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.
