Fiche technique Fonctionnement du moteur thermique

1. Les temps moteurs

Il existe deux types de moteur, le moteur à allumage commandé (moteur essence) et le moteur à allumage par compression (moteur diesel). Ce dernier suit le cycle de Sabathé qui se décompose en quatre temps.

Le premier temps (A) :

C'est une phase d’admission d’air pur (constitué essentiellement d’azote et d’oxygène qui est le comburant). Ainsi, lors de la descente du piston, qui crée une dépression dans la chambre de combustion, l’air est aspiré et entre via l’orifice laissé ouvert par la soupape d’admission.

Le deuxième temps (B) :

C'est une phase de compression. Lors de la remontée du piston, les soupapes étant fermées, la chambre de combustion est complètement hermétique. Ce qui entraîne une augmentation de température (jusqu’à 800 °C).

Le troisième temps (C) :

L’injection de gazole (qui est le combustible) entraîne une combustion qui dégage une grande quantité d’énergie et permet de repousser le piston. Les deux soupapes sont toujours fermées.

Le quatrième temps (D) :

Il est appelé échappement. Le piston remonte, la soupape d’échappement s’ouvre et permet l’évacuation des gaz résultant de la combustion et des imbrûlés.

On peut replacer ces quatre temps sur une épure de distribution.

2. Caractéristiques d'un moteur

a ) La cylindrée

Il faut tout d’abord calculer le volume unitaire d’un cylindre, noté Vu.

A est l’alésage, c’est-à-dire le diamètre de la chemise d’un cylindre. La course est la distance parcourue par le piston dans le cylindre. Pour obtenir la cylindrée totale du moteur, il suffit de multiplier ce volume unitaire par le nombre total de cylindres du moteur. Ainsi on obtient :

Relation entre course et alésage : on appelle "moteur carré ", un moteur dont l’alésage est égal à la course. Lorsque l’alésage est strictement supérieur à la course, on parle de  "moteur super carré" .

b ) Le rapport volumétrique

Le rapport volumétrique d'un moteur est le rapport entre le volume au point mort bas (Pmb) sur le volume au point mort haut (Pmh) :

Pour un moteur diesel, ce rapport doit être compris entre 16 et 24, alors que pour un moteur essence, il est compris entre 5 et 12.

c ) Le cycle thermodynamique

Le moteur diesel suit un cycle thermodynamique, que l’on peut visualiser sur le diagramme de Clapeyron (figure suivante). Le cycle théorique que devrait suivre le moteur est représenté en rouge. Mais les différentes pertes de frottement, thermiques et de pompage d’air modifient ce cycle, qui prend le tracé noir.

Entre A et B :

Phase d’admission avec une augmentation de volume, transformation dite isobare (pression constante). On observe l’entrée d’air dans le moteur.

Entre B et C :

Phase de compression avec une diminution de volume et une hausse de pression. L’air est comprimé dans la chambre de combustion.

Entre C et D :

Phase de compression isochore. Le volume reste identique mais la pression augmente.

Entre D et E :

Phase de détente isobare. L’injection est réalisée durant cette phase.

Entre E et F:

Phase de détente avec une baisse de pression et une augmentation de volume. Le piston commence à redescendre et l’inflammation du mélange air-gazole a lieu.

Entre Fet B :

Phase de détente rapide dite adiabatique. Le piston redescend brusquement à son point mort bas.

Entre B et A :

Phase d’échappement avec une diminution de volume. Le piston remonte et la soupape d’échappement est ouverte, ce qui explique une transformation isobare.

3. Calcul des performances

a) Le travail fourni

L’aire définie par ce cycle détermine le travail fourni par le moteur. Ainsi, la formule pour calculer le travail est l’intégrale de la pression par la variation de volume :

Avec W en Joules, p en Pascal et V en m³.

b ) La puissance

Grâce au travail, on peut calculer différentes données, à commencer par la puissance qui représente la rapidité d’exécution d’un travail. On peut calculer celle-ci en faisant le rapport :

Avec P en Watt, W en Joules et t en secondes.

c ) Le couple

Connaissant la puissance, nous pouvons calculer le couple fourni par le moteur. Il s'agit de la force délivrée par ce dernier. Il résulte du rapport de la puissance par la vitesse de rotation du moteur :

Avec C en N.m, P en Watt et ω en rad/s.

Remarque : 1 ch = 736 W

4. L'injection

En pratique, on distingue deux grands types de moteur diesel. Ils sont classés selon leur principe d’injection, directe ou indirecte.

a ) L'injection indirecte

Elle était utilisée sur les véhicules diesel jusqu’au début des années 2000. L’injection est dite indirecte, car le gazole est injecté dans une chambre de précombustion dans la culasse, où l’air est réchauffé par une bougie de préchauffage.

Les pressions d’injection sont de l’ordre de 100 à 150 bars.

Ce type de moteur présente l’avantage d’être moins bruyant que ceux à injection directe, mais il consomme un peu plus et a un rendement un peu plus faible à cause de son  « faible » rapport volumétrique.

b ) L’injection directe

Elle s'est désormais généralisée sur les moteurs diesel modernes. Le carburant est directement injecté dans le cylindre. Un injecteur à trous asperge le gazole au-dessus du piston, qui a une forme concave afin de créer des turbulences pour favoriser le mélange air-carburant.

On injecte à des pressions plus fortes de 180 à 1.500 bars.

Ce type de moteur présente plusieurs avantages par rapport au moteur à injection indirecte. Tout d’abord, il offre un meilleur rendement (environ 10 % de plus), une consommation réduite et une facilité de démarrage.

c ) La rampe commune (Common rail) 

Constituant une variante de l'injection directe, les moteurs à rampe commune sont de plus en plus proposés en agriculture, notamment par rapport aux nouvelles normes sur la limitation des émissions polluantes.

Le gazole est stocké dans une rampe à 2.000 bars, et les injecteurs disposent de carburant sous pression ce qui permet une meilleure réactivité et une meilleure dispersion du carburant grâce aux pressions élevées.

La rampe commune, avec sa gestion électronique de l'injection, permet également sur les moteurs récents d'effectuer une pré-injection avant le Pmh. Cela a pour effet de rendre la phase de combustion moins bruyante.

5. La combustion

Le but est d’obtenir une combustion la plus complète possible. Pour cela, les motoristes jouent sur les volumes et températures d’air aspiré, ou encore sur la taille des gouttelettes de gazole injectée. Afin de se donner un ordre d’idée, pour brûler un litre de gazole, il faut aspirer 10 m³ d’air.

Equation chimique de la combustion :

Cette combustion est rarement parfaite et des émissions polluantes sont ainsi générées.

Celles-ci font l'objet d'une régulation, qui contraint les motoristes à les diminuer (voir encadré).

Sur le diagramme suivant, on constate l'évolution de la pression pendant la phase de combustion.

En A, on a le début de l’injection, avec l’avance à l’injection et l’injection complète qui durent jusqu’en C.

En B, c’est le début de la combustion qui se poursuit jusqu’en D.

De A à B, c’est le délai d’inflammation. Il dépend de l’indice de cétane, c’est-à-dire de l’indice d’auto-inflammation dans la chambre de combustion. Plus ce délai est long, plus la combustion est bruyante.

L’avance à l’injection est nécessaire pour éviter les cognements. Il s’en suit une injection progressive à une forte pression. 

6. Le circuit d'air

Il existe trois types d’aspiration d’air.

• Le premier est une aspiration naturelle : l’air aspiré passe par un filtre qui retient les impuretés.
• Le second reprend le principe de l’aspiration naturelle, mais l’air est comprimé par un turbo compresseur avant d’être introduit dans le cylindre. Ainsi, il y a plus d’air, donc plus de carburant et de puissance.
• Le troisième reprend les principes des deux précédents. S’y ajoute un refroidisseur d’air avant l’entrée de l’air dans le cylindre de refroidissement. L’air frais est plus dense. On peut ainsi introduire une plus grande quantité de molécules d’air et donc gagner en performance et en consommation.

7. Le refroidissement du moteur

On distingue deux type de refroidissement : par air ou liquide.

• Les moteurs peuvent être refroidis par l’air ambiant. Pour cela, un ventilateur placé à l’avant du moteur envoie de l’air contre les cylindres alors équipés d’ailettes pour augmenter la surface de contact. Ce système est plus économique mais il montre des limites lors de gros travaux en pleine chaleur. En outre, les cylindres les plus éloignés du ventilateur sont moins bien refroidis.

• Le refroidissement liquide équipe la plupart des moteurs actuels. Un liquide caloporteur est mis en mouvement par une pompe et circule dans tout le circuit de refroidissement.

Le liquide refroidissement est ensuite mis en contact avec les cylindres afin de les refroidir. Un échange thermique a alors lieu, transférant une partie de la chaleur du moteur au liquide. Ce dernier, en flux continu, sera alors transporté vers le radiateur, où un autre échange thermique se produira entre l'air et le liquide de refroidissement, permettant ainsi d'abaisser la température de ce dernier.

Les calories récupérées au contact des cylindres sont ainsi évacuées deux échanges thermiques successifs : moteur vers liquide de refroidissement et liquide de refroidissement vers air.

Le refroidissement est essentiel pour avoir une température constante dans les cylindres, ce qui permet un meilleur rendement et une meilleure longévité du moteur.