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LES MOTEURS A PISTON

I.  Transformation de la chaleur en travail

Le motocycle et les automobiles sont équipés par des moteurs à piston appelés aussi des moteurs à explosion.

Ces moteurs reçoivent à l’entrée, du carburant et de l’air nécessaire à sa combustion, fournissant à la sortie, du travail. Ils convertissent en travail une partie de la chaleur fournie par la combustion.

A.  Ce qui se passe dans le cylindre

La combustion se produit dans un cylindre où coulisse un piston rendu étanché par quelques segments

On peut schématiser cette combustion par : la combustion de gaz frais (air-essence) préalablement comprimé par le piston, est très rapide mais sans être explosive. La chaleur qu’elle dégage porte à haute température et à forte pression les gaz brulés qui répoussent violemment le piston. Un mécanisme à bielle et manivelle permet de recueillir ce travail sur un arbre qui tourne.

B.  Bielle et manivelle.

Une tige rigide, la bielle, relie le piston à la manivelle d’un arbre coudé appelé vilebrequin.

L’ensemble assure la transformation du mouvement de translation rectiligne alternative du piston en un mouvement de rotation continue du vilebrequin.

Remarque :

Sans la présence d’un volant, le mouvement s’arrêterait en deux points: les points mort où la bielle est alignée avec le bras de manivelle. On appelle Point Mort Haut (PMH) et Point Mort Bas (PMB), des points que l’énergie cinétique du volant permet de franchir.

II.  Le cycle à quatre temps

A.  Admission

La soupape d’admission est ouverte, celle de l’échappement fermée. Le piston descend, entrainé par l’énergie cinétique du vilebrequin et du volant. La dépression qu’il crée aspire dans le cylindre le mélange d’air et d’essence pulvérisé dans le carburant et en partie vaporisé.

B.  Compression

Les deux soupapes sont fermées. Le piston, toujours entrainé par l’énergie cinétique, remonte en comprimant au-dessus de lui le « gaz frais » dans la chambre de combustion.

C.  Combustion- Détente

Au cours du PMH, une étincelle jaillit entre les électrodes de la bougie d’allumage qui provoque l’inflammation des gaz comprimés. Brusque élévation de température et de pression : les gaz brulés se détendent en repoussant le piston au PMB : c’est le temps moteur.

D.  Echappement

La soupape d’échappement est ouverte, celle d’admission fermée. Le piston, entrainé par l’énergie cinétique des pièces en rotation, remonte en refoulant par les tubulures d’échappement, les gaz brulés dans l’atmosphère. Au PMB, la soupape d’échappement se referme, celle d’admission s’ouvre, le cycle recommence.

III.  Redement d'un moteur

A.  Définition

Le rendement énergétique d’un moteur est le quotient de la puissance recueillie par l’arbre par la puissance calorifique fournie par la combustion du carburant.

$r=\frac{P_s}{P_e}$                                   $r=\frac{E\;sortie}{E\;entrée}$

$P_s=2πnM$

B.  Remarques

Le vilebrequin a fait deux tours au cours du cycle. Chaque temps correspond à $\frac{1}{2}$ tour.

  • Le piston fait deux aller et retour.
  • Un seul temps sur quatre est moteur : c’est le temps moteur.
  • La régularité du mouvement est obtenue grâce à l’énergie cinétique du volant. On l’améliore en augmentant le nombre de cylindre.
  • Chaque soupape n’a été ouvert qu’une fois dans le cycle c’est-à-dire que l’arbre à cane n’a fait qu’un tour au cour du cycle.

Le rapport de transmission du mouvement entre le vilebrequin et l’arbre à cane est donc égal à $\frac{1}{2}$.

  • Le moteur à deux temps à essence effectue sur un aller et retour du piston, les 4 étapes du moteur à quatre temps.
  • Le moteur Diesel est un moteur quatre temps exploitant l’auto-inflammation d’un mélange air-gasoil très fortement comprimé.

Les seuls différences du moteur quatre temps à essence et du moteur quatre temps à diésel tiennent à l’admission séparée de l’air et du carburant et à l’allumage sans bougie du mélange.

Quelques données importantes :

  • L’alésage $a$ : c’est le diamètre du cylindre.
  • La course $C$ : c’est la distance parcourue par les 2 points morts.
  • Le cylindrée $V$ : c’est le volume dont varie le cylindre par les 2 points morts.

$V=\frac{\pi{a}^{2}C}{4}$ pour un cylindre

$V=\frac{n\pi{a}^{2}C}{4}$ pour $n$ cylindres

V s’exprime en $C^{3}$ ou en litre.

  • La chambre de combustion est l’espace qui surmonte le piston au PMH. Son volume est $v$.
  • Le rapport volumétrique improprement appelé taux du compression est le quotient : 

$t=\frac{V+v}{v}=\frac{Volume\;au\;PMB}{Volume\;au\;PMH}$