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Page mise à jour le 6 décembre 2016

Moteur - Théorie

Sommaire :

Moteur - Théorie

Un peu d'histoire  

Il est intéressant de noter que le premier moteur à « explosion » date du 17ème siècle. Le mathématicien, physicien et astronome hollandais Christian Huygens avait conçu un moteur dont l’arbre tournait grâce à l’explosion de poudre à canon. On devine aisément qu’il n’en est resté qu’à des expériences ponctuelles car il ne parvint jamais à réguler l’explosion. Mais l’idée y était…

Huygens eut pour assistant un certain Denis Papin, médecin, physicien et mathématicien, qui inventa entre autres, l'autocuiseur (cocotte-minute), la machine à vapeur, le bateau à roues à aubes, le sous-marin (il l'essaya lui-même) et diverses machines hydrauliques et pneumatiques innovantes pour l'époque.

Le moteur à combustion interne a supplanté le moteur à vapeur pour la propulsion des automobiles vers la fin du 19ème siècle.

Il semble que le moteur à 2 temps soit apparu avant le moteur à 4 temps. Un premier type de moteur à 2 temps a été conçu par l'ingénieur belgo-français Étienne Lenoir en 1859 ; il a été amélioré par l'ingénieur anglais Dugald Clerk en 1878.

Parallèlement, Paul Hugon faisait des expériences sur les moteurs à gaz dont il maîtrisait l’explosion par des injections d’eau avec le carburant, méthode reprise par Paul Viet, chez De Dion Bouton, puis bien plus tard sur certains moteurs d’avion (à ne pas confondre avec le « moteur à eau », serpent de mer technologique que personne n’a jamais vu réellement fonctionner, et pour cause…). Un deuxième type de moteur, à peu près identique à ce que nous connaissons aujourd'hui, a été conçu par un autre ingénieur anglais, Joseph Day, en 1889.

Moteur LenoirMoteur Lenoir © E. Bourdelin

Pour ce qui concerne le moteur 4 temps, le Français Alphonse Beau de Rochas a déposé le brevet du moteur à piston à cycle thermodynamique en 1862, l’Allemand Nicolas Otto en a réalisé la première application sur un moteur monocylindre en 1876, puis son compatriote Gottlieb Daimler a mis au point le premier moteur à combustion interne, fonctionnant sans source extérieure de gaz en 1883. Le carburant qu’il a utilisé n’était autre que de la benzine domestique et un système d’allumage par brûleur. Son moteur tournait à 900 tr/mn, ce qui était important pour l’époque.

Introduction  

Avant d’entrer dans le détail de la conception, de l’entretien ou de la réparation des moteurs à combustion interne, il est indispensable d’en connaître le fonctionnement, la théorie et bien sûr la définition des termes que chacun est amené à rencontrer fréquemment dans ce domaine.

Connaître la théorie du fonctionnement du moteur permettra d’établir des diagnostics assez précis selon les comportements inattendus ou les incidents qui ne manqueront pas de se produire au fil du temps.

Définitions  

Le moteur à combustion interne est une machine qui transforme l’énergie calorifique, libérée par l’inflammation du combustible, en énergie mécanique (force motrice agissant sur le piston).

Son fonctionnement est régi par nombre de paramètres thermodynamiques (pression, volume, température) et dynamiques (masse, vitesse, accélération).

Les trois premiers sont liés au principe de la combustion d’un mélange gazeux comprimé dans un certain volume (la chambre de combustion) ; les autres sont directement relatifs à la cinématique du système bielle-manivelle (qui transforme la force motrice agissant sur le piston en couple moteur), et aux masses des pièces en mouvement.

Tous ces paramètres forment un ensemble bien difficile à maîtriser même pour les ingénieurs motoristes modernes aidés de leurs ordinateurs. Il est ainsi évident que le but de cette partie n’est pas de vous apprendre à concevoir un moteur ni de faire de vous des techniciens spécialisés, mais tout simplement de connaître le principe de fonctionnement des moteurs afin de comprendre leurs réactions et de pouvoir poser un diagnostic à un mauvais fonctionnement ou de remédier à certains incidents qui ne manqueront pas de survenir sur des automobiles anciennes.

Le moteur 2 temps  

Histoire

Il s’agit du plus simple des moteurs à combustion interne sur lequel je ne m’étendrai pas.

Le moteur 2 temps à essence utilise un mélange de carburant composé d’essence et d’huile destinée à lubrifier les éléments mobiles du moteur. Bien que peu rencontré en automobile, il a équipé les Trabant, fabriquées autrefois en RDA par l'entreprise VEB Sachsenring Automobilwerk Zwickau, la FSO Syrena produite en Pologne, de 1957 à 1983, les modèles 92001, 92, 93, et 96 du suédois Saab ainsi que des micro-citadines comme l'Isetta de la firme italienne ISO Rivolta.

Le moteur 2 temps a été très utilisé dans les années 70 sur les motos dont certaines de grosse cylindrée telle la Kawasaki 750 H2 ; il reste fréquent sur les deux-roues de faible cylindrée (mobylettes et scooters) et sur les motos de tout-terrain de compétition (motocross, enduro et trial). On le rencontre également sur les bateaux (moteurs hors-bord) karts et nombre de matériel de jardinage.

Par ailleurs, le cycle 2 temps reste très exploité dans les très gros moteurs Diesel (propulsion des navires, gros équipements industriels) sur lesquels l'échappement s'effectue souvent par une ou des soupapes et l'admission par des lumières. Historiquement, il a été utilisé sur des moteurs assez particuliers comme des moteurs à pistons opposés Junkers Jumo 205, des moteurs en Delta (vedettes et locomotives) Napier Deltic, Fairbanks-Mors et poids lourds Detroit Diesel. L'alimentation en air (balayage) d'un Diesel 2 temps est assurée par un ou plusieurs compresseurs (souvent type Roots), parfois assistés d'un ou plusieurs turbocompresseurs.

Ce type de moteur ne sera pas abordé ici car il n’équipe pas les automobiles.

Fonctionnement

Comme son nom l’indique, son cycle n’a que deux temps ; il n’est donc composé que de deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre pour le 4 temps, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression, combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. Il n’y a donc qu’un cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le moteur à 4 temps.

Les différentes étapes du cycle sont les suivantes :

  • Dans un premier temps, le piston est au point mort haut (PMH). La bougie déclenche la combustion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter, sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée du mélange dans le carter se ferme ;
  • Arrivé à proximité point mort bas (PMB), le piston débouche les lumières d'échappement et d'arrivée de mélange dans le cylindre : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de combustion. Il s'agit de l'étape d'admission-échappement ;
  • En remontant, le piston compresse le mélange dans le cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement et l'entrée de mélange dans le cylindre, tout en créant une dépression dans le carter qui va permettre l'arrivée du mélange air-essence par le conduit d'arrivée dont l'entrée a été libérée par la position du piston proche du PMH. Cette étape est celle de la compression ;
  • Une fois arrivé à nouveau au PMH, le cycle peut recommencer à partir du premier point.

Cycle 2 tempsCycle 2 temps © A. Schierwagen

Avantages par rapport au 4 temps

Le moteur 2 temps présente des avantages par rapport au moteur 4 temps :

  • Mécanique simple : pas de mécanique complexe (distributions, soupapes) à démonter lors de l'ouverture du moteur. Facile à réparer soit même avec un minimum d'outillage courant et un peu de connaissances en mécanique ;
  • 30% plus léger et 30% moins encombrant qu'un moteur 4 temps de même cylindrée ;
  • Plus puissant à cylindrée égale (70% environ sur les moteurs actuels) ;
  • Utilisable dans toutes les positions sans modification particulière.

Inconvénients

Toutefois, il présente des inconvénients :

  • Perte d’hydrocarbures imbrûlés (jusqu’à 30%) liée à la courte distance entre la charge fraîche et les gaz brulés, ce problème se réduit grâce à l’utilisation d’un pot de détente ou de l'injection directe, qui permet de balayer le cylindre avec de l'air pur, le carburant n'étant injecté qu'à la fin ;
  • Utilisation d’un mélange de lubrifiant dans le carburant pour graisser le cylindre. Il y a donc émission d'huile dans l'atmosphère, donc pollution. Ce n'est pas le cas pour le 4 temps si les segments sont en bon état. C'est cet inconvénient majeur qui explique en grande partie son abandon progressif au profit du 4 temps ;
  • Consommation accrue ;
  • Difficulté à démarrer par temps froid du fait de la forte condensation du carburant dans le carter ;
  • Faibles couple et puissance à bas régime d’où des calages fréquents ;
  • Faible frein moteur ;
  • Usure plus rapide de la segmentation (et donc du piston) qui contrairement à un moteur 4 temps, pénètre légèrement dans les différentes lumières d'admission et d'échappement lors du mouvement dans le cylindre (l'usure plus rapide est aussi due au fait que la plage d'utilisation d'un moteur 2 temps est en général sur un régime moteur plus élevé que sur les moteurs 4 temps).

Le moteur 4 temps à essence  

Chacun connait le cycle 4 temps par cœur, mais nous allons pourtant l’examiner à nouveau, mais de deux façons différentes. D’abord la théorie et ensuite la réalité ; on verra alors que le fonctionnement réel de ce moteur est une addition de compromis afin qu’il donne la meilleure satisfaction possible dans chaque condition d’utilisation.

Le cycle 4 temps

Le cycle 4 temps se compose de quatre mouvements linéaires du piston et se produit ainsi tous les deux tours :

  • 1. Admission : Le cycle commence à un PMH ; pendant le premier temps le piston descend, un mélange d'air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d'admission ;
  • 2. Compression : La soupape d'admission se ferme, le piston remonte comprimant le mélange admis précédemment ;
  • 3. Combustion-Détente : Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage, aux environs du deuxième PMH (remontée complète du piston). La pression des gaz portés à haute température lors de la combustion force le piston à descendre pour le troisième temps (combustion-détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l'énergie directement utilisable) ;
  • 4. Échappement : Lors du quatrième et dernier temps les gaz brûlés sont évacués du cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée du piston.

Cycle 4 tempsCycle 4 temps © UtzOnBike

Le cycle théorique

Cycle 4 temps théoriqueCycle 4 temps théorique © P. Bérenger

C’est ce cycle qui a été breveté par Beau de Rochas en 1862. Nous allons en détailler la thermodynamique. Il s’agit d’un cycle thermique fermé, habituellement représenté sous la forme d’un diagramme pression-volume, qui traduit la succession des transformations thermodynamiques de la masse de mélange gazeux, pendant les 4 phases du cycle.

Celui-ci est représenté par la courbe ABCDEBA.

Description des phases du cycle thermodynamique :

  • AB : aspiration pendant la phase descendante du piston. Le volume du gaz aspiré augmente de v à V+v où v est le volume de la chambre au-dessus du piston au PMH et V le volume parcouru par le piston, soit la cylindrée, sa pression Pa reste constante et égale à la pression atmosphérique (soupape d’admission ouverte) ;
  • BC : compression du mélange aspiré pendant la phase ascendante du piston. La réduction de son volume de V+v à v provoque l’accroissement de sa pression de Pa à Pc ;
  • CDE :
    • en C, au PMH, déclenchement de l’étincelle à la bougie ;
    • CD : explosion du mélange comprimé à volume constant v, sa pression s’élevant brusquement de Pc à Pe ;
    • DE : détente des gaz brûlés, l’augmentation de volume due à la descente du piston fait chuter la pression de Pe à Pr ;
  • EBA :
    • EB : l’ouverture de la soupape d’échappement en E fait chuter la pression résiduelle des gaz Pr à la pression atmosphérique Pa ; le piston est au PMB, il n’y a pas de variation de volume ;
    • BA : échappement des gaz brûlés pendant la phase ascendante du piston, mise à l’air libre donc pression constante Pa.

Que se passe-t-il exactement ?

Les phases AB et BA sont représentées par des droites parallèles (et superposées ici) à l’axe des volumes.

Elles s’effectuent à la pression atmosphérique (Pa = 1 bar). Elles correspondent à des transformations isobares, c'est-à-dire à volume constant ;

  • de la même manière, les droites parallèles à l’axe des pressions correspondant aux phases CD et EB représentent des transformations isochores c’est à dire à volume constant (respectivement v et v+V) ;
  • enfin, les courbes représentant les phases BC et DE traduisent des transformations réalisées avec variation de volume et de pression. Celles-ci sont appelées adiabatiques car elles sous-entendent qu’il n’y a aucun échange de chaleur avec le milieu extérieur (parois de cylindre, fond de la chambre de combustion, tête de piston).

Il encore préciser que ce cycle n’est que purement théorique car il repose sur les hypothèses suivante :

  • l’ouverture et la fermeture respectives des soupapes d’admission et d’échappement se produisent exactement au moment où le piston atteint les positions PMH et PMB ;
  • les pressions s’équilibrent instantanément entre le cylindre et l’atmosphère pendant l’admission et pendant l’échappement ;
  • la combustion du mélange est instantanée et se produit donc à volume constant ;
  • il n’existe aucun échange de chaleur avec les parois.

Il correspond à un rendement thermique optimal pour ce type de machine. Si dans la pratique on pouvait réaliser un moteur fonctionnant rigoureusement suivant ce cycle, les carburants actuels permettraient d’atteindre un rendement thermique de 60 à 70% (le rendement thermique est différent du rendement global qui prend en compte le rendement mécanique).

Le cycle réel

Cycle 4 temps réelCycle 4 temps réel © P. Bérenger

Malheureusement, le cycle réel du moteur 4 temps s’écarte nettement du cycle théorique au détriment du rendement, ne serait-ce qu’au niveau des hypothèses ci-dessus qui ne peuvent être respectées :

  • à l’ouverture des soupapes, les pressions externes et internes ne s’équilibrent pas instantanément, car l’écoulement des gaz s’effectue avec une certaine inertie et des frottements dans les conduits. L’aspiration des gaz ne peut se faire que s’il y a dépression en amont de ceux-ci. Ainsi, il est impossible d’obtenir des transformations rigoureusement isobares à l’admission comme à l’échappement. Dans la première de ces deux phases, l’augmentation de volume créera une dépression tandis qu’une surpression apparaitra dans la seconde ;
  • la combustion complète du mélange comprimé exige un certain délai Δt dû à la vitesse de progression du front de flamme, délai pendant lequel le piston se déplace. Il devient alors nécessaire de déclencher l’explosion avant le PMH, et la combustion ne se fait plus à volume constant car la transformation CD n’est alors pas isochore ;
  • les soupapes, commandées mécaniquement, demandent elles aussi un certain délai d’ouverture et de fermeture. Ce fait, associé au phénomène d’inertie des gaz, contraint, pour optimiser le remplissage du cylindre, à décaler les temps d’ouverture et de fermeture des soupapes par rapport aux positions PMH et PMB.

Dans ces conditions, le diagramme pression-volume du cycle réel diffère nettement de celui du cycle théorique :

Analyse du diagramme réel :

  • (AB) : pour profiter de l’ouverture maximale de la soupape d’admission dès la descente du piston, celle-ci est déjà ouverte avant le PMH (AOA). L’augmentation de volume que crée la descente du piston provoque une dépression dans le cylindre, avec aspiration du mélange. Le volume de gaz aspiré étant en dépression, il correspond donc à une masse de gaz inférieure à celle qu’aurait ce même volume à la pression atmosphérique. Si on appelle taux de remplissage le rapport masse de mélange absorbé / masse de mélange correspondant au volume V+v à la pression atmosphérique et température ambiante (ouf ! vous suivez toujours ?), ce taux apparait comme nettement inférieur à 1. Aussi, pour améliorer le remplissage (augmenter la quantité, et donc la masse de gaz aspirée), on profite du fait qu’au PMB, la dépression est toujours présente et la vitesse (donc l’inertie) des gaz importante, en retardant la fermeture de la soupape d’admission (après le PMB : RFA), et ceci au moment où la pression dans le cylindre est sur le point de dépasser la pression atmosphérique.
  • (BC) : la compression n’est pas adiabatique car l’effet de paroi est réel : en début de phase, les parois chaudes réchauffent les gaz frais introduits (leur pression augmente), en fin de compression, une partie de la chaleur engendrée par l’augmentation de pression du mélange se dissipe par les parois et dans le système de refroidissement (la pression des gaz diminue). Pour les problèmes de délai de combustion signalés plus haut, celle-ci débute avant le PMH (AA). La « course » de compression théorique BC se trouve donc réduite à RFA-AA. La pression de départ étant inférieure à la pression théorique, les constats précédents montrent à l`évidence que la pression de fin de compression sera a fortiori inférieure à celle théorique.
  • (CDE) : explosion-détente ; la courbe de combustion est arrondie (le volume varie). La combustion se poursuit pendant la phase le début de détente des gaz (CD) et la pression maximale d’explosion reste inférieure à celle théorique. De D à E, la chute de pression ne suit pas une loi adiabatique, les gaz brûlés, portés à haute température, cédant de la chaleur aux parois. Au PMB, il subsiste une pression résiduelle (Pr) supérieure à la pression atmosphérique.
  • (EA) : avant le PMB la soupape d’échappement est déjà ouverte (AOE) afin de favoriser la chute de pression et limiter la surpression (freinage) à la remontée du piston. Après le PMH, la soupape d’échappement reste encore ouverte : l’inertie élevée des gaz brûlés évacués crée une dépression dans le cylindre mais également dans le conduit d’admission dont la soupape est déjà ouverte. Par cette ouverture simultanée des soupapes (croisement), on active la mise en mouvement des gaz frais avant la descente du piston.

Le rendement

Le moteur à combustion interne étant une machine thermique qui transforme une énergie calorifique en énergie mécanique, son rendement global (η) dépendra à la fois du rendement thermique (ηth), et du rendement mécanique (ηm). Ainsi, η = ηth × ηm. On va voir que ce rendement global est de l’ordre de 0,33 (33%).

Le rendement thermique

Le rendement thermique ηth exprime le rapport entre l'énergie récupérée sur le piston, et l'énergie que peut délivrer le combustible. Nous venons de voir que le diagramme du cycle réel s'écartait nettement de celui du cycle théorique. Le rendement thermique du moteur s'en trouve donc naturellement affecté. Pour connaître cet écart, il suffit de comparer l'étendue des surfaces S1 et S2 du diagramme ci-dessus :

  • la surface S1 correspond au travail moteur ;
  • la surface S2 correspond au travail résistant (ou perdu).

NB : S2 est nulle dans le cas du cycle théorique puisque les phases admission et échappement s'effectuent sans variation de pression.

L'énergie récupérée est donc équivalente à la surface résultante S1-S2. ll en ressort à l'évidence que le ηm réel est nettement inférieur au ηm théorique.

En pratique, on constate que la valeur de la différence de surface (S1-S2) dépasse rarement les 80% de la surface théorique S1 (S2 théorique étant nulle). Ce qui conduit, dans le meilleur des cas, à un rendement thermique réel de 20% inférieur au rendement thermique théorique.

De simples calculs montrent que le rendement thermique réel varie entre 0,35 et 0,45. Autrement dit, environ 60% de l'énergie fournie sous forme de combustible (carburant) se perdent uniquement dans le processus thermodynamique (dont près de 40% dans l'échappement) !

Le rendement mécanique

Le mécanisme bielle-manivelle transforme la poussée des gaz en couple moteur sur le vilebrequin. Cette transformation s'accompagne nécessairement de frottements, générateurs de pertes d'énergie, au niveau des contacts entre pièces en mouvements relatifs, par exemple entre piston et cylindre, bielle-axe de piston, bielle-vilebrequin, vilebrequin-bloc, etc. Il faut compter aussi avec les frictions au niveau de la distribution (paliers d'arbre à cames, contacts came-poussoir-soupape-guide). Mais également avec l'énergie consommée par l'entraînement du ou des arbres à cames, ainsi que des accessoires tels que pompe à eau et à huile, allumeur, alternateur... pour un moteur en bon état, on estime ces pertes aux environs de 12 à 15%. Le rendement mécanique est donc d’environ 0,87.

Variation du rendement

Le rendement d'un moteur n’est pas constant ; il varie avec le régime et la charge. Le rendement dépend directement du rapport volumétrique et surtout du taux de remplissage, ces deux valeurs formant la pression de compression. Or, la qualité du remplissage change avec le régime, augmentant avec celui-ci au début, pour se dégrader ensuite aux vitesses élevées. La lecture de la courbe caractéristique du couple moteur en fonction du régime traduit assez fidèlement la qualité du remplissage, le régime du couple maximal correspondant à celui où le taux de remplissage est le meilleur. La température des parois joue aussi un rôle déterminant sur la qualité du remplissage.

Ainsi, le rendement d'un moteur peut atteindre le chiffre optimal de 0,29 à 4 000 tr/mn et tomber à 0,26 à 6 000 tr/mn.

L'énergie (calorifique et cinétique) perdue dans les gaz d'échappement est bien supérieure à celle récupérée sur le vilebrequin. Ce défaut sera bien difficile à corriger… La suralimentation par turbocompresseur permet de récupérer une partie de cette énergie perdue et de la mettre à profit pour entraîner un compresseur dont le but est d'améliorer le remplissage des cylindres par gavage. Les résultats sont probants en gain de puissance et de couple, mais beaucoup moins en gain de rendement.

Dans l’idéal, il faudrait pouvoir rendre le moteur « adiabatique », c’est à dire parfaitement isolé thermiquement, permettant ainsi de supprimer tout échange thermique avec l’extérieur (plus de circuit de refroidissement ni de perte par rayonnement), ce qui augmenterait le rendement d’environ 20%.

Mais là se posent des problèmes d’ordre technique :

  • Il n’existe pas encore de matériaux ou d'huiles de graissage capables de résister à ces températures extrêmes qu'imposerait « l'adiabatisation » ;

  • Il n’existe pas non plus de carburant qui ne détonnerait pas à ces températures, ce qui réduirait par ailleurs le taux de remplissage (masse de gaz aspirés moindre puisque fortement réchauffée et donc plus volumineuse). La course à l’anti-pollution ne permet d’ailleurs pas de développer de tels carburants avec un taux d’octane encore plus élevé.

Cette évolution du moteur restera donc utopique.

Aujourd’hui, on se contentera donc d’un rendement maximum optimisé d’environ 0,33.

Bilan énergétiqueBilan énergétique © P. Bérenger

Le couple

Le couple instantané

Le couple et la puissance sont deux caractéristiques qui reflètent les performances réelles du moteur.

La force de poussée des gaz qui s'exerce sur le piston lors de l'explosion, engendre, par l’intermédiaire de la bielle et du maneton de vilebrequin (manivelle), un couple moteur, ce couple provoquant la rotation du vilebrequin.

Couple instantanéCouple instantané © P. Bérenger

Le couple correspond au moment de la force Fb qu'exerce la bielle sur le vilebrequin, par rapport à l'axe de rotation de ce dernier. Le couple instantané produit par la force Fb s'exprime par Ci = Fb x d où :

  • Fb en Newton (N) ou décaNewton (daN)
  • d en mètre (m), d représentant le bras de levier de la force Fb par rapport à l'axe du vilebrequin
  • Ci en m.N ou m.daN (improprement mais couramment, on utilise encore l'unité m.kg, 1 m.kg = 0,981 m.daN).

Il s’agit de couple instantané, car ce couple n'est pas constant durant la phase combustion-détente. En effet, l'intensité de la force Fb varie puisqu'elle dépend de Fp (intensité de la force de poussée des gaz, variable lors de la détente, la pression de combustion n'étant pas constante), de l'obliquité de la bielle (angle α), des forces de frottement entre piston et cylindre ; par ailleurs, la valeur de d varie elle aussi avec l’angle α.

La valeur du couple moteur change donc constamment suivant l'angIe de rotation du vilebrequin.

Variation du couple instantanéVariation du couple instantané © P. Bérenger

L'allure de ce diagramme correspond à un point de fonctionnement donné du moteur lié à sa charge et à son régime.

Le couple instantané maximum (Cimax) est obtenu pour un angle θm (mesuré après le PMH) variable suivant le type de moteur, mais généralement compris entre 20 et 30 degrés.

Le piston accélérant brutalement en phase détente, à partir d'une certaine vitesse, les forces d'inertie générées par les masses en mouvement, créent un couple moteur favorable, s'ajoutant à celui engendré par la poussée (en diminution) des gaz (bossage de la courbe). Ces forces d'inertie ne représentent toutefois pas un réel avantage, car elles se manifestent naturellement par un couple résistant lors des phases non motrices. De plus, ces forces d'inertie posent des problèmes de tenue des matériaux dans les hauts régimes.

La figure suivante traduit ce qui se passe sur un moteur à 4 cylindres en ligne, avec ordre d'allumage traditionnel. Le cycle à 4 temps présentant un temps moteur tous les 2 tours du vilebrequin, sur le 4 cylindres, nous obtenons donc un temps moteur tous les demi-tours. Pour simplifier la représentation (et la compréhension), le diagramme ne représente que la variation du couple instantané développé lors des seuls temps moteur.

Variation du couple instantané (4 cylindres)Variation du couple instantané (4 cylindres) © P. Bérenger

Le couple moyen

Le vilebrequin recevant donc un couple continuellement variable en intensité, on établit alors un couple moyen constant pour chaque point de fonctionnement (régime, charge) du moteur. Par exemple, sur le diagramme du couple instantané, le couple moyen développé pendant le temps moteur est défini de telle sorte que l'aire du rectangle Oabc soit identique à l'aíre de la surface Si.

De la même manière on définit un couple moyen résistant lors des phases non motrices.

On obtient ainsi le couple moyen réel que peut fournir le moteur, c'est-à-dire ce que l'on appelle tout simplement le couple. Parler de couple moteur sous-entend donc de parler de couple moyen. C'est cette caractéristique que l'on mesure sur banc d'essai.

Le banc est muni d'un frein dynamométrique (généralement hydraulique ou électromagnétique) dont le rôle consiste à appliquer un couple résistant (freinage), connu et variable, à l'arbre du moteur. Le principe de la mesure consiste, pour une charge donnée du moteur (papillon des gaz dans une certaine position), à appliquer le couple de freinage qui maintient une vitesse constante du moteur (le couple que moteur à mesurer est alors égal au couple résistant appliqué). On établit ainsi, en faisant varier la charge du moteur, diverses courbes caractéristiques du couple en fonction du régime. La courbe de couple fournie par les constructeurs correspond toujours à la courbe à pleine charge. C'est la plus intéressante du point de vue des performances, et c'est la seule qui puisse permettre des comparaisons valables entre moteurs.

Courbe de couple

La courbe de couple est toujours associée à celle de la puissance, seconde caractéristique d'importance que nous verrons plus loin. En fait, la puissance découle du couple et du régime.

Généralement, la courbe de couple suit toujours la même allure ; le couple croît d'abord avec le régime, atteint un maximum, puis décroît.

On peut dire à peu de chose près que celle-ci est assimilable (pour une charge donnée) à celle du rendement. Le couple maximum est atteint lorsque le taux de remplissage et le rendement de combustion sont optimaux.

L'observation de l'allure de la courbe de couple renseigne sur le comportement, l'agrément, du moteur.

Deux éléments sont à prendre en considération, indépendamment de toute valeur intrinsèque, la surface balayée (Sc), et le régime de couple.

Courbe de coupleCourbe de couple © P. Bérenger

La notion de couple est liée à la capacité d'accélération du moteur. Il est donc nécessaire de disposer d'une valeur de couple la plus constante possible et tout au moins de disposer d'un couple important dans les bas régimes afin de faciliter les accélérations et par là-même les reprises dès les plus basses vitesses. On appelle régime de couple, le régime correspondant au couple maximal. Ce seuil conditionne directement l'étendue de la plage d'utilisation du moteur. Pour obtenir les performances maxima du moteur, il faut conserver son régime dans cette plage d'utilisation (on parle là évidemment d'une conduite sportive). Plus celle-ci sera large et plus l'exploitation du moteur sera aisée et performante.

Un moteur se caractérisant par une courbe de couple très accentuée en variation, avec un régime de couple placé très haut, se révèlera pointu à l'usage. Il faudra alors tirer sur les régimes, disposer de rapports de boîte courts (et multiples si l'on désire atteindre une bonne vitesse de pointe), ceci pour éviter les trous à l'accélération dès lors que le régime moteur tombe sous le régime de couple.

Comparaison de courbes de coupleComparaison de courbes de couple © P. Bérenger

Comparaison de courbes de coupleComparaison de courbes de couple © P. Bérenger

À titre d’exemple, comparons les deux moteurs du schéma ci-dessus, disposant de caractéristiques de couple identiques, mais à des régimes de couple différents (3 500 tr/mn pour le 1er et 4 500 pour le second).

Rappelons tout d'abord qu'avec une boîte de vitesses manuelle, pour un rapport de transmission donné, la vitesse du véhicule est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur.

Pour le moteur n°1, l'étagement de la boîte ne posera pas de problème. Sa courbe donnant la variation (théorique) de la vitesse du véhicule en fonction du régime moteur et des rapports utilisés, le montre bien ; en se fixant les premier et dernier rapports, on constate qu'à chaque changement de vitesse, le régime moteur retombe nettement au-dessus du régime de couple (3 500, 3 900, 4 800 et 5 300).

Ce n'est pas le cas du moteur n°2. Si on conserve un rapport de 1ère identique, l'optimisation des performances exige des rapports suivants nettement plus rapprochés ; mais on plafonnera à 193 km/h en 5ème à 6 500 tr/mn. Inversement, si on s'impose de conserver le rapport de 5ème, il faut alors un rapport de 1ère plus long, et pénalisant dans ce cas, puisque le moteur 2 dispose d'un couple inférieur dans les basses vitesses.

Cet exemple permet de mieux percevoir l'importance de l'étalement du couple ; augmenter sa valeur est nécessaire, mais il convient surtout d’aplanir sa courbe caractéristique et d’abaisser le régime du couple maxi.

Comment faire ? Nous avons vu que le couple instantané est fonction de la force motrice agissant sur le piston (donc de la pression de combustion et de la surface du piston), de l'obliquité de la bielle (liée à longueur de celle-ci), et du bras de levier d, proportionnel à la course. Pour un moteur donné, alésage, course, longueur de bielle étant des constantes qui caractérisent son architecture, seul le paramètre pression de combustion est variable. Ce qui amène à considérer la PME.

Pression moyenne effective (PME)

La pression des gaz en phase explosion-détente variant de façon continue, on définit une pression moyenne et constante qui, donnerait un couple moteur identique au couple moyen obtenu réellement durant la phase motrice. Il s’agit de la PME.

Multipliée par la section du piston (Sp), cette pression moyenne donne la force motrice moyenne produite sur le piston pendant toute sa course descendante, et par suite le couple moyen. En fait, la PME permet de traduire, en fonction du volume déplacé (cylindrée unitaire V) le travail (W) du cycle : W = PME × V. Ainsi, pour n cylindres on aura : W = PME × V x n.

Or, dans le cycle à 4 temps le travail des n cylindres se produit sur deux tours de vilebrequin (soit 2π radians) ; on en déduit donc le couple moyen correspondant : C =  PME × V x n / 4π (C en m.N, PME en Pa, V en m3).

Si on exprime la PME en bar (1 bar = 1 daN/cm2) et la cylindrée en cm3, unités plus couramment usitées dans le langage automobile, et si on désire calculer le couple en m.daN, on utilise la formule suivante : C =  PME × V x n / 400π.

Par exemple, un moteur 4 cylindres de 1 600 cm3 développant un couple maximum de 15 m.daN à 4 000 tr/mn, la PME à ce régime correspond à : PME = 400π.C / n x V, soit 11,8 bar.

Ainsi, couple et PME étant liés uniquement par une constante (cylindrée), leurs évolutions en fonction du régime moteur sont identiques et donnent des courbes de variations homothétiques.

La puissance

La puissance développée représente l'énergie produite par seconde. Pour toute machine rotative, la puissance à l'arbre suit la formule suivante : P (W) = C (m.N) × vitesse de rotation (rad/s).

En exprimant le régime de rotation en tr/mn, on peut en déduire la puissance en chevaux-vapeur (1 ch = 736 W) par cette formule : P = 2π x C x N / 736 x 60, soit P = C x N / 7028 (avec C en m.N) ou P = C x N / 716,5 (avec C en m.kg).

À partir de la courbe de couple, il est donc facile de déterminer la courbe de puissance puisqu'il suffit de multiplier chaque valeur de couple par le régime moteur correspondant.

Courbe de puissanceCourbe de puissance © P. Bérenger

On constate ainsi qu'à partir du régime de couple maxi, la puissance continue de croître par la vitesse (le couple diminuant), jusqu'à un certain seuil (régime de puissance), au-delà, la diminution de couple (mauvais remplissage par étranglement, donc baisse importante de la PME) prédomine sur l'augmentation de régime, et le produit couple × vitesse chute.

Le rapport Alésage / Course

On a vu plus haut dans le paragraphe PME, que le couple était lié à la PME par la cylindrée ; donc la puissance l’est également : P = PME x n x V x N / 120 (P en W, PME en Pa, V en m3 et N en tr/mn) ou P = PME x n x V x N / 883200 (P en ch, PME en bar, V en cm3 et N en tr/mn).

La puissance est donc directement proportionnelle à la cylindrée (n x V), à la PME (donc au remplissage) et à la vitesse de rotation maximum du moteur (N).

À la théorie purement mathématique s’ajoute la théorie dynamique et apparaît l’importance d’une grandeur physique caractéristique du moteur, le rapport R / L, c'est-à-dire le rapport du rayon de la manivelle du maneton (R = 1/2  course) et de la longueur de la bielle (L).

Plus ce rapport est faible, plus les accélérations de la vitesse du piston sont moindres et donc également les forces d’inertie et les contraintes mécaniques qui en découlent.

À l’inverse, plus ce rapport est élevé et plus les accélérations du piston et les contraintes mécaniques sont élevées. (les pistons encaissent des accélérations de l’ordre de 3500 g !!!!)

Pour ces raisons, les moteurs ont généralement des rapports R / L de l’ordre de 0,25 à 0,33.

Ainsi donc, pour augmenter tout à la fois la puissance d’un moteur à haut régime (A / C faible) tout en gardant un couple suffisant dans les bas régimes (A / C élevé) on est confronté à un casse-tête à cause de ce rapport R / L.

Il faut faire des compromis et adapter les rapports A / C et R / L aux performances désirées :

  • Un moteur à forte puissance et à haut régime aura un rapport A / C dit « super carré » avec R / L inférieur ou égal à 0,25 ;
  • Un moteur souple, c'est-à-dire avec un couple important dès les bas régimes et avec un régime maxi pas trop élevé aura un rapport A / C dit « longue course » avec R / L supérieur à 0,25 tout en restant inférieur à 0,35.

Ceci sera examiné plus en détail dans la page « Conception mécanique du moteur ».

 

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