Moteurs de voiture et les bases que vous devez connaître

Le moteur est une pièce importante d’une voiture.

Quel est le moteur ?

Un moteur est un dispositif qui convertit une forme d'énergie, comme l'essence ou le pétrole, en énergie cinétique. On distingue généralement deux types principaux de moteurs thermiques : les moteurs à combustion interne et les moteurs à combustion externe.

Chaque type est divisé en plusieurs sous-types présentant des avantages et des inconvénients spécifiques. Les moteurs à combustion interne comprennent les moteurs à essence, les moteurs diesel, les moteurs à turbine à gaz, les moteurs rotatifs, les moteurs à deux temps, etc. Les moteurs à combustion externe comprennent deux représentants : les moteurs à vapeur et les moteurs Stirling.

Grâce à une efficacité supérieure et à une taille plus compacte que les moteurs à combustion externe, les moteurs à combustion interne sont couramment utilisés aujourd'hui pour de nombreux véhicules, et les voitures et les motos en sont les représentants les plus typiques.

Structure du moteur du véhicule

La classification des voitures par moteur ou la classification des voitures par source d'énergie est divisée en fonction de la structure de fonctionnement, du type de carburant utilisé dans chaque source d'énergie avec la structure populaire actuelle :

• Moteur à essence

• Moteur diesel/huile

• Moteur électrique

• Moteur hybride

Dans cet article, nous étudierons les moteurs à combustion interne fonctionnant à l'essence ou au diesel, couramment utilisés dans les véhicules actuels. Les moteurs électriques et hybrides seront présentés dans les articles suivants.

Les principaux composants d'un moteur sont les cylindres, avec leurs pistons qui se déplacent de haut en bas. La plupart des moteurs de voitures possèdent plusieurs cylindres, généralement 4, 6 ou 8 cylindres, et les voitures de sport en possèdent 12 ou 16. Dans les moteurs multicylindres, les cylindres sont disposés de l'une des manières suivantes : en ligne (cylindres en ligne), en V (cylindres en V) ou deux cylindres se faisant face horizontalement (cylindres opposés).

Bougie

La bougie d'allumage d'un moteur automobile crée une étincelle électrique qui enflamme le mélange air-carburant dans le cylindre. L'étincelle doit être produite au bon moment, en fin de compression, pour une efficacité maximale.

Soupape

Les soupapes d'échappement et d'admission s'ouvrent et se ferment au bon moment pour alimenter le moteur en carburant et permettre aux gaz d'échappement de s'échapper. Pendant les phases de compression et de combustion, ces soupapes sont fermées. Elles sont actionnées par un système d'arbre à cames, comme illustré ci-dessous.

Arbre à cames

L'arbre à cames est doté de lobes qui, en tournant, abaissent la soupape et favorisent son ouverture. Il existe deux types d'arbres à cames : l'arbre à cames simple et l'arbre à cames double. L'arbre à cames simple contrôle l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. L'arbre à cames double, quant à lui, possède deux arbres à cames qui contrôlent séparément les soupapes d'admission et d'échappement.

Vilebrequin

Le vilebrequin est utilisé pour convertir le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif comme l'arbre dans un engrenage à vis sans fin.

Comment fonctionne le moteur ?

Son principe de fonctionnement repose sur le mécanisme suivant : lorsqu'une petite quantité de carburant à haute énergie, comme l'essence (ou le diesel), est utilisée dans un espace confiné et brûlée, une grande quantité d'énergie est générée par la pression de l'air en expansion. Cette énergie peut faire voler une pomme de terre à 150 mètres.

Les moteurs à combustion interne utilisent ce principe en cycle fermé : des explosions se produisent des centaines de fois par minute à l'intérieur du cylindre. Le mélange air-carburant (appelé mélange air-carburant) est brûlé dans le cylindre du moteur à combustion interne. Lors de cette combustion, la température augmente, provoquant la dilatation du gaz et la pression exercée sur un piston, ce qui le pousse à se déplacer.

Aujourd'hui, presque toutes les voitures utilisent un moteur à quatre temps pour convertir l'essence en énergie motrice. Ces cycles comprennent : l'admission, la compression, la combustion et l'échappement.

- Lors du premier temps (admission - soupape d'admission ouverte, soupape d'échappement fermée), le mélange air et carburant est « chargé » dans le cylindre tandis que le piston se déplace du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB).

- Lors du deuxième temps (compression – les deux soupapes sont fermées), le piston comprime le mélange air-carburant dans le cylindre lors de son passage du PMB au PMH. À la fin du deuxième temps (le piston est au PMH), le mélange air-carburant est enflammé dans un moteur à essence par un dispositif d'allumage appelé bougie, et dans un moteur diesel par auto-allumage.

Lors du troisième temps (production d'énergie – les soupapes restent fermées), le mélange air-carburant est brûlé. La température augmentant, la pression du mélange air-carburant augmente et fait passer le piston du PMH au PMB. Le mouvement alternatif du piston est transmis par la bielle au vilebrequin et converti en mouvement rotatif.

- Au quatrième temps (échappement - soupape d'admission fermée, soupape d'échappement ouverte), le piston passe du PMB au PMH, poussant le gaz du cylindre à travers le tuyau d'échappement (communément appelé silencieux) dans l'environnement.

Le mouvement du piston lors des premier, deuxième et quatrième temps est dû à l'énergie emmagasinée par le volant d'inertie fixé au vilebrequin lors du troisième temps (temps de travail). Un moteur à quatre temps présente donc un angle d'allumage de 720 degrés, calculé à partir de l'angle de rotation du vilebrequin. Cela signifie que lorsque le vilebrequin effectue deux tours, il n'y a qu'un seul allumage. Avec plus de cylindres, l'angle d'allumage est plus petit, ce qui permet d'optimiser le fonctionnement du moteur.

Le remplacement des gaz d'échappement par un mélange d'air frais est contrôlé par l'arbre à cames. Fixé au vilebrequin, cet arbre tourne grâce à un réducteur 1:2 et ouvre et ferme les soupapes de la culasse du moteur. Le calage de la fermeture et de l'ouverture des soupapes par le vilebrequin est réglé de manière à ce que les soupapes d'admission et d'échappement s'ouvrent simultanément pendant une courte période lors du passage de la course d'échappement à la course d'admission. Les gaz d'échappement sortent à grande vitesse, insufflant de l'air neuf dans la chambre de combustion pour mieux charger le cylindre et augmenter la pression de combustion.