Post on 18-Oct-2020
Faculté de technologie
Département de génie civil
Filière énergétique
Année 2020
Programme
Chapitre I : Généralité sur les moteurs thermiques
Chapitre II : Principe de fonctionnement du moteur à
combustion interne Chapitre III : Cycles thermodynamiques du moteur à
combustion interne
Chapitre IV : la combustion
Cours
Moteur à Combustion Interne
CHAPITRE I GENERALITE SUR LES MOTEURS THERMIQUES
1. Introduction
Les moteurs thermiques ont pour rôle de transformer l’énergie thermique à
l’énergie mécanique. Ils sont encore appelés les moteurs à combustion qui sont
généralement distingués en deux types :
Les moteurs à combustion interne où le système est renouvelé à chaque cycle.
Le système est en contact avec une seule source de chaleur (l’atmosphère).
Les moteurs à combustion externe où le système (air) est recyclé, sans
renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur, entrent par exemple
dans cette dernière catégorie : les machines à vapeur, le moteur Stirling...
2. Historique
1700: Moteurs à vapeur
1860: Moteur de Lenoir (rendement ~5%)
1862: Beau de Rochas définit le principe du cycle de fonctionnement des
moteurs à combustion interne
1867: Moteur de Otto & Langen: ( ~11% et rotation < 90 rpm)
1876: Otto invente le moteur à 4 temps à allumage par bougie (~14% et
rotation< 160 rpm)
1880: Moteur deux temps
1892: Diesel invente le moteur quatre temps à allumage par compression
1957: Wankel invente le moteur à piston rotatif
3. Moteurs à combustion interne
3.1 Moteurs alternatifs
La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable
et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d’un gaz qui remplit cette
chambre (ce gaz est d’ailleurs initialement composé du combustible et du comburant
: air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée sur un piston,
force qui transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de
rotation d’arbre (vilebrequin) Fig. 1. 2.
Figure I. 2. Esquisse d’un moteur à combustion interne
Les moteurs sont classés en deux catégories suivant la technique d’inflammation
du mélange carburant-air :
les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)
les moteurs à allumage par compression (moteur Diesel)
Dans les moteurs à allumage commandé, un mélange convenable essence-air, obtenu
à l’aide d’un carburateur, est admis dans la chambre de combustion du cylindre où
l’inflammation est produite par une étincelle.
Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole. On l’injecte
sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalablement
comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément. Ces moteurs
sont appelés moteur Diesel.
Les moteurs à allumage, commandé et par compression, sont des moteurs à
combustion interne, car la combustion s’effectue à l’intérieur du moteur.
Ces moteurs constituent actuellement la majorité des unités de production de
puissance mécanique dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports
où ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages: bon
rendement, compacité fiabilité... ; ceci explique l’extension qu’ont pris de nos jours
l’industrie des moteurs et l’ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du
monde. Ils sont principalement utilisés pour la propulsion des véhicules de transport
: avions à hélice, automobiles, motos, camions et bateaux.
3.2 Architecture d’un moteur à combustion interne
Avant d'aborder le fonctionnement du moteur à combustion interne et les
principes théoriques mis en jeu, il nous semble utile de décrire les principaux organes
qui le composent. Les parties essentielles du moteur à combustion interne sont
montré dans la figure I. 3.
Figure I. 3. Moteur à combustion interne 4 cylindres diesel
3.2.1 Le bloc moteur (bloc cylindre)
Le bloc moteur est le support principal de tous les éléments fixes et mobiles
constituants l’ensemble moteur Fig. 4. Il est généralement en fonte, fabriquer à l’aide
d’un moule. Il doit supporter la culasse, le vilebrequin, les cylindres, le carter
inférieur, et souvent il est fixés à la boite de vitesse formant ainsi un ensemble
solidaire relié au châssis du véhicule, une circulation d’eau assure leur
refroidissement. Le bloc cylindre doit remplir plusieurs fonctions :
- Résister à la pression des gaz, qui tendent à dilater et à repousser la culasse.
- Guider le piston.
- Contenir l’eau de refroidissement tout en résistant à la corrosion.
- Un support sur lequel sont fixés les accessoires.
-
Figure I. 4. Bloc moteur
3.2.2 La culasse
La culasse est montée sur la partie supérieure du bloc moteur, c’est une plaque
épaisse généralement en fonte ou on alliage d’aluminium, elle ferme le cylindre et
constitue la chambre de combustion, elle comporte les éléments de distribution,
l’injecteur, les conduites d’admission et d’échappement. Comme elle est fortement
sollicitée de point de vue thermique des chambres d’eau sont nécessaire à son
refroidissement, figure I. 5.
Figure I. 5. Culasse d’un moteur à 4 cylindres
3.2.3 Le piston :
Le piston est réalise en alliage d’aluminium et il remplit plusieurs fonctions : il
constitue la paroi mobile de la chambre d’explosion, il reçoit l’impulsion motrice, il
doit résister à de hautes températures et il sert de guide à la bielle. Il est quelque fois
creusé de cavités destinés à créer une turbulence favorable à la combustion. Des
segments sont logés dans la partie haute du piston, assurent l’étanchéité de la
chambre de combustion. On distingue le segment coupe de feu, le segment de
l’étanchéité et le segment racleur, voir la figure 6.
Le segment coupe de feu est souvent chromé, il est disposé assez loin du bord du
piston afin d’éviter qu’il soit directement soumis à la chaleur dégagée lors de la
combustion.
Figure 6. Piston
3.2.4 Le mécanisme bielle-manivelle
La bielle est la pièce mécanique dont une extrémité est liée au piston par l’axe de
piston et l’autre extrémité au vilebrequin. Elle permet la transformation du
mouvement alternatif du piston en mouvement circulaire continue du vilebrequin,
figure 7. Tout comme le piston la bielle doit être aussi légère que possible, mais au
même temps être capable de transmettre des efforts considérables du piston au
vilebrequin est inversement. A ce titre elle est fabriquée en acier forgé
Figure I. 7. Piston
3.2.5 Vilebrequin
Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est
l'élément principal du système bielle-manivelle. Il permet la transformation du mouvement
linéaire alternatif du ou des piston(s) en un mouvement de rotation continu.
C'est par conséquent le vilebrequin qui va entraîner tout les éléments du moteur qui ont
besoin d'un mouvement rotatif comme :
la transmission primaire
l'alternateur
les contre-arbres d'équilibrage
Le vilebrequin se compose de plusieurs tourillons alignés, sur lesquels il tourne.
Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons, sur lesquels sont montées les
bielles. L'excentricité E, distance entre l'axe d'un maneton et l'axe d'un tourillon,
définit la course C du piston. On obtient alors : C = 2E. Cette distance détermine en
partie la cylindrée du moteur.
Figure I. 8. Vilebrequin
Figure I. 9. Bielles et pistons liés au vilebrequin
3.2.6. Arbre à cames
Il est entraîné par le vilebrequin et doté d’autant des cames que des soupapes. Selon
la conception de la distribution, son emplacement au sein du moteur varie. La
solution la plus répondue sur les moteurs de grandes puissances est la distribution
culbutée. L’arbre à came se situe dans le bloc et son entraînement est assuré par un
ensemble de pignons dont le rapport de multiplication est d’un demi (1/2). La liaison
arbre à cames soupapes est assurée par un ensemble de poussoirs, des tiges de
culbuteurs et culbuteurs. Des ressorts hélicoïdaux, logés autour des soupapes,
referment automatiquement celles-ci, quand la pression communiquée par les cames
de l’arbre à cames cesse.
Lorsque l’arbre à cames se situe dans la culasse, il est dit en tête. Cette solution,
permet de diminuer le nombre d’éléments donc d’alléger le système de distribution,
les poussoirs, les tiges de culbuteurs, les culbuteurs. La liaison arbre à cames
vilebrequin est alors réalisée par une courroie crantée à la place d’une chaine
métallique.
Cette conception de distribution moderne bénéficie de plusieurs avantages :
Réduction des masses en mouvement ;
Lubrification du système de liaison inexistant ;
Fonctionnement silencieux.
Figure I. 10. Arbre à cames d’un moteur
3.2.7. Soupapes
Selon la conception, la puissance du moteur, le nombre de soupapes par cylindre
varie généralement au nombre de deux, une d’admission, l’autre d’échappement.
Certains moteurs, en vue d’améliorer le remplissage du cylindre, peuvent être dotés
de trois voire quatre soupapes par cylindre. Chaque soupape se compose d’une tête
munie d’une portée conique et d’une queue, permettant le guidage.
On distingue deux sortes de soupapes :
Les soupapes d’admission ;
Les soupapes d’échappement
Figure I. 11. Soupape d’un moteur à combustion interne
3.2.8. Carters
Un carter est une enveloppe protégeant un organe mécanique, souvent fermée de
façon étanche, et contenant le lubrifiant nécessaire à son fonctionnement ou des
organes qui doivent être isolés de l’extérieur. Il est réalisé en tôle emboutie ou
moulée en alliage léger. On distingue deux types de carters
- Carter supérieur est un cache placé sur le moteur. Il protège les principaux
éléments du dispositif de la distribution. IL peut être équipé d’un orifice de
remplissage.
- Carter inferieur est enveloppe placée sous le moteur pouvant servir
au stockage de l’huile de lubrification. Il peut contenir une crépine et un filtre
à huile, externe ou interne, ainsi que la prise du reniflard.
Figure I. 12. Carters
Carter inferieur
Carter supérieur
3.2.9. Dispositif de distribution
Le système de distribution gère l'admission de la charge fraiche (air sec ou mélange
air-combustible) dans les cylindres puis la vidange des gaz brûlés Fig. I. 13. Il est
constitué d'éléments mobiles, des soupapes d'admission et d'échappement, d’un
arbre à cames, de poussoirs, de culbuteurs, ressorts de rappel et d’une courroie ou
chaîne de distribution.
Figure I. 13. Partie délimitée par le trait rouge représente le dispositif de la distribution
Au repos, les soupapes sont maintenues fermées par des ressorts de rappel,
l'ouverture est assurée par l'arbre à cames qui est couplé au vilebrequin par
l’intermédiaire d’une courroie ou chaîne de distribution Fig. I. 14. La vitesse de
rotation de l'arbre à cames est deux fois plus petite que celle du vilebrequin. Ainsi,
l'ouverture et la fermeture des soupapes sont parfaitement synchronisées avec les
mouvements du piston.
Figure I. 14. Chaîne de distribution
4. Les différents types de moteurs
La classification des moteurs se fait en fonction de la disposition des cylindres
4.1 Moteur avec cylindres en ligne
Le moteur avec cylindres en ligne est le type de moteur automobile le plus
répandu. Il comporte une seule ligne de cylindres, disposés d’un seul côté du
vilebrequin. Il s’agit du moteur le plus simple à mettre en place. Il est par conséquent
peu coûteux. S’il prend peu de place en largeur du fait de sa configuration en
ligne, ce moteur nécessite en revanche beaucoup d’espace en longueur.
Son principal inconvénient réside dans le déséquilibre provoqué par la
disposition des cylindres sur une seule ligne. Le déséquilibre du moteur peut
entraîner d’importantes vibrations.
Figure 1.15 Moteur en ligne
4.2 Moteur flat (à plat)
Le moteur à plat, comme son nom l’indique, est totalement plat : les pistons se
trouvent sur un seul plan, en général horizontal. Les cylindres sont toujours en
nombre pair et sont situés de chaque côté du vilebrequin.
Cette configuration du moteur est très pratique puisqu’elle lui permet de prendre
très peu de place en hauteur mais elle est assez difficile à entretenir.
Figure 1.15 Moteur à plat
4.3 Moteur V
Les moteurs en configuration « V » sont ainsi nommés pour leur particularité : ils
ont une forme en « V ». Ils sont disposés en deux rangés de plusieurs cylindres. Pour
un V8 il s’agira de deux rangées de quatre cylindres, pour un V6 deux rangées de 3
cylindres, pour un V12 deux rangées de 6 cylindres et ainsi de suite… Ces cylindres
qui fonctionnent en alternance sont placés au-dessus du vilebrequin.
Ce type de moteur dispose d’un vilebrequin très court et donc relativement léger,
ce qui entraîne une réduction des vibrations. Il s’agit cependant d’un moteur très
complexe et dont la fabrication est relativement coûteuse.
Figure 1.16 Moteur en V
4.4 Moteur W
Les moteurs en « W » sont identiques et fonctionnent comme les modèles « V », à
la différence qu’ils sont doublés. Les cylindres seront alignés en quinconce. Ce type
de moteur est principalement utilisé dans l’aviation ou les voitures haut de gamme.
Les cylindres en configuration « W » peuvent se présenter de deux manières :
1. Disposés en double V « accolé » : 3 rangées de cylindres
2. Disposés en double V « séparé » : 4 rangées de cylindres
Le principal avantage du moteur en W est qu’il peut comporter un grand nombre de
cylindres sur un minimum de place, puisque le vilebrequin est plus court que sur un
moteur en V. En revanche, le moteur prend plus de place en largeur.
Encore une fois, il s’agit d’un moteur très complexe, notamment au niveau des
culasses. Il a par conséquent un coût élevé.
Figure 1.16 Moteur en W
4.5 Moteur en étoile X
Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de
moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du
vilebrequin et l’axe de sortie moteur. L'architecture en étoile, en général, a été très
utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est de préférence impair pour des
raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 pour un moteur simple
étoile.
Figure 1.17 Moteur en étoile X