

-Les oxydes d’azotes (NOx)

-Les hydrocarbures imbrûlés (HC)

-Le dioxyde de soufre (SO2)

 

 

 

Quelques définitions utiles du vocabulaire technique :

 

Une bielle(1) est une pièce mécanique reliant deux articulations d'axes mobiles et permettant la transmission d'une force.

Un piston(2) est une pièce qui se déplace dans le cylindre d'un moteur ou dans le corps d'une pompe.

Le vilebrequin(3) est une pièce de moteur à combustion interne. Il permet la transformation du mouvement linéaire alternatif du ou des piston(s) en un mouvement de rotation continu.

Le carburateur(4) est un organe qui permet de préparer un mélange d'air (le comburant) et de carburant, ayant le bon rapport de carburant/air, qui va parfaitement bruler dans la chambre de combustion.

Une soupape(5) est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande.

La bougie d'allumage(6) est un élément de certains moteurs à explosion. C'est le dispositif qui provoque l'inflammation du gaz dans la plupart des moteurs à allumage commandé.

 

 

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