LE MOTEUR A EXPLOSION

Toutes les voitures, et tous les véhicules automobiles, sont mus par des moteurs à combustion interne, la force de propulsion étant développée à l'intérieur même du moteur par des explosions très contrôlées...

Texte : D'après Marshall Cavendish Limited - Photos : D.R.

Les voitures utilisent toutes un moteur à combustion interne, dont l'allumage est commandé électriquement par l'intermédiaire de bougies (moteur à essence). L'inflammation du mélange air/essence entraîne une expansion des gaz, qui repousse un piston dans le moteur alternatif ou le fait tourner dans le cas du moteur Wankel, dit à piston rotatif (voir plus loin). Dans un moteur à essence, le mélange carburé (1g d'essence pour 15g d'air) pénètre dans le cylindre et y est enflâmmé par une puissante étincelle électrique (env. 15000 Volts) produite entre deux électrodes à l'extrêmité d'une bougie, créant ce qui a fait de lui. Le mot "explosion", couramment employé à propos de ce genre de moteur est largement exagéré. Il s'agit d'une combustion certes très rapide, mais qui n'a rien à voir avec celle de la dynamite ! Le piston n'est d'ailleurs heureusement pas endommagé par la-dite explosion.

LE MOTEUR ALTERNATIF
La quasi totalité des moteurs employés actuellement sur les voitures sont du type "alternatif", le mouvement descendant puis montant des pistons étant converti en mouvement rotatif par des bielles et un vilebrequin, sorte de grosse manivelle. Ce principe de fonctionnement peut être comparé à celui utilisé pour faire avancer un vélo, les jambes du cycliste étant à comparer aux bielles, le pédalier au vilebrequin. Le cycle de fonctionnement des moteurs alternatifs est à généralement à 4 temps, les moteurs à 2 temps disparaissant pour cause de pollution supérieure. L'énergie est imprimée au piston tous les 2 tours de vilebrequin. Pour obtenir un travail de la combustion, il faut que celle-ci se développe, dans un espace clos et que son énergie soit dirigée. C'est pourquoi les cylindres constituent le coeur de tout moteur de la voiture. Perçés dans le bloc, fermés à leur partie supérieure par la culasse, ils forment ce volume clos où peut se développer la combustion. Dans chaque cylindre se trouve un piston, dont le diamètre définit "l'alésage", libre d'y monter et d'y descendre sur une certaine longueur appellée la "course" du moteur. Doté de joints d'étanchéité (les segments), le piston reçoit l'énergie verticalement, en empêchant qu'elle s'échappe du cylindre. Lors de chaque combustion, le piston est dirigé vers le bas, mouvement transmis à une bielle, qui elle-même fait tourner le vilebrequin. Cette rotation est transmise aus roues motrices par l'intermédiaire de la boîte de vitesses, du différentiel et des arbres de transmission. La partie supérieure des cylindres n'est toutefois pas complètement fermée. De deux à cinq orifices permettent l'admission du mélange carburé et l'expulsion des gaz brûlés. Ils sont alternativement fermés puis ouverts, à un rythme donné par des soupapes commandées mécaniquement par un ou deux arbres à cames par rangée de cylindres. Chaque arbre à cames est entrainé indirectement par le vilebrequin. De cette façon, le rythme d'admission et d'échappement est étroitement lié à la vitesse de rotation du moteur. Il en est de même pour l'allumeur qui, par l'intermédiaire du distributeur, produit les impulsions électriques nécessaires à la production des étincelles des bougies. Pour démarrer le moteur a besoin d'être lancé, pour que s'amorce le cycle de fonctionnement. on utilisait pour ça autrefois une manivelle, heureusement remplacée depuis longtemps par un puissant moteur électrique appellé démarreur. Il est raccordé par un pignon à la couronne du volant moteur disposée en bout de vilebrequin.

LE CYCLE A 4 TEMPS
Universellement adopté pour les moteurs de voitures actuels, le moteur à quatre temps a été inventé au XIXème siècle par Beau de Rochas, en 1862, immédaitement suivi de l'allemand Otto, qui contesta au français la paternité de l'invention. Une querelle juridique s'ensuivit. Bien qu'elle tournât à l'avantage d'Alphonse Beau de Rochas, c'est ) Otto que revint la gloire de l'invention, le fameux cycle à quatre temps passant à la postérité sous le nom de "cycle d'Otto". Un injustice aujourd'hui largement réparée par tous ceux qui se sont intéressés au centenaire de l'automobile : mais là encor ela polémique bât son plein, les français voyant en Delamare-Bouteville l'invention de la première voiture, en 1855, les allemands l'attribuant à Benz, un an plus tard. Dans tout moteur alternatif, chaque piston peut se déplacer entre deux points; l'un en haut du cylindre (point mort haut ou PMH); l'autre en bas (point mort bas ou PMB). Dans un moteur à 4 temps, le premier temps correspond à la descnte du piston du PMH vers le PMB. La dépression créée dans le cylindre par la descente permet l'aspiration du mélange carburé lorsque s'ouvre la soupape d'admission . Ce temps dit "l'admission", s etermine lorsque le piston atteint le PMB. Pendant le deuxième temps, toutes le ssoupapes sont fermées, et le piston remonte vers le PMH, comprimant fortement le mélange carburé : on parle donc de compression. Juste avant d'atteindre le PMH, l'étincelle se produit à l'extrémité de la bougie, enflammant le mélange carburé compressé. La détente des gaz repousse le pistonvers le bas : la température atteint environ 2000° C et la poussée jusqu'à 2 tonnes ! C'est le seul "temps moteur". Parvenu de nouveau au PMB, le piston remonte; la (ou les) soupape(s) d'échappement étant ouverte, cette remontée du piston expulse les gaz brûlés : c'est l'échappement. Les gaz brûlés sont rejetés dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'un collecteur, un dispositif limitant le bruit en atténuant leur détente et en abaissant leur vitesse. Il s'agit là, bien sûr, d'une description théorique, ces phases n'étant pas dans la pratique, aussi nettement séparées. C'est ainsi que l'étincelle de la bougie n'est pas produite lorsque le piston est au PMH, mais légèrement avant. Ceci parce que la combustion du mélange carburé n'est pas instantanée, l'inflammation devant intervenir un peu avant le PMH. C'est pourquoi l'allumeur est calé de façon à permettre ce qu'il est convenu d'appeller "l'avance à l'allumage". De même, il y a un certain délai entre le moment où les soupapes - admission comme échappement - s'ouvrent et celui où les gaz passent à pleine pression. C'est pourquoi les soupapes sont réglées pour s'ouvrir avec un peu d'avance et se fermer avec un peu de retard pour accroitre le rendement du moteur. Depuis quelques années, les dispositif de calage variable à l'admission et l'échappement permettent de varier en fonction du régime les temps d'ouverture et de fermeture pour optimiser le rendement du moteur sur une plus large plage de régime (cf. notre dossier sur la Distribution variable). Ces écarts correspondent naturellement à des fractions de seconde compte tenu du rythme de déplacement du piston qui, sur un moteur normal, monte et descend en moyenne 1600 fois par minute à une vitesse pouvant aller jusqu'à 25 m/s comme le 6 cylindres en ligne de la Bmw M3 CSL ! Bien que le piston ait à décrire quatre courses pour chaque cycle, il n'en fait que deux par tour de vilebrequin. Il n'y a donc qu'un temps moteur toutes les quatre courses ou bien encore tous les deux tours de vilebrequin. Il est tout à fait possible d'obtenir une rotation continue du vilebrequin, sans à-coups entre les temps, ceci à l'aide du volant d'inertie qui accumule l'énergie produite pendant le temps moteur pour la restituer ensuite. Il est donc tout à fait possible de réaliser un moteur à 4 temps monocylindre mais une telle architecture impose un volant moteur surdimensionné., qui ne permet pas d'éliminer totalement les vibrations. C'est pourquoi la plupart des voitures actuelles ont généralement au moins quatre cylindres. On trouve également, depuis longtemps, des bicylindres ( Citroën 2 CV) et plus récemment des 3 cylindres dont le dernier en date est signé Smart-Mercedes-Benz. Autre exception, Audi s'est longtemps démarqué par ses 5 cylindres en ligne, plus souples que les 4 cylindres et moins gloutons en carburant que les 6 ou 8 cylindres.

EN LIGNE, EN V, A PLAT ?
La grande majorité des moteurs actuels employés sur les voitures de grande série sont dits "en ligne"., les cylindres étant disposés les uns derrière les autres, sur une seule ligne. Référence en matière de moteurs atmosphériques, les 6 cylindres en ligne de BMW Motorsport associent haut rendement et mélodie jubilatoire ! Des mécaniques d'exception qui perpétuent avec bonheur le principe du moteur à explosion par combustion d'essence. Pourtant, la disposition en ligne est la plus simple, mais pas toujours celle qui donne la meilleure souplesse de fonctionnement, chaque temps correspondant à un demi-tour de vilebrequin. Il n'en est pas de même sur les moteurs en V, où l'on trouve donc deux rangées de cylindres, formant entre eux un angle de degré variable calculé pour un équilibre optimal. On trouve ainsi régulièrement des angles à 60° pour les V6 et les V12, 90° pour les V8 et 72° pour les V10. Toutefois, on peut grâce à des manetons décalés, modifier l'angle du V sans pénaliser l'équilibre, comme l'atteste le cas particulier du bloc VR6 de Volkswagen : le V à 13°, très proche d'un V en ligne ! Reprenant un concept bien inspiré de Lancia, le moteur en VR6 (V fermé) possède tous les avantages que recherchait Volkswagen : faible largeur, masses en mouvement réduites et bien équilibrées... Bien qu'il ait existé des deux ou quatre cylindres en V sur des voitures, les moteurs classiques de ce type sont à six, huit, plus exceptionnellement dix, douze ou seize cylindres. Très répandus en Formule 1, les moteurs V10 débarquent peu à peu dans les voitures de production. Longtemps solitaire, la Dodge Viper a dernièrement été rejointe par la Porsche Carrera GT et la Lamborghini Gallardo. Il est également possible de disposer les cylindres à plat, face à face, le vilebrequin placé entre eux. Cette solution baptisée Boxer (car les cylindres opposés ont un mouvement en phase) fut inventée par les allemands et permet d'utiliser un vilebrequin très court. Elle a été largement utilisée (2 CV, Alfa Romeo, Cox, Porsche 911) mais tend à être abandonnée. Parmi les dernières fidèles au principe du moteur à plat "Boxer", la Porsche 911 traverse les époques avec le même charisme.

LE MOTEUR ROTATIF
Le cas du moteur rotatif se situe en marge de toutes les autres architectures. Ce cher Félix Wankel n'aurait sans doute pas imaginé en 1957 que son invention du moteur à piston rotatif propulserait Mazda sur la plus haute marche du podium des 24 heures du Mans en 1991 ! Sans doute fier de ce succès et ayant développé avec brio plusieurs générations de coupé sportifs, Mazda perpétue ainsi depuis presque 40 ans une technologie dont il est désormais le seul promoteur. Mais qu'est-ce que le moteur Wankel nous direz-vous ? Inauguré par la NSU Spyder, le moteur rotatif ne possède pas de piston, pas de soupapes, pas d'arbre à cames et n'a rien en commun avec le moteur alternatif à quatre temps tel que nous le connaissons en dehors du carburant qu'il utilise ! A la place des pistons, on trouve un rotor de forme triangulaire à l'intérieur d'un cylindre nommé Stator. Il forme alors 3 chambres de combustion de forme trochoïdales dont le volume varie avec la rotation du rotor. Les flux d'admission et d'échappement se font par 5 "lumières". Les quatre temps de la combustion s'effectuent alors en un seul tour de vilebrequin contre deux tours dans un moteur classique. Il est donc d'usage de multiplier par deux la cylindrée du moteur rotatif pour établir une équivalence de comparaison. Cependant, le rotor entraîne par un pignon de surmultiplication l'excentrique qui tourne alors trois fois plus vite. Du coup cela se complique car au final, il y a donc une explosion tous les 3 tours ! Hum... vous l'aurez compris, la différence technique est telle qu'elle ne permet pas de comparaison réellement équitable. Sous le capot bombé de la Mazda RX-8, le bi-rotor atmosphérique cube 2 x 654 cm3.