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THERMIQUE BASIQUE

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THERMIQUE BASIQUE
SUPPORT DE FORMATION
NIVEAU BASIQUE
Animateur: Valéry Belinski
2019
MOTEUR THERMIQUE
Objectif du module :
 Connaitre la structure d’un moteur thermique.
 Connaître le fonctionnement d’un moteur thermique Diesel.
 Être en mesure d’effectuer un diagnostique de recherche de pannes.
 Connaître les opérations de maintenance et de contrôles préventifs.
INTRODUCTION
•
Un moteur thermique est une machine, qui transforme l’énergie
chimique du carburant en énergie mécanique, disponible au bout de
vilebrequin.
Les types de moteur sont :
-
Le moteur dit « en ligne »
• Le moteur en « V » car les cylindres sont positionnés entre 90° et 120° suivant
les constructeurs.
• Moteur à plat
I. COMPOSITION D’UN MOTEUR
THERMIQUE
Légende :
1. Axe de rampe de culbuteurs
16. Joint de carter
2. Culasse 17. Vilebrequin
3. Soupapes 18. Volant
4. Bougies 19. Couronne
5. Bloc moteur 20. Bielle
6. Allumeur (DELCO) 21. Axe
de piston
7. Tiges de Culbuteur 22.
Piston 8. Pompe à essence 23.
Segments 9. Poussoirs 24.
Cylindre 10. Arbre à cames 25.
Joint de Culasse
11. Carter de distribution 26.
Ressort de soupape
12. Chaine de Distribution 27.
Culbuteurs. 13. Pompe à l’huile
28 Joint de carter
14. Crépine 29. Cache
culbuteur 15. Carter d’huile
1. Le Bloc moteur ou le bloc-cylindres
C’est une pièce de fonderie. Le bloc
cylindre est en fonte ou en aluminium.
Comme l’aluminium n’est pas assez dur
pour supporter les frottements constant des
pistons, les moteurs en aluminium sont
équipés d’une gaine de fonte (appelées
chemises) qui sont insérées dans les
cylindres. Toutefois, certains moteurs
ont des cylindres en aluminium
spécialement traité.
Les blocs en aluminium
nécessitent des
chemises en fonte ou en acier. Une
chemise sèche est coulée dans le
bloc de fabrication et entourée
d’aluminium. Une chemise humide
est rentrée à force après la coulée et
est en contact avec le liquide de
refroidissement.
Des canalisations ménagées dans le bloc assurent le refroidissement des
cylindres. Elles sont raccordées aux canalisations d’eau de la culasse par les
ouvertures situées en haut du bloc. Il est pourvu de bouchons qui sauteront au cas
où l’eau de refroidissement gèlerait.. L’antigel élève également le point d’ébullition
du liquide de refroidissement, ver 105 à 110°C. Cette possibilité est mise à profit
pour augmenter le rendement du moteur tout en restant à la limité de l’auto –
allumage, qui serait destructif pour les pistons notamment.
NOTA: Les différents montages
Sans chemises :
Les cylindres sont alésés directement dans le bloc. Dans ce cas :
Le bloc cylindre doit posséder les éléments de refroidissement, chambres
d’eau ou des ailettes de refroidissement, ce qui complique la fonderie.
Pour résister à l’usure du mouvement du piston, il doit être de bonne
qualité(nickel-chrome)
Montage « chemises sèches »
Les cylindre sont constitués de fourreaux emmanchés dans le bloc-cylindres.
Le bloc-cylindres est conçu pour recevoir des chemises ajustées.
Cas d’un bloc de la fonte : les chemises sèches pourront être remplacer
après usure.
Cas d’un bloc d’aluminium : les chemises sèches sont mis en lace à la
coulée( rétreint à l’azote). Il en résulte qu’elles pourront être réalésées, en
évitant un changement systématique.
Montage « chemises humides »
Les cylindres sont amovibles et sont au contact du liquide de refroidissement.
Le bloc peut être en fonte ou en aluminium : c’est un simple carter creux, donc
plus facile à usiner. Les chemises sont maintenues à la partie supérieure par la
culasse. Il faut cependant assurer l’étanchéité à la partie inférieure par un joint
(joint d’embasse)
L’avantage de ce système est la facilité de de remplacement des chemises
Les chemises :
Fonctions à remplir :
Elle permettent le guidage du piston avec lequel elle assure l’étanchéité inférieure
de la chambre de combustion
Qualité requise :
Bonne résistance aux frottements et à l’usure
Bonne résistance aux chocs thermiques
Faibles déformations
Bonne conductibilité Thermique.
Les matériaux utilisés :
La fonte grise au phosphore centrifugé
•Les chemises « sèches »
L’emmanchement se fait à la presse et doit
être suivi d’une rectification. Dans certains
cas, un glaçage peut être suffisant si la
chemise a été bien montée.
Chemises « humides »
L’emmanchement se fait avec une pression juste
nécessaire pour vaincre la résistance à
l’écrasement des anneaux d’étanchéité.
Particularités pour les chemises humides.
Les chemises humides sont maintenues en place
par la (ou les) culasses (s). Pour se faire, les
chemises dépassent légèrement du bloc cylindre
(0,1 mm). Un dépassement trop important
déforme la culasse. Un dépassement trop faible
n’assurerait un bon maintient.
Différents montages des chemises humides
La culasse
La culasse est aussi en fonte ou en alliage
d’aluminium moulé.
Les contraintes mécaniques étant moins
importantes que pour le bloc-moteur, les
constructeurs ont pratiquement abandonné
la fonte au profit d’aluminium, en raison de
sa légèreté et sa très bonne conductibilité
thermique. Un réseau de conduits d’eau et
d’huile est dans la culasse, l’étanchéité
bloc culasse est )
assurée par le joint de culasse. La culasse assure la fermeture des cylindres dans
leur partie supérieure, constituant ainsi la chambre de combustion. Elle permet
l’arrivée et l’évacuation des gaz. Elle permet fonctionnement correct des soupapes
et maintien de la bougie. Support le (ou les) arbres(s) à cames
et les systèmes de distribution (poussoirs, culbuteurs, linguets,…), pour cela, on doit
utiliser un matériau qui ait une bonne conductivité thermique, la meilleure rigidité
possible, qui ne soit pas sensible aux criques thermiques et qui soit coulable et
usinable.
Le joint culasse
Il assure l’étanchéité entre le bloc et la culasse mais également entre les gaz en
pression des cylindres et les circuits d’eau et d’huile
•Guides de soupape
Ils sont généralement en fonte ou en laiton. L’épaisseur est de 2 à 3 mm et ils sont
emmanchés à force dans la culasse
 Sièges des soupapes :
Matière :
•Acier coulé type Z 130 CWDV 6-5-4-2
•Acier frité
Usinage des sièges :
L’angle de siège le plus souvent -45° et 60°
parfois utilisé pour les sièges d’admission
Forme des sièges :
•En forme de venturi – pour accélérer les
gaz au passage de la soupape.
•Des sièges d’admission avec déflecteur –
pour créer un tourbillon dans la chambre
de combustion
les carters de protection:
Ce sont les couvercles qui couvrent ou ferment les différentes faces du moteur. ·
Le carter inférieur:
C’est une pièce en forme de cuvette qui abrite le vilebrequin et les têtes de bielle et
qui contient la réserve d’huile de graissage. En général, il est en tôle emboutie. Il
peut être en alliage léger moulé avec nervures extérieures pour assurer un bon
refroidissement de l’huile échauffée par son passage dans le moteur. L’étanchéité
entre le carter-moteur et le carter inférieur doit être parfaite : elle est assurée par un
joint plat à liège ou bien par un joint cylindrique, en caoutchouc synthétique, logé
dans une gorge.
· Le carter de distribution:
Pratiquement la distribution est matérialisée par une liaison mécanique entre le
vilebrequin et l’arbre à cames. Cette liaison est protégée par un carter étanche en
tôle ou en alliage léger, appelé le carter de distribution.
· Le couvre culasse:
Ce carter ferme la culasse des moteurs à soupapes en tête. Son intérêt est lié au
fait que sa dispose permet l’opération d’atelier: “réglage des soupapes”. C’est un
couvercle de protection étanche par joint comme le carter inférieur, Il est parfois en
alliage léger.
Le collecteur: Le collecteur d’admission regroupe les conduits qui amènent les
gaz frais auxsoupapes d’admission et le collecteur d’échappement contient ceux
qui emmènent les gaz brûlés depuis les soupapes d’échappement. Ce sont des
pièces moulées, en alliage léger pour l’admission et en fonte pour
l’échappement.
 Eléments mobiles.
Les éléments mobiles sont divisés en deux groupes:
 Le groupe de l’embiellage
 Le groupe des éléments de la distribution
Le groupe de l’embiellage:
1. Le piston
Le piston est la pièce qui va transmettre l'énergie
développée par la combustion à la bielle, pour des
raisons d'étanchéité, il est cerclé de joints appelés
segments.
Chaque segment à un rôle précis à jouer. Le
segment du bas (huile ou segment « racleur »),
retient l'huile afin qu'elle ne monte pas jusque sur le
dessus du piston; celui du centre (segment de
compression) seconde le segment du bas en lui
retournant le surplus d'huile qu'il a laissé échappé
et du même coup agit sur la compression; celui du
haut (Segment de feu), ne permet pas au feu de
l’explosion de pénètre dans le carter du moteur et
contrôle la compression du moteur
Matière :
Le piston est de forme cylindrique de révolution, moulé sous pression puis forgé. Il
est réalisé en alliage léger Alpax
 L’axe du piston et différents montages :
• Différentes formes
• Matière :
L’axe de piston est fabriqué en acier cémenté, trempé puis rectifié
Différents montages :
•L’axe est libre dans la bielle et serré dans
le piston avec parfois deux circlips de
sécurité. Le remontage en après se fait
après le chauffage du piston dans l’eau
bouillante.
• L’axe est libre dans la bielle libre dans le piston.
Le remontage se fait à froid. Il y a deux circlips d’arrêt
• L’axe est serré dans la bielle et libre dans le
piston. Remontage se fait après le chauffage de
la bielle à l’aide d’un outil de centrage et de
positionnement de l’axe de piston
 Les segments :
Description :
Les segments sont des anneaux brisés de section carrée ou parallélépipédique,
travaillant en extension. Ils doivent assurer des pressions radiales uniformes sur
les parois du cylindre.
Ils sont en général au nombre de trois, mais pour les grands moteurs des engins
ils peuvent être et de plus.
•Segment de feu ou « coup de feu » est le premier segment d’étanchéité.Il doit
résister aux températures élevées et au manque de lubrification.
•Segment intermédiaire ou d’étanchéité assure l’étanchéité inférieure de la
chambre de combustion et évite les consommations d’huile.
•Segment racleur empêche le film d’huile de remonter vers la chambre de
combustion, tout en laissant une certaine pellicule pour permettre la lubrification.
Les segments d’étanchéité, de coup de feu et racleurs peuvent prendre plusieurs
formes.
Matériaux utilisés :
•La fonte douce qui les compose reçoit un chromage évitant une usure rapide par
frottement
•Ils sont en général en fonte grise sphéroïdale durcie, en fonte grise au
graphite lamellaire, ou en acier traité
Particularités du montage des segments :
•Les segments pourvus d’une fente font office de ressort en s’appuyant sur les
parois du cylindre. Cette coupe en biais leur donne une certaine élasticité. Il est
prévu un jeu à la fente dont la valeur est donnée par le constructeur et s’appelle
« jeu à la coupe »
•Cette fente peut être droite, oblique, à recouvrement ou coupe en baïonnette
•Les segments sont placés dans les gorges du piston en laissant un jeu «appelé
« jeu à la gorge » qui varie de 0,02 à 0,05 mm
•- Les segments sont montés par telle façon que les fentes sont décalées.
2. La bielle
Définition : C’est l’élément qui transforme le
mouvement rectiligne du piston en mouvement de
rotation de vilebrequin
Description :
La bielle comprend trois parties :
•Le pied assure la liaison bielle/piston. Il est muni
d’une bague en bronze alésée
•Le corps assure la rigidité généralement de section
en forme I
•La tête et le chapeau assure la liaison avec le
vilebrequin par l’intermédiaire d’une paire de
coussinets minces.
Matériaux utilisés :
La bielle est matricée dans un acier mi-dur au
nickel chrome
Nota : Pour certain véhicule, elle est réalisée en
alliage léger (duralumin ou titane
Les coussinets :
Ce sont les bagues d’acier recouverts d’un métal antifriction appelé « régule ». C’est
un alliage de plombe, d’étain, d’antimoine, et de cuivre. Le point de fusion de cet
alliage est d’environ 400°C. Si le film d’huile qui améliore le mouvement disparaît, le
frottement anormal entre la bielle et le vilebrequin provoque la fusion de régule et un
cognement sourd se fait entendre. On dit qu’une bielle vient de couler.
Les coussinets sont maintenus en position sur le chapeau et la tête chacun par un
ergot.
Remarque :
Pour éviter toute contrainte, les axes du pied et de
la tête doivent être parallèles : c’est le contrôle de
vrillage de la bielle. Par la combinaison des
mouvements rapides du piston et du vilebrequin,
elle doit résister à la flexion « flambage ».
Montage des bielles :
•Par douilles d cisaillement
•Par plan de joint mortaisé
•Par tenons et mortaises
•Par cassures programmées
3. Vilebrequin
Il transforme la force communiquée par la bielle en couple. Il fait un mouvement
rotatif ( c’est le mouvement rectiligne du piston, transformé par la bielle en
mouvement circulaire continu)
Description :
De forme alongée et coudée, le vilebrequin est
composé de trois séries d’éléments :
Les tourillons
•Matérialise l’axe de rotation de vilebrequin
•Ils permettent à l’arbre moteur de reposer et de s’articuler
par l’intermédiaire des coussinets sur les paliers du bloccylindres
 Les manetons : Ce sont les parties cylindriques, sur
lesquelles viennent se fixer et s’articuler les têtes de
bielles, permettant ainsi le mouvement circulaire du
vilebrequin
 Les bras de manivelle ou flasques : Ils réunissent les manetons et les
tourillons. Sur certains vilebrequins las flasques se prolongent par des
épanouissements constituant des masses d’équilibrage (statique et dynamique) qui
sont ajustées par meulage ou perçage.
•A l’intérieur des portées et des flasques sont percés des canaux destinés à
amener l’huile venant de paliers aux manetons
Fabrication et matériaux utilisés :
Le vilebrequin est réalisé :
•Soit en acier au nickel-chrome et manganèse par forgeage
•Soit en fonte au chrome avec silicium et du cuivre par moulage
Les différents montages des manetons :
Afin que les temps moteurs puissent se succéder et permettre ainsi une régulation
du cycle en deux tours de vilebrequin (720°) les manetons seront disposés
systématiquement dans le sens de la longueur et décalés entre eux d’un angle
déterminé :
•Pour 2 cylindres – 360°
•Pour 4 cylindres – 180°
•Pour 6 cylindres – 120°
NOTA :
Ca n’est valable que pour les moteurs en ligne
Moteur à 6 cylindres en ligne
Coussinets de paliers :
Les paliers diminuent le frottement des pièces
en rotation. Chaque coquille de coussinet est
pourvue d’un support de palier robuste en
acier, sur lequel on a appliqué des couches
minces de différents alliages métalliques
(Métal blanc, bronze ou plomb et alliage
aluminium-étain).
Coquilles de coussinet : les tournillons de
vilebrequin et de bielle tournent
fréquemment dans des demi – coquilles
en acier moulées avec une couche de
frottement. L’huile de graissage est
amenée aux paliers de bielle par les
gorges des segments et les trous de
passage d’huile situés dans les coquilles
Cales latérales
La pression que reçoivent le palier principal, travers les trous de passage d’huile
des coussinets de palier, d’où elle est répartie sur l’ensemble de la surface des
tourillons de vilebrequin. Une partie de l’huile parvient aux manetons de la bielle par
des trous d’huile située dans le vilebrequin. L’arrivée de l’huile de graissage aux
manetons de bielle est fonction du jeu entre le vilebrequin et les paliers
principaux. Le jeu des paliers ne doit pas dépasser une valeur maximale de l’ordre
de 0.0125 mm (1/100 à 2/100). Le trou d’huile, par lequel un palier est lubrifié se
trouve toujours au point supportant la plus faible charge. En d’autre terme, l’huile
arrive à l’emplacement du jeu maximal entre le vilebrequin et la coquille de
coussinet, en rotation sur le palier il apparaît un coin d’huile, dont l’extrémité aboutit
à l’endroit de la charge maximale du palier. Ainsi l’arbre du palier est soulevé, pour
éviter le contact avec le palier.
Rondelles de butée : les rondelles de butée
sont utilisées en liaison avec des coquilles de
coussinet. Elles ont un dos en acier, sur lequel
est appliqué un métal antifriction et
empêchent un déplacement axial de l’arbre du
vilebrequin.
Le volant moteur
Son rôle est d’un régulateur du couple moteur. Il emmagasine au temps moteur une
énergie cinétique suffisante pour lui permettre de faire franchir au piston les temps
résistants
Remarque :
•Le rôle du volant diminue avec augmentation le nombre des cylindres, parce que le
couple sera plus régulier.
•L’énergie cinétique est d’autant plus grande que l’essentiel de sa masse se trouve
réparti de façon homogène le plus loin possible de l’axe de rotation.
•D’autres fonctions : démarrage ; appui au plateau d’embrayage ; sur lui il y a des
repères pour le point AI.
Evolution – le volant bi-masse
Description
Les moteurs diesel modernes, très performants, sollicitent beaucoup les éléments
de transmission par leur couple moteur. Pour supporter ces contraintes
supplémentaires, et afin d'éviter d'alourdir les volants moteur, la solution proposée
par les constructeurs est le volant bi-masse.
Schématiquement, le volant moteur est formé de 2 disques accolés reliés par des
ressorts amortisseurs qui annihilent les à-coups de transmission.
NOTE: A-coups de transmission et claquements moteur sont les signes
précurseurs d'un volant bi-masse défectueux. Dans le pire des cas, il peut entraîner
la destruction du moteur.
Le damper :
Pour résoudre les problèmes d’oscillations de torsion dues aux efforts, on est
parfois amené à monter une poulie « DAMPER » en bout de vilebrequin côté
opposé au volant qui les amorti.
Autre fois , le système le plus utilisé était le Damper à friction. De nos jours, on
rencontre essentiellement des Damper à base de caoutchouc ou des Damper
visqueux
 la distribution
Principe de fonctionnement
L'ouverture et la fermeture des soupapes est régie par une loi de distribution qui
impose :
 Les points d'ouverture et de fermeture par rapport aux points morts haut et bas.
Le bon fonctionnement est conditionné par :
 L'amplitude du mouvement des soupapes.
 La synchronisation avec les mouvements du piston.
 Le respect de l'ordre de fonctionnement des cylindres.
Les organes de la distribution :
Définition: C’est l’ensemble des éléments qui participe à la réalisation du
diagramme réel du moteur.
Les soupapes :
Les soupapes doivent :
- Permettre le passage d’un maximum de gaz dans un temps très court
- Assurer une parfaite étanchéité à la fermeture sur le siège de soupape
Les soupapes:
Elles sont de deux types: soupapes d’admission et
soupapes d’échappement.
· La soupape d’admission:
Permet aux gaz frais (gasoil + air) de rentrer dans la
chambre de combustion depuis
le carburateur ou l’injecteur.
· La soupape d’échappement:
Permet aux gaz brûlés de sortir de la chambre de
combustion vers l’échappement.
Les soupapes doivent rester fermées pour assurer
l’étanchéité de la chambre de
combustion lors des phases de compression et
combustion des gaz frais.
Remarque :
Certains moteurs peuvent avoir plus de deux soupapes
par cylindre
Les ressorts :
Il a pour rôle à maintenir le contact avec la came de l’arbre à cames. On appelle ce
ressort « ressort de rappel ». Ce ressort, qui est comprimé, risque à une fréquence
élevée d’entrer en résonance.
Solution :
•Alléger les soupapes
•Utilisation des ressorts avec le diamètre de fil variable et le pas variable.
•Utilisation de ressort antagoniste
Ajustage soupape/siège
Les angles des soupapes :
 - angle de la soupape 45+ ;60° : 30°
 - angle de dégagement
 -angle de lamage
a – portée soupape/siège
Matériaux utilisés :
•Soupapes d’admission
Elles sont monométallique, pleines, réalisées en acier au nickel chrome et obtenu
par matriçage. Le passage des gaz frais maintient une température aux environs
de 250 à 300°C
•Soupapes d’échappement – la température maintenue est aux environ de 700°C
- Soupape monométallique- réalisées en acier allié austénitique à très forte teneur
en nickel chrome tungstène, ou au chrome manganèse nickel.
-Soupapes monométalliques creuses – Pour les moteurs présentant des
surchauffes au niveau des soupapes, on dispose de soupapes à tige creuse et
partiellement remplies de sodium ou de sels de lithium et potassium.
- Soupapes bimétalliques pleines – L’acier austénitique présente une mauvaise
conductibilité et une faible résistance à l’usure. La tête sera réalisée en acier
austénitique, la tige en acier de traitement, les deux étant réunies par soudage
spécial
SOUPAPE TITANE
Jeux aux soupapes
On appelle « jeu des soupapes » l’espace qu’il convient de laisser, moteur arrêté,
entre l’extrémité de la queue de soupape et sa commande pour garantir l’appuie de
la tête de soupape sur son siège, malgré les variations de température auxquelles
sont soumis les éléments du moteur.
Ce jeu a pour buts :
- d’assurer une fermeture parfaite des soupapes quelles que soient les dilatations.
- d’assurer avec exactitude l’ouverture et le fermeture des soupapes aux points
définis par le constructeur.
Le constructeur préconise un jeu à froid
généralement compris entre:
0,10 et 0,30 mm pour l’admission
0,20 et 0,40 mm pour l’échappement.
 Le culbuteur
Un culbuteur est un levier basculant qui fait partie de la commande de distribution.
Le culbuteur reçoit en un point la poussée de la came, soit directement soit par
l’intermédiaire d’une tige, et par un autre point pousse sur la soupape en ouverture
en forme de cuvette dans laquelle s’articule la vis de réglage portée par le
culbuteur..
Le culbuteur peut être en fonte, matériau
convenant pour les parties flottantes. Il
peut
être en acier, mais nécessite alors un
traitement thermique pour durcir les parties
flottantes
 La tige de culbuteur
La tige de culbuteur est un élément de
la commande de distribution qui transmet
le mouvement de la came au culbuteur
dans un moteur culbuté. Elle comporte une
extrémité
 Le poussoir
Des poussoirs sont interposés entre les cames et les soupapes. Ils servent
d’intermédiaire entre le mouvement rectiligne des soupapes. Selon la position de
l’arbre à cames par rapport aux soupapes, il est nécessaire d’interposer des
culbuteurs et des tiges de culbuteurs.
Certains moteurs avec ACT (Arbre à Cames en Tête) sont équipés de poussoirs
hydrauliques fonctionnant grâce à la pression d’huile et de nécessite pas de
réglages de jeux aux soupapes.
Les types des poussoirs :
• Des poussoirs à plateau;
• Des poussoirs cylindriques
• Des poussoirs avec grain de réglage au dessous
• Des poussoirs avec grain de réglage au dessus
• Des poussoirs hydrauliques
Poussoirs hydrauliques :
Construction :
Poussoirs hydrauliques - Opel
L’arbre à cames :
Il commande précisément la levée des soupapes et assure cette levée pendant
une durée bien déterminée correspondant au diagramme de distribution du
moteur. Le mouvement de l’arbre à cames est lié avec le mouvement de
vilebrequin. La fréquence de rotation de l’arbre à came est à la moitié de celle de
vilebrequin.
Description : - L’arbre à cames comprend plusieurs parties
•Les cames – commandent les soupapes, leur forme permet d’obtenir une levée
progressive des soupapes
Matière et traitement
Suivant les charges et les pressions appliquées, on poura trouver :
- Fonte type graphite lamellaire (GLA), ou graphite sphéroidal (GS)
•Trempée sur refroidisseurs
•Trempée par induction ou refusion TIG
- Aciers
•Cémenté trempé
•Nitruré (ex. : 32 CDV 3 ou 30 MCAV 6
Ces traitements sont nécessaires pour durcir les cames et augmenter leur tenue à
l’usure
Entrainement de l’arbre à cames
•Par pignons
•Par chaîne.
•Par couroi
II. CYCLE DE FONCTIONNEMENT
1. Définitions :
 Les « moteurs thermiques » transforment
l’énergie calorifique des combustibles ou
carburants en énergie mécanique recueillie sur
l’arbre – moteur. Cette transformation est obtenue
par changement d’état : - vaporisation ; - de
volume ; compression ; - de température ;
combustion.
 Par rapport à l’endroit ou s’effectue la
combustion, il existe deux types des moteurs :
moteur à combustion externe (MCE) et moteur à
combustion interne (MCI).
Moteur à combustion externe (MCE)
La combustion s’effectue à l’extérieure de l’enceinte où travaille le fluide moteur qui
reçoit sa chaleur à travers une paroi de façon continue ou discontinue : machine à
vapeur à piston et moteur Stirling ou turbine à vapeur. Ces machines sont
généralement à cycle fermé car le fluide de travail est généralement recyclé.
Moteur à combustion interne (MCI)
L’apport de chaleur se fait par combustion continue ou discontinue au sein même
du fluide de travail, généralement l’air qui est renouvelé à chaque cycle. Les
machines de ce genre sont donc généralement à cycle ouvert.
 Premier type.
Le moteur dit à «explosion » à mélange préalable d’essence et allumage commandé
 Seconde type.
Le moteur dit « à huile lourde » ou à combustion lente, qui est le moteur Diesel, à
injection et allumage spontanée par forte compression où la combustion est
maitrisée par la loi de débit de l’injecteur.
 Troisième type.
Les turbines à gaz et turbopropulseur où l’apport de chaleur s’opère par combustion
continue au sein du fluide.
Le cycle théorique De Beau de Rochas
Dans son brevet déposé en 1862, le français
BEAU DE ROCHAS propose
d’appliquer le processus décrit ci dessous à une masse gazeuse emprisonnée dans
un moteur à piston. Le cycle complet comprend 4 courses de piston donc 2 tours de
vilebrequin.
Définition et principe du cycle à quatre temps :
On appelle cycle l’ensemble des phases qui se succèdent dans le moteur, dans
notre cas le cycle comprend quatre phases ou temps.
1 Temps admission: aspiration d’air ou de mélange air-gaz.
2 Temps compression: de l’air ou du mélange.
3 Temps combustion-détente: inflammation rapide du mélange provoquant
une brusque montée en pression des gaz puis leurs détentes.
4 Temps échappement: évacuations des gaz brûlés.
On constate que seul le troisième temps fournit de l’énergie, c’est le temps moteur,
les trois autres temps sont dit résistants.
EXPLOSION DETENTE
ECHAPPEMENT
DIAGRAMME DES QUATRE TEMPS
Le croisement des soupapes accélère le passage des gaz
Déroulement du cycle à quatre temps.
ADMISSION:
Le cycle commence à un point mort haut,
quand le piston est à son point le plus élevé.
Pendant le premier temps où le piston
descend, un mélange d’air et de carburant est
aspiré dans le cylindre via la soupape
d’admission. Le piston en descendant crée
une baisse de pression qui favorise l’aspiration
des gaz.
COMPRESSION:
La soupape d’admission se ferme.
Puis le piston remonte (compression) et
comprime le mélange air carburant jusqu’à ce
qu’ils n’occupent plus que la chambre de
combustion, c’est à ce moment la qu’a lieu
l’étincelle pour un moteur gaz et l’injection du
gazole pour un moteur diesel.
EXPLOSION DETENTE:
Le mélange air-carburant est alors enflammé,
habituellement par une bougie d’allumage, aux
environs du deuxième point mort haut (remontée
complète du piston).
L’expansion des gaz portés à haute
température lors de l’explosion force alors le
piston à descendre pour le troisième temps
(détente). Ce mouvement est le seul temps
moteur (produisant de l’énergie directement
utilisable).
ECHAPPEMENT
Lors du quatrième et dernier temps
(l’échappement) les gaz brûlés sont évacués
du cylindre via la soupape d’échappement par
la remontée du piston. A ce moment le moteur se
trouve prêt à effectuer le premier temps.
Moteur à allumage commandé
On dit qu’un moteur est à allumage commandé pour
tous les moteurs à essence ou GPL. C’est à dire qu’à la
fin du deuxième temps (deuxième point mort haut ou
PMH). L’inflammation du mélange se fait par une
étincelle à la bougie, cette étincelle est commandée
mécaniquement ou électroniquement par le système
d’allumage. On le reconnaît grâce aux bougies et à la
bobine d’allumage
Moteur à allumage par compression
Les moteurs diesel fonctionnent, habituellement, au gazole ou
aux huiles végétales. Un moteur à allumage fonctionne grâce
à un système d’injection des injecteurs et un système de
préchauffage.
Un moteur Diesel est un moteur à allumage par
compression car celui-ci n’est pas commandé,
mais spontané, par le phénomène d’autoallumage.
Cela est possible grâce à l’utilisation d’un très fort
taux de compression. Ce type de moteur n’a pas
besoin de bougie d’allumage, contrairement aux
moteurs à allumage commandé, mais de simples
bougies de préchauffage.
 Diagramme de distribution
Tous les moteurs à combustion font appel aux transformations thermodynamiques
d’une masse gazeuse pour passer de l’énergie chimique contenue dans le
combustible à l’énergie mécanique directement exploitable sur l’arbre de sortie
moteur.
Diagramme théorique
Le diagramme d’un moteur à 4 temps est le
diagramme idéal. Il ne tient pas compte des
facteurs suivants:
• Temps mis par les soupapes à s’ouvrir.
• Délai d’inflammation du mélange.
• Inertie des gaz.
• Echanges de chaleur avec l’extérieur.
A. Aspiration du gaz à la Pa dans le cylindre
le long de la droite isobare AB (Po=1 Bar,V1Vo).
B. Compression adiabatique BC jusqu’au
volume minimal V1, la pression
devenant p1.
C. Combustion instantanée du gaz à
volume constant le long de la droite
isochore CD avec une forte élévation de
température à T2 et de la pression à p2.
D. Détente du gaz chaud le long de
l’adiabatique DE qui ramène le volume à
Vo, mais à une pression p3 supérieur à
celle de l’atmosphère.
E. réouverture de l’échappement des gaz
dont la pression tombe instantanément
à la Pa le long de l’isochore EB, la
température redescendant à T1.
F. Reste à vider le cylindre, des gaz brûlés,
en décrivant l’isobare BA, pour revenir
au point de départ A.
Diagramme réel et théorique
Suite à ces défauts des réglages ont été effectués :
Il est nécessaire, pour remédier à ces inconvénients d’augmenter le temps
d’ouverture des soupapes afin d’éviter le freinage des gaz et le point d’allumage
devra être avancé pour tenir compte du délai d’inflammation.
• Avance à l’Ouverture de l’Admission, AOA:
Cette avance évite l’arrêt de la veine gazeuse
devant une soupape fermée et améliore ainsi le taux
de remplissage.
• Retard à la Fermeture de l’Admission, RFA:
On profite de l’inertie des gaz pour augmenter
le remplissage et ne refermer la soupape qu’après
le PMB. La diminution du temps de compression est
compensée par une pression de début de
compression plus élevée.
• Avance à l’Allumage, AA:
Elle permet de répartir l’explosion de part et d’autre du PMH. La
pression maximale se trouve ainsi augmentée.
• Avance à l’Ouverture de l’Echappement, AOE:
Elle permet d’avancer la chute de pression des gaz brûlés
afin de limiter leur tendance à la contre-pression.
• Retard à la Fermeture de l’Echappement, RFE:
On profite de l’inertie des gaz pour faciliter leur évacuation
complète. La soupape d’échappement se ferme donc au
début du temps admission.
Epure circulaire
Les différents types d’injection
• Injection indirecte
Ce type d’injection est valable sur le moteur
essence comme sur le moteur diesel.
Sur un diesel le carburant est injecté dans une
chambre de précombustion, alors que sur
l’essence le carburant est injecté avant la
soupape d’admission.
Le combustible injecté dans cette préchambre
commence à brûler puisqu’elle contient de l’air
préalablement comprimé et l’élévation de la
pression résultante de cette précombustion
expulse le mélange vers le cylindre ou la
combustion se poursuit. Cette combustion
étagé assure un fonctionnement moins
bruyant car les pressions d’injection sont
modérés (100 à 150 bar) et le rapport
volumétrique varie de 12/1 à 15/1.
• Injection directe
L’injection est directe si elle s’effectue dans la chambre de combustion du cylindre.
Ce type d’injection facilite les démarrages à froid, et diminue largement la pollution
et augmente le rendement du moteur
Il existe aussi l’injection centralisée, elle se fait dans la
partie du collecteur commune à tous les cylindres, à
l’endroit qu’occuperait le carburateur. On peut également
différencier les systèmes d’injection par le système de
régulation.
Dans l’injection mécanique, la pompe entraînée par le
moteur, effectue la mise en pression du carburant et dose le
volume injecté.
Pulvérisation du gazole obtenue grâce aux trous multiples
et la force pression d’injection, qui associé à la turbulence
de l’air comburant permet d’obtenir une bonne combustion.
 Composition d’un injecteur
Constitution d’un injecteur (Perkin)
Légende :
1. entrée
2. raccords de fuite
3. écrous de serrage
4. corps de l’injecteur
5. rondelles de réglage
6. ressort
7. siège du ressort
8. rondelle intermédiaire
9. injecteur
10. écrou d’assemblage
11. joint bague d’étanchéité
•Injecteurs à tétons :
Ils sont utilisés sur les moteurs à
turbulence, car la préparation du mélange
combustible est assurée principalement
par le tourbillonnement de l'air et facilitée
par la forme étudiée du jet d'injection.
La buse est percée d'un trou central de
diamètre relativement important d =0.8 à 3
mm et l'aiguille présente un téton de
diamètre légèrement inférieur.
Avec ce dispositif, on obtient un jet conique
dont l'angle de dispersion α dépend de la
forme du téton de l'aiguille. En outre, le
téton empêche tout dépôt de calamine sur
le trou d'injection.
•Injecteurs à trous pilote
C'est un injecteur à téton à grand recouvrement "R",
dont la buse est percée d'un trou capillaire oblique "P"
qui débouche sous le siège de l'aiguille "S". Il est
utilisé sur des culasses à préchambres.
•Les injecteurs Commun rail :
III. AUTRES ELEMENTS
 1. La lubrification





Rôle de la lubrification:
Diminuer les frottements des pièces en mouvement;
Dissiper une partie de la chaleur de combustion;
Assurer l’étanchéité des cylindres;
Évacuer lors des vidanges les particules du à l’usure et aux résidus de
combustion.
Caractéristiques d’un lubrifiant:
La viscosité: la viscosité caractérise les forces de frottements d’un fluide
seulement quand celles-ci sont en mouvement les unes par rapport aux autres.
Elle se mesure de différentes manières. La méthode la plus courante est celle
de d’Engler. Cette méthode consiste à comparer la vitesse d’écoulement d’un
certain volume d’huile à celle d‘un même volume d’eau par un trou d’un petit
diamètre (1mm par exemple). La viscosité de l’huile diminue avec l’élévation de
la température. La qualité d’une huile est d’avoir un degré de viscosité suffisant
pour assurer un frottement fluide aux températures de fonctionnement des
organes du moteur: de 80° à 120°.
 L’onctuosité: est la facilité pour un
lubrifiant de bien adhérer aux surfaces métalliques.
 Le point d’inflammation: c’est la
température à laquelle l’huile émet des vapeurs. Ces vapeurs risquent de
s’enflammer. La température d’inflammation est environ: 200°C à 250°C.
 Le point de congélation: c’est la
température où l’huile se s’écoule plus. Elle doit être la plus basse possible. Pour
les régions tempérées, cette température est de l’ordre de -25°C à -20°C.
Les huiles moteur sont classées suivant leur viscosité, les normes de classement
sont déterminées par la S.A.E (Society Automotive Engineering). On distingue:
- les huiles multigrades dont la viscosité est donnée pour une valeur de la
température. On trouve les huiles SAE 10W, 15W, 20W, 30, 40, 50.
- Les huiles multigrades dont la viscosité est donnée pour deux valeurs de la
température. On trouve les huiles SAE 10W30, 10W40, 10W50, 15W40, 15W50,
20W40, 20W50.
Exemple: 15W viscosité à 0°F, 40W viscosité à 210°F.
• Filtration moteur
Le filtre à cartouche se compose d’une
embase, et d’une cloche contenant le filtre
proprement dit. Il est monté en série au
départ du circuit de graissage. Il assure la
rétention des particules en suspension
dans l’huile, un clapet de sécurité (bypass) évite l’arrêt du débit d’huile en cas
de colmatage du filtre. Le filtre doit être
changé périodiquement ainsi que l’huile.
 Le circuit de graissage
L’une des principale fonction de l’huile moteur est d’évacuer la chaleur due au
frottement dans les paliers et la chaleur de combustion dans les pistons. En outre,
le film d’huile sépare les surfaces de frottement, réduisant l’usure, et entrainant les
résidus de combustion qui favorise la corrosion.
Le système représenté ici comprend un radiateur d’huile thermostalisé et le
refroidissement des pistons est réalisé par jet d’huile
 Le circuit de refroidissement
Rôle du refroidissement:
Le rendement du moteur (le rapport entre l’énergie fournit par l’arbre moteur et
l’énergie apportée par la combustion) ne dépasse généralement pas 30% dans les
moteurs à allumage commandé.
La quantité d’énergie à évacuer par le refroidissement varie en fonction de la charge
du moteur.
Au cours du cycle, la température des gaz au sein du cylindre varie de quelques
degrés à 2000°C.
Les parois de la culasse et de la chemise suivent ces variations avec une amplitude
beaucoup plus faible. Ces écarts (de 60°C à 80°C autour d’une moyenne de 200°C
pour la peau des parois de la culasse par exemple) suffisent parfois à provoquer
des contraintes thermiques cycliques préjudiciables à la tenue des pièces (criques
thermiques dans la culasse, déformations permanentes de la culasse entraînant
des problèmes d’étanchéité au niveau du joint de culasse…).
Avantage du refroidissement
Maintien de la température des éléments de la chambre de combustion en dessous
de certaines limites pour assurer leur résistance mécanique. Diminution de la
température de l’huile afin d’assurer une bonne lubrification du contact
segment/cylindre et aussi de diminuer les risques de grippage des pistons ou de
gommage des segments. Maintien d’un taux de remplissage correct (échauffement
des gaz frais plus réduit). Éloignement des limites du cliquetis (combustion
anormale).
Le radiateur et vase d’expansion
Pompe à eau
La pompe à eau entrainée par le moteur est souvent disposée en avant du bloc
cylindre. Elle assure la circulation du liquide de refroidissement celui-ci est
réchauffé par le moteur (sur certain moteur elle passe dans le conduit d’admission
pour réchauffé l’air avant l’entré dans le moteur.
En fonction du moteur elle est entrainée par une courroie d’accessoire ou par la
courroie de distribution. L’hélice du ventilateur est parfois implantée en bout de la
pompe. La vitesse de l’hélice est directement liée à la vitesse du moteur.
La circulation de l’eau à l’intérieur du moteur
L’eau circule au travers du bloc-cylindres et remonte à la culasse par les trous
pratiqués dans le joint de culasse. La mise au point du circuit d’eau consiste à faire
une bonne répartition du débit d’eau et à augmenter la vitesse du liquide autour des
zones chaudes des cylindres et de la culasse. Cette mise au point est réalisée en
calibrant le diamètre des trous de passage d’eau dans le joint de culasse.
Pour assurer une montée en température rapide du moteur, il faut éviter de faire
circuler le liquide de refroidissement dans le radiateur en dessous d’une certaine
température. Ce rôle est assuré par le thermostat ou calorstat. Les raisons de cette
montée en température rapide du moteur sont les suivants:
- Amélioration du chauffage (si équipé)
- Diminution de la pollution
- Réduction des pertes par frottement par diminution de la viscosité de l’huile.
Thermostat
Moteur froid: A fermé; B ouvert
Moteur chaud: A ouvert; B fermé
1. Arrivée d’eau
2. Tige
3. Ressort
4. Capsule
5. Cire
6. Ressort
7. By-pass
8. Départ d’eau vers la pompe
Les thermostats utilisent des cires dilatables qui provoquent l’ouverture du circuit
d’eau en direction du radiateur audessus d’une température limite fixée par le
constructeur. Pour augmenter le débit d’eau dans le moteur pendant la montée en
température de ce dernier (thermostat fermé), on peut utiliser un thermostat à
double effet:
Moteur froid:
Le passage vers le radiateur est fermé Le passage vers un circuit de by-pass est
ouvert
Moteur chaud:
Le passage vers le circuit de by-pass est fermé et tout le débit passe par le
radiateur.
On peut trouver le thermostat à l’entrée du moteur ou à la sortie de la culasse.
Lorsque la température de l’eau atteint le seuil d’ouverture du thermostat (de
l’ordre de 88°C), celui-ci commence à s’ouvrir. L’eau pénètre dans le radiateur et
de l’eau froide rentre dans le moteur. Cette eau froide va devoir traverser tout le
moteur avant d’atteindre à son tour le thermostat.
Rôle de thermostat dans l’eau de refroidissement :
Lorsque le moteur est froid, le thermostat bloque ou réduit le reflux de l’eau de
refroidissement au radiateur, et la maintient dans la culasse. Le thermostat à soufflet
se compose d’une boite fermée en accordéon, qui est remplie de liquide à bas point
d’ébullition. Quand le liquide se réchauffe par l’eau de refroidissement, la boite
s’allonge et une soupape s’ouvre. Le régulateur à matière extensible se compose
d’une boite à haute pression en laiton refermant une matière extensible (cire
spéciale), dans laquelle rentre un piston en forme de crayon inséré dans une
membrane de caoutchouc. A froid, la soupape disposée sur le piston est bloquée.
Avec le réchauffement, la cire fond, son volume augmente et la boite se déplace
vers le bas ; la soupape s’ouvre.
Ventilation par moteur électrique
Pour les moteurs à refroidissement, liquide, l’évacuation des calories indésirables
s’effectue par l’intermédiaire du radiateur, dans lequel circule le liquide de
refroidissement en provenance du moteur, mais elle est insuffisante lorsque la
voiture est immobilisée, comme par exemple dans des embouteillages. Ainsi avaiton adjoint au système de refroidissement un ventilateur directement entraîné par
la monture. Mais l’entraînement direct du ventilateur par le moteur à l’aide d’une
courroie est une source de perte de puissance. Pour récupérer les quelques
chevaux gaspillés pour faciliter le montage dans le cas de moteurs transversaux,
le ventilateur est le plus souvent indépendant du moteur. Il est entraîne par un petit
moteur électrique solidaire d’un petit châssis fixé sur le radiateur. La mise en route
est commandée par un contacteur thermostatique fixé sur le radiateur. Son
fonctionnement n’intervient donc qu’en cas de besoin et notamment lorsque le
moteur monte en température dans les encombrements. Sur la route et en hiver, il
ne fonction pratiquement pas. A notre que sur la plupart des voitures, le ventilateur
électrique ne fonctionne qu’une fois le contact mis, mais sur quelques-unes il peut
fonctionner le contact coupé. Dans ces conditions, il faut y prendre garde lorsque
l’on travaille sous le capot, le moteur chaud.
Le vase d’expansion
Lors de l’échauffement du moteur, le liquide de refroidissement se dilate et le
pression monte dans le circuit. Les variations du volume entre moteur froid et
moteur chaud sont absorbées par le volume d’air situé à la partie supérieur du vase
d’expansion. Comme le tube d‘arrivée se trouve en dessous du niveau du liquide, il
n’y aura pas d’introduction d’air dans le circuit quand le liquide va refroidir et
repasser en direction du moteur.
1. Thermostat
2. Vase d’expansion
3. Bouchon taré
4. Aérotherme
5. Pompe à eau
6. radiateur
Le liquide de refroidissement également appelé liquide caloporteur est constitué
d’eau, d’éthylèneglycol (antigel) et d’inhibiteur de corrosion. La présence
d’éthylène- glycol augmente la température d’ébullition et abaisse celle de
congélation.
Refroidissement par air
Ce type de refroidissement encore beaucoup utilisé pour les motos est très rare en
automobile. Le coefficient de conductivité de l’air étant plus faible que celui de
l’eau, les surfaces d’échange doivent être augmentées et le débit d’air être très
important. En pratique, cette surface est augmentée au moyen d’ailettes venues
de fonderie au niveau des cylindres et de la culasse. Pour les moteurs à poste
fixe, le moteur est caréné avec des tôles et l’air est pulsé par une soufflante.
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