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Page mise à jour le 27 juin 2022

Moteur
Carburation et circuit d'essence

Sommaire :

Moteur
Carburation et circuit d'essence

Cette page va traiter de la carburation en général et va passer en revue les différents types et différentes marques de carburateurs. Des pages spécifiques à chaque marque sont accessibles depuis la présente page dans chacun des paragraphes traitant de ces sujets. On y retrouvera notamment toutes les caractéristiques de ces carburateurs, les références des pièces détachées et les méthodes de réglage et d'entretien.

Introduction  

Cette page est en cours d'écriture et va donc fortement évoluer au cours du temps.

Par contre, l'avancement de son écriture va être désordonné et chaque paragraphe sera augmenté au coup par coup...

 

La carburation est la fonction qui alimente le moteur en carburant. Cela consiste à mélanger le carburant à un comburant dans les proportions idéales pour satisfaire le besoin instantané du moteur. La carburation est l'élément aval de la chaîne alimentation qui comprend également le réservoir de carburant, les conduites et la pompe.

La carburation peut être produite par un carburateur ou par une pompe à injection et des injecteurs.

Le carburateur  

Histoire

Il est bien difficile de retrouver qui a inventé le carburateur... Il y a plusieurs paternités possibles ; citons Carl Benz (le père de la marque Benz qui deviendra plus tard Mercedes-Benz), Édouard Delamare-Deboutteville, Wilhelm Maybach (le constructeur des automobiles de luxe Maybach) et Fernand Forest. D'autres ont fait progresser le concept : János Csonka, Donát Bánki, Arthur Krebs et Frederick William Lanchester.

On peut situer l'apparition des premiers systèmes aux environs de 1885 ; ils ont disparu des automobiles à peu près un siècle plus tard au profit de l'injection qui s'est imposée devant les obligations de respect des normes anti-pollution.

Les carburateurs subsistent toutefois sur les moteurs à usage agricole.

Le premier véhicule à moteur à essence fut construit en 1884 par Édouard Delamare-Deboutteville et Louis Malandin ; son moteur était doté d'un carburateur à mèche, inventé par Édouard Delamare-Deboutteville. Je n'ai malheureusement pas encore trouvé de document décrivant son fonctionnement ; si un lecteur a cela, je serai ravi qu'il m'en fasse part.

Wilhelm Maybach a utilisé des carburateurs à léchage et à barbotage sur ses premiers véhicules, puis Daimler et Maybach passent au carburateur à giclage.

Amédée Bollée va utiliser le carburateur automatique à gicleur noyé. La cuve à flotteur apparaît chez de Dion Bouton. Krebs va alors développer le système à compensation chez Panhard. François Baverey va inventer le système de gicleur-compensateur permettant le dosage constant air-essence pour tous les cycles de fonctionnement du moteur et fondera la société Zénith.

À partir de là, plusieurs sociétés de fabrication vont apparaître : LONGUEMARE, GROUVELLE-ARQUEMBOURG, CLAUDEL, SKINNER'S UNION, ZENITH, SOLEX, BENDIX-STROMBERG.

Certaines disparaîtront, d'autres fusionneront ou seront rachetées par d'autres, etc.

Théorie

Désolé, mais il va falloir faire un peu de chimie...

Les moteurs de nos anciennes sont alimentés par de l'essence. D'accord, mais quelle essence ? (Cf. page « Carburants »)

Un carburant à haut indice d'octane n'est pas en soi un carburant à haute teneur en énergie, il rend simplement le moteur pour lequel il est conçu thermodynamiquement plus efficace. Utiliser un carburant à plus haut indice d'octane que celui pour lequel le moteur est conçu n'en augmente pas le rendement : chaque moteur nécessite le carburant ayant l'indice d'octane correspondant à son fonctionnement optimal. La consommation ou longévité du moteur n'en seront pas améliorées, sauf si ce dernier possède un calculateur ayant pour fonction de gérer l'avance à l'allumage à la limite du cliquetis, en exploitant l'information fournie par un capteur de cliquetis (le plus souvent un accéléromètre solidaire du bloc-cylindre), mais là, nous nous éloignons de notre sujet, les anciennes...

Le dosage optimum théorique à obtenir est de 1:15,05 (1 g d'essence pour 15,05 g d'air).

Si vous êtes allergique à la chimie, vous pouvez passer cet encadré.

Le carburant, mélange d'heptane et d'octane qui sont des composés hydrocarbure saturés de formules respectives C7H16 et C8H18, est mélangé au comburant qui est l'oxygène de l'air de formule O2.

La combustion de ce mélange est représentée par les formules suivantes :

C7H16 + 11 O2 = 7 CO2 + 8 H2O

2 C8H18 + 25 O2 = 16 CO2 + 18 H2O

Sachant que l'air contient environ 20,95% d'oxygène, la combustion parfaite (rapport stoechiométrique) de l'heptane nécessite un rapport pondéral de 1:15,06 (1 g d'essence pour 15,06 g d'air) et celle de l'octane, un rapport de 1:15,05 ; le mélange des deux (Super 95 ou super 98) va nécessiter un rapport de 1:15,05.

C'est de la chimie du niveau lycée. Si on veut aller plus loin, la loi d'action de masse (ou loi de Guldberg et Waage) nous enseigne qu'en fait, une réaction chimique n'est jamais complète mais s'arrête lorsqu'un équilibre (variable en fonction essentiellement de la température et de la pression du milieu) est atteint entre la partie gauche et la partie droite de l'équation. Cela veut dire que la combustion qui nous intéresse ne relarguera pas dans l'échappement qu'un mélange de gaz carbonique (CO2) et de vapeur d'eau (H2O), mais qu'il contiendra aussi des vapeurs d'essence non brûlées (sans compter toutes les impuretés contenues dans le produit. Mais ça, c'est une autre histoire...). Toutefois, les proportions stoechiométriques ne seront pas modifiées et c'est ce qui nous intéresse finalement.

Nous venons de voir la partie simple de la combustion car en fait la réaction chimique implique tous les autres composants du carburant à haute température et nous avons alors la formation de monoxyde de carbone CO, d'oxydes d'azote NOx et d'autres hydrocarbures, qui constituent les divers éléments polluants rejetés par nos autos.

On va voir par la suite que la mesure du taux d'oxygène à l'échappement va nous aider pour régler nos carburateurs et de façon plus large tous les types de carburation. Et ceci à tel point que sur les véhicules modernes, le taux de carburant injecté est automatiquement calculé en fonction du taux d'oxygène rejeté grâce à la sonde lambda.

La pratique étant souvent différente de la théorie, l'expérience a montré qu'un moteur réglé de cette façon ne tournait pas de manière optimisée. On va alors faire intervenir les notions de richesse et de coefficient lambda.

Revenons d'abord sur le rapport stoechiométrique idéal théorique de 1:15,05. Dans la pratique, la valeur réelle est d'environ 1:14,7 car évidemment le carburant utilisé n'est pas un mélange pur d'heptane et d'octane.

L'inverse de ce ratio est appelé l'AFR (Air to Fuel Ratio) ; l'AFR idéal est donc 14,7.

Définissons la richesse :

richesse (r) = AFR réel / AFR idéal

Donc, plus on augmente la masse de carburant, plus le mélange est riche r>1 et plus on la diminue, plus le mélange est pauvre r<1.

Définissons maintenant le coefficient lambda (λ) qui est l'inverse de la richesse :

λ = 1 / r

Dans l'absolu, cela ne servirait pas à grand chose de définir un coefficient comme étant l'inverse d'un autre, mais on verra que λ est plus pratique pour l'utilisation de la sonde lambda.

Fonctionnement

La théorie du système est très simple par contre on verra que sa mise en application peut être compliquée.

Pour mélanger intimement l'essence et l'air en vaposisant le premier dans le second selon des proportions définies, on va utiliser le principe du venturi (Cf. ci-dessous).

Dans cet encadré, nous allons faire connaissance avec deux physiciens, Giovanni Battista Venturi et Daniel Bernoulli.

Giovanni Battista Venturi est né en 1746 et mort en 1822 en Italie, prêtre et professeur de logique, de géométrie, de philosophie et de physique, il s'est beaucoup intéressé à la dynamique des fluides. Il décrit ce qui deviendra l'effet Venturi, qui est la relation entre la vitesse d'un fluide et sa pression. Il s'intéresse également à l'acoustique et à l'optique.

Daniel Bernoulli est né en 1700 en Hollande et est mort en 1782 en Suisse. Il est issu d'une famille de savants et physiciens. Il sera médecin, physicien et mathématicien. Son intérêt pour la dynamique des fluides le conduira à développer les outils mathématiques nécessaires à ses études. Il collabore avec les plus grands savants de l'époque et on lui doit évidemment la fameuse formule de Bernoulli.

 

Grosso modo, Bernoulli énonce que dans le flux d'un fluide homogène et incompressible soumis uniquement aux forces de pression et de pesanteur, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression et inversement.

v2 / 2 + g . z + p / ρ = constante

Avec :

  • v = vitesse du fluide en un point en m/s
  • g = accélération de la pesanteur en m/s2
  • z = altitude du point en m
  • p = pression du fluide en ce point en N/m2
  • ρ = masse volumique en ce point en kg/m3

 

Cette formulation simple peut se compliquer en l'appliquant à d'autres cas qui se retrouvent dans de nombreuses applications de mécanique des fluides (aviation, turbines, pompes, météorologie, etc.).

L'application qui nous intéresse est le venturi :

Principe du Venturi
Principe du Venturi © P. Bérenger

On a représenté sur ce shéma, le passage d'un flux d'air de la gauche vers la droite dans une conduite circulaire dont le diamètre se rétrécit progressivement jusqu'à un minimum en son centre, pour se réélargir ensuite jusqu'à la sortie. Le flux d'air est représenté par les courbes bleues. Bernoulli nous dit que la pression à l'endroit de la section la plus étroite de la conduite est plus faible qu'à l'entrée de la canalisation et que la vitesse de l'air y est accélérée, ce qui n'est pas obligatoirement intuitif car on pourrait penser, de prime abord, que la pression croît dans la partie resserrée ; mais la loi de conservation de l'énergie démontre bien l'inverse. On va donc tirer profit de cette propriété pour fabriquer les carburateurs.

Le bon dosage de l'entrée d'essence par rapport à l'entrée d'air est réalisé par un dispositif de sortie de la conduite de carburant dont l'orifice est calibré en conséquence et placé dans le venturi afin de profiter de la dépression pour aspirer le carburant. Cet orifice s'appelle le gicleur.

Le venturi est un dispositif simple et on pourrait se dire qu'une fois le bon dosage réalisé (choix du bon diamètre du gicleur), il n'y a qu'à laisser faire le moteur puisque c'est l'admission qui active le fux d'air entrant.

Non, car dans ce cas, le régime moteur, une fois établi, ne varierait pas... Or quand on conduit un véhicule, il faut pouvoir accélérer et ralentir mais également adapter l'arrivée du mélange à la charge du moteur. Et c'est là qu'intervient le carburateur, mécanique complexe qui répond bien à notre demande de conducteur.

Le cahier des charges étant clair, nombreux ont été les techniciens à essayer de trouver le meilleur carburateur. Mais seuls quelques-uns sont restés à la postérité. Nous allons les passer en revue dans les paragraphes suivants.

À suivre...

Évolutions

À suivre...

Réglages

Tout le monde connaît la méthode d'appréciation de l'apparence des bougies pour déterminer si le réglage est bon ou pas. Cette méthode très pifométrique a à peu près fonctionné pendant des décennies, mais il faut vivre avec son temps !

Ce n'est pas parce que nous aimons les anciennes qu'il ne faut pas les régler avec des moyens modernes. On y gagnera en efficacité et consommation d'essence.

Nous allons donc utiliser la sonde lambda pour effectuer les réglages. C'est un outil onéreux (env. 200 € en 2019) mais tellement efficace...

À suivre...

L'injection  

À suivre...

Les carburateurs SU  

Les carburateurs SU (Skinner's Union) sont une petite merveille de technologie ; ils équipent quasiment tous les véhicules anglais et quelques Volvo.

Beaucoup sont rebutés par le réglage de ces carburateurs, mais une fois le principe compris, cela devient un vrai plaisir...

Ce site possède une page spécifique aux carburateurs SU ; cliquer ici pour accéder : « Carburateurs SU »

Technologie

À suivre...

Les carburateurs WEBER  

Les carburateurs Weber et notamment les double corps horizontaux DCOE sont parmi les plus fiables du monde et équipent quasiment toutes les automobiles sportives françaises et italiennes.

À suivre...

Les autres carburateurs  

Les autres marques de carburateurs sont essentiellement CLAUDEL, SOLEX, DELL'ORTO, et ZÉNITH, puis ZÉNITH-STROMBERG.

À suivre...

Les pompes à essence  

À suivre...

Le circuit d'essence  

À suivre...

 

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