Présentation du moteur à explosion

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Préambule

Voici une introduction au fonctionnement du moteur de la deuche. On pourra se limiter dans un premier temps à la lecture des 4 premiers chapitres, le chapitre 5 "paramètres de l'explosion" risquant d'être trop poussé pour une compréhension de base suffisante à la réparation simple de sa voiture.

Présentation du type de moteur de la 2cv

Le moteur de la deuche est appelé le flat-twin.
C'est un moteur à explosion, donc un moteur à combustion interne d'un mélange détonnant dont l'inflammation (ou allumage) est commandé par une étincelle, et non, comme dans le cas du moteur diesel, par l'injection de carburant.

Le carburant est le produit qui s'enflamme au contact d'un comburant, comme l'oxygène de l'air par exemple. Le carburant du moteur de la 2cv se présente sous forme liquide, c'est ce qu'on appelle l'essence. Dans une faible masse, les carburants contiennent une grande quantité d'hydrogène et de carbone, éléments dont la combustion fournit beaucoup de chaleur.
Le carburant est stocké dans le réservoir d'essence, alors que le comburant (l'oxygène de l'atmosphère) est prélevé dans l'air ambiant. Le mélange du carburant et du comburant donne le mélange tonnant (appelé mélange), qui est allumé par l'étincelle.

Le flat-twin est un moteur à allumage commandé, dont le principe est le suivant : On introduit le mélange dans un cylindre, dont une extrémité est fixe et l'autre obturée par un piston pouvant se déplacer le long du cylindre. L'explosion du mélange provoque une augmentation de pression, cette pression faisant déplacer un piston dans un mouvement de translation à l'intérieur du cylindre. Par l'intermédiaire d'une bielle et d'un maneton, cette translation est transformée en rotation d'un arbre tournant, appelé vilebrequin dans un moteur. C'est cette rotation qui va faire tourner les roues.
Pour introduire le mélange dans le cylindre, il existe deux techniques principales : le 2 temps et le 4 temps. Nous nous intéresserons ici au cycle à 4 temps, car c'est celui du moteur de la 2cv. Il se différencie du 2 temps par la présence des soupapes.

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Présentation du bicylindre

Mais voyons avant d'aller plus loin une coupe du moteur vue de dessus (Fig 1). L'avant du moteur est vers le bas. Les couleurs psychédéliques servent à indiquer quand une partie d'une pièce est coupée (on voit son intérieur), et lorsque elle vue de l'extérieure, elle est de couleur grise. Le carter moteur n'est pas représenté, de même que le cache culbuteur, afin de ne pas surcharger le dessin. Les circuits de passage de l'huile dans la culasse sont représenté en bleu clair, pour signifier qu'ils participent aussi au refroidissement du moteur.
Le schéma est représenté avec les pistons au point mort haut (PMH), c'est à dire en bout de course montante.

Fig 1: vue en coupe du moteur -1- conduit d'admission du mélange -2- Chambre de combustion (espace entre la tête du piston au PMH et la culasse) -3- Cylindre -4- support de volant moteur sur vilebrequin -5- axe de rotation du moteur (de par la même du vilebrequin) -6- Vilebrequin -7- ailettes du cylindre -8- siège de soupape -9- guide de soupape -10- tige de culbuteur -11- ressort de rappel de la soupape -12- conduit d'échappement -13- soupape -14- bielle -15- support de ventilateur sur vilebrequin -16- axe de piston -17- piston -18- culasse -19- conduit de circulation d'huile -20- culbuteur -21- Maneton

On peut noter que le conduit d'échappement est plus large que le conduit d'admission, alors que le diamètre du siège de soupape est plus important à l'admission qu'à l'échappement (un grand merci à Gérard pour cette correction).

Le moteur est constitué de deux pistons, c'est donc un bicylindre. Ces pistons sont opposés et à plat (voir la figure ci-dessus), c'est pourquoi le moteur est appelé en anglais Flat-twin, ou bicylindre à plat. On l'appelle aussi parfois un moteur boxer, bien que le moteur boxer soit par définition un quatre à plat, comme celui de la Citroën GS, de la Volkswagen coccinelle ou de la Porsche 911.

Un piston subit un mouvement de translation à l'intérieur d'un cylindre. Sur la plupart des voitures, il y a entre le cylindre et le piston un deuxième cylindre de faible épaisseur appelé chemise. La chemise peut être facilement changée sans toucher au cylindre, qui fait souvent partie du carter moteur. Sur la 2cv, il n'y a pas de chemise intermédiaire, mais comme le cylindre est facilement retirable (plus facilement qu'une chemise), on peut aussi appeler le cylindre avec ses ailettes de refroidissement une chemise.
Ce cylindre est fermé d'un côté par le piston et de l'autre par la culasse, qui est percée d'orifices pouvant être fermés ou ouverts grâce à des soupapes. Ces soupapes, ayant la forme d'une tulipe, permettent d'obturer d'une part le conduit d'admission du mélange en entrée et d'autre part le conduit d'échappement en sortie.
Le piston est relié à un vilebrequin via une bielle, l'ensemble bielle-vilebrequin assurant la transformation du mouvement linéaire du piston en une rotation.
La chambre de combustion est l'espace entre le piston et la culasse lorsque le piston est au point mort haut (PMH: piston en fin de course, contre la culasse). Son volume est noté v.

Il y a d'autres mesures qui caractérisent un moteur (voir fig 2): l'alésage d (le diamètre intérieur du cylindre) et la course c. La course peut être définie comme la longueur du maneton du vilebrequin (bras de levier de l'effort exercé sur le vilebrequin), ou encore comme la longueur du parcours du piston dans le cylindre.
L'alésage et la course nous donnent le volume balayé par le piston dans sa course, d'après la relation π.d².c/4. Ce volume se situe entre le PMH et le PMB (point mort bas, contre le vilebrequin). Ce volume est appelé la cylindrée unitaire, noté V. Sur une 2cv, il suffit de multiplier par 2 pour tomber sur la cylindrée totale du moteur, soit 602 cm³.

Fig 2: cotes dynamiques du moteur

Si on divise (V+v) par le volume de la chambre de la chambre de combustion v, on obtient le taux de compression, noté ε, encore appelé rapport volumétrique ou compression volumétrique. Si l'on diminue le volume de la chambre de combustion, l'on augmente donc le taux de compression.
Pour une 2cv, il est de 8,5, et on le note sous la forme suivante : 8,5:1. Ce qui veut dire que 1 représentant le volume qu'il reste au PMH, au PMB ce volume sera 8,5 fois plus grand. Le taux de compression permet d'adimensionner un paramètre du moteur, c'est à dire de le rendre indépendant des dimensions réelles, afin de le comparer avec d'autres moteurs aux dimensions différentes.

Cycle théorique

Le moteur à explosion de la 2cv est dit moteur à quatre temps. C'est à dire que sur deux aller-retour du piston, il n'y a qu'un temps moteur (ou explosion). Sur le moteur de la 2cv, il y a une explosion par tour, car les deux cylindres sont en décalage de 2 temps moteurs. Ainsi, quand un cylindre effectue son premier temps moteur, le cylindre opposé effectue lui son troisième temps moteur.

Les quatre temps moteurs sont les suivants:

1er temps : ADMISSION. La soupape d'admission s'ouvre, et le piston qui se trouve au PMH, redescend . Il y a aspiration du mélange provoquée par la dépression générée par la descente du piston dans le cylindre.

2ème temps : COMPRESSION. Une fois le piston arrivé en bas, la soupape d'admission se ferme. Le piston remonte. Comme les deux soupapes sont fermées, le mélange aspiré au premier temps ne peut s'échapper et se trouve comprimé par la remontée du piston. La compression d'un gaz a pour effet d'augmenter la pression et la température par diminution du volume, dans un moteur elle a pour but de donner plus de cohésion au mélange (par augmentation de la pression) afin de faciliter sa combustion complète, et en même temps d'augmenter sa température, pour permettre son inflammation par l'étincelle.

3ème temps : EXPLOSION-DETENTE. Quand le piston est tout en haut, au point mort haut, la bougie génère une étincelle qui enflamme le mélange comprimé. L'explosion fait monter la pression dans la chambre de combustion et cette pression exerce une force sur la surface du piston, qui pousse le piston à redescendre (détente). C'est le temps moteur, qui fournit l'énergie au moteur.

4ème temps : ECHAPPEMENT. La soupape d'échappement s'ouvre, permettant l'évacuation des gaz brûlés quand le piston remonte.

Voyons maintenant ces quatres temps en application sur le moteur, afin d'illustrer le décalage entre les deux cylindres (Fig. 3).

Fig. 3 : Cycle à 4 temps

Les différentes parties permettant le fonctionnement d'un moteur à 4 temps:
- L'admission: c'est toute la partie emmenant un mélange air/carburant dans le cylindre.
- L'échappement: c'est tout le circuit amenant les gaz brûlés du cylindre vers l'air extérieur.
- L'allumage: c'est tout la partie permettant de générer une étincelle au bon moment.
- La distribution: c'est toute la partie permettant d'ouvrir le bon orifice de culasse au bon moment.

On utilise souvent en motorisation la notion de °VIL (degré vilebrequin). Cela nous permet ainsi d'exprimer le temps en degrés de rotation du vilebrequin (°VIL) afin d'étudier un cycle sans se préoccuper du régime moteur. Ainsi, au régime de 3600 tr/min par exemple, 1°VIL représente 0.046 ms (soit 60 / (régime (tr/min) * 360)).
L'angle donné en °VIL est toujours l'angle formé entre la ligne verticale passant par le centre du volant moteur d'une part, et la ligne passant par le centre et par le point du PMH sur le volant moteur. Le point du PMH étant le le point en haut du volant moteur lorsque le piston est au PMH (voir Fig. 4).

Fig. 4 : Volant moteur vu de derrière, référence des mesures en °VIL

Cet angle est très utilisé pour savoir par exemple à quel moment il faut déclencher l'étincelle, ou bien à quel moment l'on va ouvrir ou refermer une soupape. A noter que l'on peut se référer au point du PMH ou du PMB, le principe est le même. On doit alors préciser par rapport à quel point l'on se réfère, et dire si l'on est avant ou après, par rapport au sens de rotation du moteur.

Dans la RTA 2cv vous trouverez un autre système de repérage d'angle, les °allumeurs. Cette notation est tombée en désuétude, elle vaut la moitié d'un degré vilebrequin (l'arbre à came sur lequel est monté l'allumeur tournant 2 fois moins vite que le vilebrequin, l'allumeur fait un tour quand le vilebrequin en fait 2).

Cycle pratique

Le cycle théorique à 4 temps décrit ci-dessus est celui donné par Beau de Rochas, qui considère l'utilisation de gaz parfait. Normalement, les soupapes s'ouvrent et se ferment en même temps que le PMH ou le PMB. En pratique, les choses sont moins idylliques, d'abord parce que les masses d'air ont une inertie et ne peuvent se déplacer instantanément (on ne peut remplir d'un coup tout le volume du cylindre), ensuite parce que la combustion n'est pas instantanée (elle s'étale en pratique entre 50 à 70°VIL, soit 3 à 5 ms à 3000 tr/min).
A cause de ces "imperfections" du réel, on est obligé de faire quelques aménagements du cycle de Beau de Rochas.

Admission

- a) Ouverture. - Si la soupape d'admission s'ouvre au PMH, la pression dans le cylindre sera voisine de la pression atmosphérique, et par conséquent il y aura une faible dépression sur le gicleur du carburateur. Pour augmenter cette dépression, on attends que le piston ait parcouru une partie de sa course descendante pour ouvrir la soupape d'admission. C'est le retard à l'ouverture d'admission (ROA). Pour les voitures des années 30, ce retard varie de 8 à 15 °VIL. Pour la 2cv, on voit que ce retard est nul, et sur les voitures des années 80, on a contourné ce problème puisque l'on ouvre avec une avance (AOA).
- b) Fermeture. - La puissance du moteur dépendant directement de la masse de mélange, il est absolument nécessaire que celle-ci soit aussi complète que possible (remplissage max). Pour cela, on attend, pour fermer la soupape d'admission, que le piston soit remonté quelque peu. Pendant cet instant, les gaz, par suite de la forte inertie que leur donne leur grande vitesse, continuent à entrer dans le cylindre. C'est le retard à la fermeture d'admission. Il varie de 20 à 40 °.
- c) Allumage. - Il est nécessaire que tous les gaz soient allumés au moment où le piston arrive au point mort haut. Or, au moment de l'étincelle, seules les particules de gaz situées aux environs de la bougie s'allument, et il s'écoule un certain temps avant que la masse gazeuse soit allumée en entier. Il faudra donc avancer l'allumage de ce même temps. C'est l'avance à l'allumage. Elle varie beaucoup selon les moteurs, la course et le carburant employé.

Échappement

- a) Ouverture. - Lorsque, en fin de détente, le piston arrive au PMB, la pression des gaz brûlés est encore assez forte. Pour éviter d'avoir de ce fait une forte contre-pression sur le piston, lorsque celui-ci commence à remonter, on ouvre la soupape d'échappement un peu avant le PMB. C'est l'avance à l'ouverture d'échappement (AOE).
- b) Fermeture. - Pour avoir une évacuation des gaz brûlés plus complète, on donne un peu de retard à la fermeture d'échappement.

Le temps pendant lequel la soupape d'échappement et d'admission sont ouvertes simultanément (fin détente - début admission) est appelé croisement. Selon que le moteur ai un ROA ou une AOA, le croisement est donné par RFE-ROA ou RFE+AOA. Du fait de la dépression dans l'échappement à ce moment là, le croisement favorise l'aspiration des gaz d'admission.

La distribution est donc réglée avec des avances ou de retards. On utilise les abréviations suivantes pour décrire le calage de la distribution (à quel moment déclencher l'ouverture ou la fermeture d'une soupape, ce moment étant défini en °VIL):

Distribution (en °VIL) du moteur A06-635 (pour un jeu de 1 mm (au lieu de 0,20 mm) aux culbuteurs)

Retard Ouverture Admission ROA = 0°5' après PMH

Retard Fermeture Admission RFA = 49°15' après PMB

Avance Ouverture Échappement AOE = 35°55' avant PMB

Retard Ouverture Échappement RFE = 3°30'   après PMH

Croisement RFE - ROA = 3°25'

Les angles sont donnés en degré (°). Le symbole (') signifie minute, qui est la subdivision du degré (1° = 60', il s'agit donc d'un système sexagécimale, comme pour les minutes et les secondes ( 1 heure = 60 minutes, 1 minute = 60 secondes)).
Les précision du genre "après PMH" sont inutiles (par exemple, pour le ROA, il s'agit forcément du repère PMH, car c'est l'ouverture d'admission, au moment ou le piston commence à descendre du PMH, et le retard signifie que c'est forcément après le PMH), et c'est pourquoi nous ne les indiquerons plus par la suite.
Le réglage de l'arbre à cames est extrêmement précis (inférieur à un degré). Sur les moteurs classiques, la précision n'est que de 1°, avec un intervalle de tolérances de plus ou moins 3° VIL.
L'une des particularités de la deuche est de posséder un retard à l'ouverture admission, alors que la plupart des voitures possèdent une avance à l'ouverture admission (AOA). Pour calculer le croisement, on additionne alors RFE + AOA.
On peut noter aussi le très grand RFA, ce qui veut dire qu'il y a beaucoup d'inertie dans le circuit d'admission. Sur les moteurs optimisés le RFA est de 23° VIL.

Si l'on compare avec d'autres moteurs caractéristiques :
- Monocylindre 600 (Honda XL LM) de moto: AOA : 5°, RFA : 40°, AOE : 45°, RFE : 5°.
- 1100 cm3 4 cylindres (Talbot Samba) rapport puissance/conso élevé : AOA : 2°, RFA : 23°, AOE : 36°, RFE : -11°.
- Pour un moteur avec du couple (remplissage élevé) à bas régime : AOA : 12°, RFA : 48°, AOE : 52°, RFE : 8°. croisement RFE + AOA : 20°
- Pour un moteur avec du couple (remplissage élevé) à haut régime (vocation sportive): AOA : 30°, RFA : 72°, AOE : 72°, RFE : 30°. croisement RFE + AOA : 60°

Si l'on veut plus de performances à haut régime, on augmente alors le croisement (pour une meilleure évacuation et admission des gaz quand le piston va trop vite pour le déplacement de la colonne gazeuse, ce qui à pour effet d'améliorer le remplissage à haut régime, donc la puissance dans les tours). Par contre, cela à pour effet de dégrader le fonctionnement aux bas et moyens régimes. Un arbre à came (AC) performance est alors beaucoup plus "carré" qu'un AC normal.

Allumage

Avance à l'allumage
Pour de multiples raisons décrites plus bas il faut instaurer une avance à l'allumage, et ne pas se contenter d'allumer au PMH.
Avance statique
C'est l'avance de base initiale, ou statique. Elle correspond au régime de ralenti.
Avance pleine charge
Plus on monte en régime, plus il faut avancer l'allumage, c'est pourquoi on ajoute à l'avance statique une courbe d'avance pleine charge.
Angle de came ou Dwell
C'est le temps pendant lequel le rupteur d'allumage est fermé (aussi appelé temps de charge de la bobine). Comme ce temps varie en fonction du régime moteur, on l'exprime en °allumeur (nombre de °allumeur pendant lesquels le rupteur est fermé) ou en % pour que cette grandeur reste constante quelque soit le régime considéré.
Actuellement il s'exprime en % (temps d'ouverture sur temps de fermeture rupteur), par analogie avec les hacheurs de courant et le rapport cyclique).
Exprimé en % l'angle de came s'appelle Dwell.

Paramètres de l'explosion

Type de carburant

Certains carburants résistent mieux que d'autres à l'auto-inflammation, ou encore la détonation (auto-inflammation en masse, responsable du cliquetis). Le moteur de la deuche étant robuste et basique, il peut supporter des carburants d'octane très bas à condition de régler l'avance à l'allumage (plus l'indice d'octane est bas, plus on diminue l'avance à l'allumage, environ 1°VIL par indice d'octane, mais au détriment du rendement thermodynamique moteur (1% en moins par °VIL d'avance enlevé). Donc privilégier un indice d'octane élevé (SP98 plutôt que 95) pour consommer un tout petit peu moins, d'autant que la différence de prix entre les deux devient minime. D'après les diverses expériences, la différence de conso et de performance entre le SP95 et le SP98 reste invisible à l'oeil nu, les deux carburants étant aussi énergétiques l'un que l'autre...

Les deuches, avec leurs sièges de soupapes renforcés (sièges rapportés avec frettes en acier) pour cause d'utilisation de culasse alu, peuvent rouler sans problèmes au sans plomb, sans trop de risques de recession des soupapes. Les 2cv d'après 84 sont encore plus renforcées à ce niveau là.
Inutile donc de rajouter quoi que ce soit dans le réservoir, à moins de vouloir aider le vendeur du fuel machin truc.

Attention, le passage au sans plomb 98, qui est agressif pour certains caoutchouc du circuit d'alimentation en essence, nécessitera le remplacement des caoutchouc qui se fendillent, surtout celui reliant la pompe à essence au carburateur.

La préparation du mélange

Mais revenons maintenant à l'explosion proprement dite. Pour que cette explosion soit optimale, il faut :
- Une parfaite proportion entre le comburant et le carburant.
- Un mélange homogène.
- Un mélange gazeux.
Ces conditions sont remplies par le carburateur ou le système d'injection électronique, capable de fournir de l'essence à l'état de gaz.
Lorsque le piston descend en phase d'admission, il aspire dans le cylindre un volume d'air donné, qui dans des conditions normales (altitude niveau de la mer, température de 20°C, etc.) correspond à une masse précise, avec un pourcentage d'oxygène précis. Cette masse d'air aspirée dans le cylindre est appelée la charge. Au passage du carburateur, cette masse d'air se charge d'une masse d'essence sous forme gazeuse, ce qui donne le mélange air-carburant. C'est ce mélange qui s'enflamme pour permettre l'augmentation de pression qui fait tourner le moteur.
Dans un moteur à essence, le mélange air/carburant à plus de temps pour se parfaire (durant le trajet du carburateur au cylindre), ce qui fait que le mélange est plus homogène lors de sa combustion, au contraire du moteur diesel, qui génère plus d'imbrûlés, surtout si le mélange devient riche (accélérateur enfoncé à fond pour un régime moyen).

Description de l'explosion

Dans le moteur de la deuche, la combustion est une flamme de pré-mélange, c'est à dire que la zone de réaction (appelée "front de flamme") se propage dans le mélange frais. Le mélange est constitué du carburant (l'essence vaporisée) et de comburant (l'oxygène de l'air). Carburant et comburants sont aussi appelés réactifs, car ils réagissent si on les met en présence.
Le front de flamme est l'endroit où les molécules du carburant se dissocient en atomes élémentaires (réaction endothermique, absorbant de l'énergie) avant que ces atomes se recombinent avec les atomes du comburant. Cette recombinaison étant exothermique (libère de l'énergie), c'est elle qui apporte l'énergie au moteur.
Le front de flamme est initiée au niveau des électrodes de la bougies, l'énergie de l'arc électrique (l'étincelle de la bougie) servant à dissocier les molécules de carburant et de comburant. Une fois dissociés, les atomes de carburant (principalement de l'hydrogène H et du carbone C) se recombinent avec les atomes d'oxygènes (le comburant), ce qui libère de l'énergie. Une partie de cette énergie sert à dissocier les molécules des réactifs voisins du front de flamme, qui à leur tour s'enflamment et provoquent une libération d'énergie qui va dissocier les molécules voisines, ... et ainsi de suite. C'est une réaction en chaîne dont la vitesse croit très vite, provoquant le front de flamme (à l'intérieur du front de flamme, la réaction de dissociation - recombinaison, en arrière du front de flamme les réactifs brûlés précédemment, et en avant du front de flamme le mélange frais qui va bientôt être brûlé.
La vitesse du front de flamme reste subsonique dans un moteur (inférieure à la vitesse du son), on parle donc de déflagration. Si elle est supersonique, on parle d'explosion.
Si l'essence est sous forme de goutelettes liquides, il faut d'abord la vaporiser avant qu'elle s'enflamme, ce qui prend de l'énergie au front de flamme et diminue donc l'énergie libérée par l'explosion. C'est pourquoi sur la deuche le carbu est monté sur l'échappement, afin que l'essence soit chauffée et plus facilement vaporisable.
La combustion n'est pas instantanée, et s'étale entre 50 à 70°VIL, soit 3 à 5 ms à 3000 tr/min.
Lorsque les atomes se recombinent en molécules, ils le font pour diminuer leur énergie (c'est de la mécanique quantique, je ne vais pas rentrer dans les détails). Cette énergie qu'ils ont perdu se transforme en énergie cinétique pour la molécule, celles ci vont s'agiter plus rapidement, ce phénomène s'appelant la température. De mêmes, elles vont taper plus souvent sur la face supérieure du piston, c'est ce qu'on appelle la pression.
Pour résumer, la recombinaison des réactifs en gaz brûlés va se traduire par une forte montée des pressions et des températures dans le cylindre.
Pour donner des ordres de grandeur, la température monte jusqu'à 2 500 °C et la pression à 42 bars (4 200 kPa). Cette pression de 42 bars est appliquée sur toute la surface de la calotte du piston, ce qui nous donne pour la deuche, avec un piston de diamètre 74 mm (alésage du moteur 602 cm3), une force appliquée sur la bielle de :
F (kN) = 4 200 (kN/m²) x (π*0,074² (m²))/4 = 18 kN, ou encore 18 000 / 9,81 = 1 980 kgf (comme si on mettait une masse de 2 tonnes sur un piston placé verticalement).
De cette force dépend directement le couple moteur instantané. En effet, avec un bras de levier de 35 mm pour le 602 cm3 (c'est la course du moteur (70 mm) que l'on divise par 2, le maneton étant deux fois plus court que la bielle), cela nous donne un couple de 1800 (daN) x 0,035(m) = 63 daNm.
Ce couple correspond au couple maximum, sur une très courte durée. Il faut en fait raisonner sur une pression moyenne effective, puis de tenir compte des pertes, ce qui nous donne au final un couple de 3,9 daNm (Norme DIN).

Richesse du mélange

Le carburant est composé de molécules constituées d'atomes de carbone (notés C) et d'hydrogène (notés H). Quand il est mélangé à l'air et que l'étincelle de la bougie initie la combustion, les molécules du carburant sont brisées, libérant les atomes de C et de H qui les constituaient. Ces atomes vont s'associer avec l'oxygène de l'air pour donner du gaz carbonique (CO₂) et de l'eau (H₂O). Il faut donc, pour que la combustion soit complète, qu'il y ai suffisamment d'atomes d'oxygène qui se combinent au carburant.
Dans l'air que l'on respire, l'oxygène se trouve à hauteur de 20,9%, le reste étant constitué majoritairement d'azote (78,1%) et de gaz rares. C'est pourquoi il faudra beaucoup plus d'air que d'essence. Avec l'essence que nous employons, le rapport théorique pour une combustion complète est de 14,7 masses d'air pour une masse d'essence.
Un mélange est caractérisé par son rapport des masses air/essence (noté A/F).
Le rapport stoechiométrique r est spécifique à un type de carburant, c'est la masse d'air nécessaire pour brûler complètement une masse de ce carburant. r varie, selon le carburant, entre 14 et 15.
Donc, un mélange ayant un rapport A/F de 14,7:1, dont le carburant utilisé à un r de 14,7, est dit dans des conditions stoechiométriques.
Si le rapport A/F du mélange est supérieur à r, il y a excès d'air, le mélange est dit pauvre en essence (un mélange est toujours caractérisé par rapport à la masse de carburant qu'il contient). Si A/F est inférieur à r, le mélange est dit riche. Pour s'affranchir de la valeur de r, qui dépend du carburant, on adimensionnalise le rapport air-essence A/F en introduisant la notion de richesse, qui est le rapport de r par le A/F du mélange:

Richesse =

La richesse est donc le rapport entre la quantité de carburant théoriquement nécessaire et la quantité de carburant réellement utilisée.
Richesse supérieure à 1 => mélange riche
Richesse = 1 => mélange stoechiométrique
Richesse < 1 => mélange pauvre.
On utilise aussi le coefficient d'excès d'air, appelé lambda (λ), qui est l'inverse de la richesse. C'est donc le rapport entre la quantité d'air réellement utilisée et la quantité d'air théoriquement nécessaire.

Ainsi, pour λ>1, le mélange est dit pauvre. Le fonctionnement en mélange pauvre présente plusieurs avantages. Moins polluant, consommation réduite, le problème provient de l'élévation de la température générant les NO_x. La bougie doit être en position centrale, l'énergie et la durée d'arc doivent être augmentées. Il faut aussi gérer la limite de stabilité (λ proche de 1,7), si l'on est trop pauvre la flamme s'éteint, et le moteur à des ratés, générant beaucoup d'hydrocarbures imbrulés (HC). Pour contrer cela, il faut augmenter les turbulences dans le cylindres, notamment le tumble Y (afin de faciliter l'initiation de la combustion).

Avance à l'allumage

L'avance à l'allumage est aussi un paramètre de l'explosion. Il existe un point optimum, pour un régime, une température moteur et une charge donnée (plus d'autres paramètres comme la qualité de l'air d'admission, la qualité de l'essence).
Si le point d'allumage est retardé par rapport au point optimal, la combustion est différée et continue lors de l'ouverture de la soupape d'échappement (libération d'énergie inutilisée), d'où un accroissement de la consommation spécifique, et une augmentation de la température à l'échappement. Comme la combustion se fait dans un volume plus grand (le piston est un peu redescendu) la température de combustion est plus basse, donc moins de NO_x produits. La post-combustion (favorisée par l'échappement plus chaud) dans l'échappement permet aussi de réduire les hydrocarbures imbrûlés (HC). Si on retarde trop l'avance, la vitesse de flamme, du fait d'une combustion dans un mélange moins chaud, est plus lente, et risque de s'éteindre avant combustion complète, provoquant des ratés et l'émission d'HC. Le retard de l'avance permet aussi de limiter le risque de cliquetis
Si le point d'allumage est avancé, il y a le risque d'apparition de cliquetis (la pression et la température étant maximum, risque de voir une déflagration plutôt qu'une combustion rapide), ce qui se traduit par une fatigue du moteur. Les températures s'élèvent, d'où fusion de la calotte du piston, émission de NO_x et augmentation de la consommation (contre-effort produits sur le piston en fin de remontée).

Sur une 2cv, l'avance n'étant réglable qu'en fonction du régime (et encore, ce réglage est linéaire donc pas trop efficace), on règle l'avance sur les conditions de croisières pour lesquelles sont réglés tous les autres paramètres du moteur, c'est à dire au régime de couple max, charge moyenne.

Forme de la chambre de combustion

voir p 520 m B.
Le mélange est meilleur si le carburant liquide a plus de temps pour se vaporiser (carburateur, injection monopoint où l'injecteur est plus en amont des soupapes). Par contre, du fait du volume de la tubulure d'admission, le mélange aspiré est celui du temps précédent, ce qui pose des problèmes de réactivité pour les pots catalytiques, dans les régimes transitoires. De plus, pour un fonctionnement à froid, le carburant à tendance à se condenser sur les parois, ce qui oblige à tirer le starter (enrichir le mélange).

Taux de compression

C'est une des lois énoncées par Beau de Rochas : le rendement de cycle augmente avec le rapport volumétrique.
Plus on augmente le taux de compression, plus la pression au point mort haut sera élevée (donc la température élevée), plus la vitesse de flamme sera grande.
La zone de trempe (arrêt de la combustion près des parois) est réduite pour un fort taux de compression et une forte charge.
Aux faibles charges, on peut diminuer les pertes d'aspiration en faisant rentrer une quantité plus grande dans le cylindre, dont une partie est constituée de gaz d'échappement, n'intervenant pas dans la combustion. La température en fin de compression est donc plus élevée, et la combustion est meilleure. C'est l'EGR, ou recirculation de gaz brûlés. La dilution du mélange dans le gaz brûlés diminue la température de l'explosion, qui combinant à un appauvrissement en oxygène fait chuter les NOx. Mais si les gaz d'échappement représentent plus de 25 % du mélange, on assiste alors à l'apparition d'HC.

Conditions favorisant la libération d'énergie

Pour résumer ce que nous venons de dire, le rendement maximum, en considérant les divers compromis.
Une combustion défavorable est provoquée par un mélange pauvre, un mélange non homogène, une teneur élevée en gaz résiduels, un remplissage faible, et une températures de paroi et de mélange trop basses (ou une pression de compression trop faible, c'est la même chose, la température et la pression étant liées quand le volume ne change pas, loi des gaz parfaits).

Vitesse de combustion

La rapidité de la combustion peut être définie par deux caractéristiques différentes :
- la vitesse du front de flamme,
- la vitesse de libération d'énergie.
La vitesse de libération d'énergie est définie par la vitesse du front de flamme et par l'aire du front de flamme (aire fixée par les dimensions du cylindre). Vitesse et aire sont dépendantes de par l'action des turbulences sur l'une et sur l'autre.
La vitesse du front de flamme augmente très rapidement après l'inflammation, puis diminue ensuite lentement (les produits de combustion étant de plus en plus comprimés) après avoir atteint très rapidement un maximum.
Une vitesse de flamme augmentée permet d'accroître le régime maximum. En effet, sans l'effet de turbulence dans la chambre de combustion au moment de la combustion, la vitesse de la flamme (de 60cm/s) serait trop faible pour permettre de dépasser les 200 tr/min! Le but est de libérer suffisamment d'énergie durant le temps imparti, c'est à dire la phase d'explosion du cycle 4 temps. Les turbulences augmentent donc la vitesse de flamme, et l'augmentation de régime augmente l'intensité des turbulences, ce qui tombe bien car c'est justement dans les hauts régimes que la combustion doit être la plus rapide possible. C'est grâce à ce phénomène que la plage d'utilisation des moteurs est aussi large. Le problème c'est que la combustion des dernières zones de mélange prend plus de temps aux hauts régimes, ce qui explique l'avance à l'allumage augmentée par le mécanisme de correction centrifuge.

Les différents paramètres qui en augmentant accroissent la vitesse du front de flamme :
- La pression et la température de combustion
- La richesse
- La charge

Les 2 derniers paramètres sont aussi des paramètres de la température (richesse) et de la pression (charge) de combustion, parmi de nombreux autres.

- Température de combustion : La vitesse de la flamme est la plus rapide quand la température de combustion est plus élevée.
Pour rappel, cette température de combustion peut être augmentée par la température de l'air d'admission, par le taux de compression, par le remplissage augmentant la pression au PMH, par l'avance à l'allumage, et par la richesse du mélange.

- Richesse : La température augmente dans les zones où la richesse est supérieure à 1 (avec un maxi pour ϕ = 1,2). En effet, pour un excès d'air, la présence de produits inertes comme l'oxygène tend à diminuer la température de combustion. La vitesse de combustion diminue, elle se prolonge durant la phase de détente, il y a plus d'énergie transformée en chaleur plutôt qu'en pression, ce qui explique l'augmentation de température du moteur, néfaste au rendement (pertes de chaleur par paroi, combustion incomplète car plus assez de pression, moins de pression récupérée, etc., sans parler des dégâts aux soupapes et aux bougies).
Au voisinage des parois du cylindre, très froides pour la combustion (environ 300 °C) la flamme s'éteint, ce qui explique la présence d'hydrocarbures imbrûlés (HC) dans l'échappement.

- La charge : La vitesse de flamme diminue avec le taux de remplissage. A faible charge, il faut donc réaliser un dispositif qui augmente l'avance à l'allumage, couplé généralement avec la pression à l'admission, représentative de la charge moteur (n'existe pas sur la 2cv). En effet, si l'on diminue le remplissage, on diminue la température en fin de compression, d'où une vitesse de flamme réduite.
La pression d'admission est diminuée par rapport à la pression atmosphérique sous l'effet des pertes de charges. Aux hauts régimes par exemple, la vitesse de l'air fait qu'il y a plus de pertes par frottement aux parois, donc plus de pertes de charges par frottement.

Il faut faire attention tout de même, une pression de combustion trop élevée peut entraîner l'apparition du cliquetis moteur (voir combustion anormale), c'est pourquoi le moteur à essence n'est pas autant comprimé que le diesel.

- Le besoin en octane (nécessité d'avoir un mélange peu détonnant) sera plus élevé si : la culasse et le bloc-moteur sont en fonte (moindre conductivité thermique), l'emplacement des bougies est dans une zone froide, les sièges de soupapes sont étroits, la chambre de combustion a une forme " baignoire " ou " en coin ", le taux de remplissage du moteur est élevé (turbos par exemple), il y a trop d'avance à l'allumage, la boîte de vitesses est mécanique, etc. : il fait chaud, l'on utilise de l'huile épaisse, les chambres de combustion sont calaminées, l'allumage mal réglé, la température de fonctionnement trop élevée, le moteur est vieux sans avoir été " nettoyé " ; les bougies sont vieilles, l'allumage est mal calé, le moteur doit supporter une forte charge à haut régime, il y a des dépôts dans la tubulure d'admission, etc.

- Le besoin en octane diminue si la culasse est en aluminium, les chambres de combustion sont hémisphériques, les bougies sont dans une zone chaude, les sièges de soupapes sont larges, la tubulure d'admission est longue, il n'y a qu'un seul carburateur, le mélange air-essence est riche, le remplissage des cylindres est moyen, la transmission est automatique...

Combustions anormales

Mauvaise condition de combustion

Ces mauvaises conditions interviennent surtout à froid :
- Les parois étant froides, l'essence se dépose en gouttelettes dessus (phénomène de condensation + carburateur froid empêchant une bonne vaporisation de l'essence liquide), appauvrissant ainsi le mélange (=> nécessité d'enrichir grâce au starter, le papillon de starter au-dessus du venturi augmentant la dépression d'aspiration d'essence au niveau du gicleur principal 1er corps tout en diminuant le volume d'air aspiré).
- Les parois étant froides, la combustion s'arrête lorsqu'elle s'approche de celles-ci, la zone d'extinction étant plus grande à froid (sur les moteurs à refroidissement liquide, on interdit le refroidissement tant que le moteur n'est pas chaud) => présence d'imbrûlés
- La vitesse de combustion est moins grande, d'où la nécessité d'avancer l'instant d'allumage (sur la deuche, cela n'est pas fait, ce qui provoque une mauvaise combustion).
- Le régime du ralenti n'étant pas régulé, les frottements supplémentaires entraînés par les ajustement serrés à froid (segments, guides de soupapes, portées de vilebrequin, bagues de bielles, etc.) empêchent le moteur de bien tourner. Le régime de ralenti chute, obligeant à tirer le starter (ouverture papillon plus grande grâce à l'excentrique de vis de butée papillon).
- L'étanchéité est moins bonne : le piston conique dont la calotte n'est pas chaude laisse passer plus de gaz vers le carter, la portée des soupapes est imparfaite à froid (surtout si la soupape n'est pas rodée sur les moteurs anciens) et laisse passer les gaz vers les conduits d'admission (pouvant provoquer des retours de flamme) et l'échappement. Ces manques d'étanchéité provoquent une pression au PMH inférieure entraînant là-aussi une mauvaise combustion.

Indice d'octane

Avant d'aborder le cliquetis, qui est une combustion anormale, il me faut ici présenter le fameux indice d'octane, dont on a beaucoup parlés dès lors qu'il s'est agit de faire disparaître le super.
L'indice d'octane caractérise la capacité d'un carburant à supporter la compression d'un mélange sans s'enflammer de manière incontrôlée.
L'indice d'octane est un nombre sans dimension, entre 0 et 100, et peut être extrapolé jusqu'à 120. Plus l'indice est bas, plus le carburant sera sujet au phénomène d'inflammation spontanée, provoquant ainsi le cliquetis du moteur.
Pour mesurer l'indice d'octane d'un carburant, on compare son auto inflammation à celle d'un carburant expérimental composé de deux produits, l'iso-octane C8H18 (très stable) et l'heptane C7H16 (très explosif).
L'indice d'octane correspond au pourcentage d'iso-octane dans le mélange. Ainsi, un carburant d'indice 0 explosera aussi facilement que s'il était entièrement constitué d'heptane. Un carburant d'indice 97 sera aussi résistant au cliquetis qu'un mélange constitué de 97% d'iso-octane et de 3% d'heptane.
Plus il y a d'iso-octane dans le carburant expérimental, plus il résistera au cliquetis.
Maintenant, reste à définir pourquoi il existe deux indices d'octane, le RON et le MON. Tout s'explique par la façon dont on teste le carburant.
Le test s'effectue sur un moteur de laboratoire dont le rapport volumétrique est variable. Ce moteur est prévu pour supporter un cliquetis prolongé, ne vous inquiétez pas pour lui!
On fait varier le taux de compression afin de déterminer à quel rapport volumétrique apparait le cliquetis. Comme on sait qu'a tel rapport c'est le carburant expérimental contenant 95 % d'iso-octane qui commence à cliqueter, on en déduit que le carburant d'indice 95 et le carburant que l'on teste ont la même capacité à résister à l'auto inflammation. Nous avons donc trouvés l'indice d'octane.
Maintenant, je n'ai toujours pas expliquer le RON et le MON. J'y arrive.
Le RON est l'indice caractérisant le comportement du carburant quand il est soumis aux basses puissances du moteur. Lors des essais, les conditions sont donc moins sévères que pour la détermination de l'indice MON, qui caractérise le comportement du carburant pour les fortes puissances.

Le cliquetis

<>Dans certains cas, il y a combustion en masse du mélange restant, c'est l'explosion responsable de ce que l'on appelle le cliquetis (il n'y a plus combustion progressive par front de flamme (vitesse du front de flamme de 15 à 20 m/s), mais combustion instantanée de tout le mélange (vitesse de combustion de 200 m/s, pouvant atteindre les 1 000 m/s!)).
En effet, à partir d'une certaine pression et d'une certaine température, le mélange s'enflamme tout seul. Ainsi, les parties du mélange coincées contre la paroi, comprimées par le front de flamme se développant à partir de la bougies, vont exploser d'elles mêmes, créant par cavitation des arrachements de matières, des fusion locales du métal, bref, abîment le moteur. Ces explosions sont audibles, (vibrations entre 5 à 8 Hz) et détectables par ce qu'on appelle un capteur de cliquetis.
Le cliquetis abîme le moteur et provoque une perte de puissance.

Cette explosion provoque une onde de choc qui vient taper sur le piston, les pressions diffèrent d'un point à l'autre de la calotte du piston, ce qui le fait bouger autour de son axe de bielle. La jupe du piston cogne alors sur le cylindre, ce qui provoque ce bruit métallique si caractéristique qui explique pourquoi l'on nomme ce phénomène le cliquetis.
Pour les faibles détonations (cliquetis), les risques encourus par le moteur sont minimes. Mais pour les fortes détonations intervenant aux hauts régimes et à forte charge (une côte par exemple), ce phénomène est destructeur pour le moteur, pouvant amener la casse de la tête de piston. De même si le cliquetis est prolongé ou s'il intervient très tôt dans la combustion.
Le carburant doit être suffisamment résistant à ce phénomène (repéré par un indice d'octane (RON et MON) élevé), c'est à dire s'auto-enflammer à des pressions les plus élevées possibles.

Le cliquetis est favorisé par une forte pression en fin de compression.

Cette forte pression est atteinte si le taux de compression est important, ou aux hauts régimes quand l'inertie du piston au PMH va augmenter le taux de compression (le piston monte plus haut vers la culasse).
De même, une température élevée du mélange d'admission augmente le risque (la température en fin de compression sera donc plus élevée, ce qui augmente alors la pression). C'est pourquoi la deuche y est particulièrement exposée, avec le système de réchauffage de l'air d'admission et la prise d'air dans le compartiment moteur. Le système de la Dyane, avec la conduite d'air forcée branchée sur la turbine, est donc particulièrement efficace (l'air, pris à l'extérieur, est plus froid).
La pression d'admission conditionne également le risque de cliquetis. C'est pourquoi, pour les fortes charges (c'est là que la pression est la moins faible, fort taux d'admission), le risque est plus important.
La forme de la chambre, si elle est sphérique elle limite les déperditions de température et les zones de coincement, ce qui est le cas de la deuche.
De même, s'il y a trop d'avance, la combustion commencera trop tôt avant le PMH, et la pression en fin de compression sera d'autant plus élevée que la combustion du mélange sera bien entamée.
Pour résumer, voici les conditions influant sur la vitesse d'explosion :
- pression de compression
- Rapport volumétrique
- température de la chambre de combustion
- forme de la chambre
- avance à l'allumage
- octane du carburant

Pour remédier au cliquetis, il y a plusieurs solutions :
- Diminuer l'avance. Pour la deuche, avec son allumage archaïque, cela signifie diminuer les performances et le rendement moteur dans les plages de régimes non soumises au cliquetis. Pour les voitures modernes, un capteur de cliquetis fixé sur la culasse détecte les vibrations de celle-ci et l'allumage électronique diminue aussitôt l'avance, selon une gestion définie à l'avance. L'allumage remonte progressivement l'avance jusqu'à ce qu'il rencontre de nouveau un cliquetis. On flirt ainsi en permanence avec la zone de rendement maxi.
- Augmenter l'indice d'octane du carburant, c'est pourquoi le sans plomb 98 est plus indiqué aux moteurs de Dyane en AM2 et rapport volumétrique de 9:1, alors que le sans plomb 95, explosant plus facilement, sera mieux toléré par les moteurs à taux de compression de 7,9:1, qui pousse moins le carburant dans ses derniers retranchements.

Polluants

Formation de polluants

L'azote de l'air s'associe à l'oxygène pour des températures de l'ordre de 1800 à 2000 °C. Ce qui nous donne des NO, et à température supérieure des NO₂. On les appelle les NOx, gaz toxiques pour l'homme (attaquent les poumons). Si on augmente la richesse, on augmente la température de combustion, mais comme il y a moins d'oxygène, la formation de NOx est limitée. Pour une richesse de 0,9, le rendement est optimal, mais la chute de température de combustion est compensé par l'oxygène en excès, qui conduit donc à la formation maximale de NOx.
Pour diminuer la formation de NOx, il faut donc diminuer la concentration en oxygène et surtout la température de combustion (résultat d'un bon rendement de combustion).

Paramètres des polluants

Le graphique ci-dessous montre les principaux polluants relâchés dans l'atmosphère, en fonction de la richesse moteur adoptée :

Teneur en CO, HC et NOx des gaz d'échappement en fonction de la richesse du mélange carburé admis

Les CO et HC proviennent d'une combustion incomplète. On le voit, la meilleure richesse se situe à 0,9, c'est à dire un mélange légèrement pauvre. C'est d'ailleurs la zone de meilleur rendement, celle où la voiture consommera le moins. C'est aussi une zone où la puissance spécifique n'est certes pas maximale, mais est satisfaisante. Malheureusement, qui dit meilleur rendement dit combustion complète, donc libérant beaucoup de chaleur, cette chaleur facilitant la liaison de l'oxygène avec l'azote de l'air, donnant les fameux NOx, instables à des températures inférieures. Ces gaz sont irritants, et c'est la première pollution perçue par l'homme.
Les états-unis, grands consommateurs de pétrole devant l'éternel, se sont vus posés un cas de conscience : si l'on se place à la richesse de meilleur rendement, les voitures consommeront moins et les villes auront la gorge irritée. Ils ont décidés que la pollution par le CO2 était sans importance sur l'environnement, et ont inventés le pot catalytique qui permet une combustion complète dans le pot d'échappement, libérant ainsi une grande quantité de CO2 dans l'air, responsable des étés étouffants et du climat déréglé dont nous bénéficions. C'est pourquoi l'on se place actuellement à une richesse de 1, qui a en plus l'avantage d'être facilement détectée à moindre coût par les sondes lambda.

Aux HC, CO et NOx on peut ajouter des gaz sulfureux (SO2), mais plus de plomb depuis la disparition du super plombé.

 

Contrôle du moteur

L'avantage du moteur à explosion est qu'il peut fonctionner sur une échelle relativement large de régime. Ainsi, il peut fonctionner de 500 tr/min à 6000 tr/min. Bien sur, les différentes parties (admission, échappement, distribution et allumage) ne sont pas réglables sur le moteur de la 2cv (alors qu'elles le sont plus ou moins sur les voitures modernes). Ce qui fait que ces parties sont réglées pour que le fonctionnement du moteur soit optimal sur une plage restreinte de régime, qui sur la deuche se situe entre 3500 et 4500 tr/min, soit 70 à 80 km/h en quatrième.
En effet, l'allumage à un rapport de Dwell fixe (temps de remplissage de la bobine) qui est trop long à bas régime et trop court à haut régime.
Les conduits d'admission sont conçus pour offrir le remplissage maximal du moteur à mi régime uniquement.
La distribution est conçue pour une ouverture des soupapes offrant le meilleur remplissage au même régime de 3500 - 4000 tr/min, de même que l'échappement (voir la page sur la suralimentation).

Mais au fait, qu'est-ce qui commande le régime? C'est la quantité d'énergie que l'on injecte dans le moteur. Peu d'énergie, et le moteur tournera à faible régime (ralenti). Beaucoup d'énergie, et le moteur tournera à son régime maximum. En effet (voir couple et puissance) Le moteur ne tourne que si l'énergie injectée compense les divers pertes et efforts demandés au moteur, et que celui ci doit fournir. Au ralenti, l'énergie injectée ne sert qu'a compenser les nombreuses pertes (frottements piston/chemise, inertie du volant moteur, pertes thermiques de la combustion, combustion incomplète, entrainement des accessoires tels que ventilateur de refroidissement et alternateur).

Vous pouvez ressentir cette équivalence puissance fournie / effort demandé au moteur en faisant cette simple expérience : Sur le plat, à l'arrêt sans toucher au pédales, le moteur tourne au ralenti (à un feu rouge par exemple). Vous entendez le régime moteur au bruit que fait le moteur.
Appuyez maintenant sur le frein. D'un coup le régime moteur chute (vous l'entendez au bruit).
Mais que s'est-il passé? Tout simplement par le fait que lorsque vous appuyez sur la pédale de frein, le contacteur de feu de stop arrière déclenche l'allumage des feu rouges à l'arrière de la voiture, soit demande au circuit électrique de fournir une puissance de 2x21W=42W. Il n'y a pas d'autres efforts demandés, la 2cv n'ayant pas de freinage assisté. Cette demande de tension se traduit par une chute de tension dans le circuit électrique, aussitôt prise en compte par le régulateur qui demande alors à l'alternateur de fournir un effort supplémentaire. L'alternateur débite alors plus de puissance, ce qui se traduit par un effort supplémentaire demandé à la courroie qui l'entraine, cette courroie étant entrainée par le moteur.
Comme on demande un effort en plus que celui du ralenti normal au moteur, et que l'on n'envoie pas plus d'énergie au moteur (on n'a pas appuyer sur l'accélérateur) et bien le moteur ne peut plus tourner à la même vitesse, car une partie de l'énergie envoyée va servir à allumer les feux à l'arrière. Du coup le régime moteur va chuter, jusqu'a ce que l'équilibre des forces se fasse de nouveau.

Cet exemple vous permet de voir :
- D'une part l'énorme demande de puissance de l'alternateur, qui consomme une partie des chevaux SAE du moteur,
- D'autre part que le régime est directement fonction de la charge moteur et des efforts demandés à celui-ci.

Le moteur se contrôle donc en régime grâce à l'accélérateur, comme un étouffoir. A bas régime, on étouffe le moteur, et à haut régime on le libère. On peut distinguer 3 phases dans la montée en régime :
-  Bas régimes, accélérateur relâché le papillon des gaz est fermé, donc très peu de mélange passe, la quantité d'énergie envoyée est faible, suffisante pour contrecarrée la résistance exercée par les pertes de charges via le papillon dans la phase d'aspiration.
- à moyen régimes, le papillon est ouvert à moitié, et par le biais de la suralimentation naturelle, le remplissage est maximal, donc les pertes de charges minimales, le mélange étant stoechiométrique cela permet d'avoir un rendement maxi à ce régime.
- à haut régime, le papillon des gaz est ouvert en plein, mais comme les gaz sont étranglés la pression au niveau du venturi augmente, aspirant plus d'essence qu'il ne passe d'air. Le mélange est donc riche, ce n'est pas top question consommation et pollution mais ça permet d'avoir plus d'énergie libérée. Ajoutez à cela que la bielle se déforme élastiquement (déformation provoquée d'une part par la chaleur supérieure et d'autre part aux effets d'inertie supérieurs plus la vitesse augmente, inertie qui tend à continuer le mouvement), donc le piston descend plus à chaque PMB, augmentant le volume d'air aspiré, et monte plus haut lors du PMH, augmentant la compression du mélange donc améliorant sa combustion.

Le régime est au maximum fonction de l'effort qui est appliqué sur le moteur via les roues. Si l'on est dans une cote à 60 km/h en quatrième, l'effort demandé ne pourra être fourni par le moteur (les cylindres sont trop petits pour développer toute la puissance nécessaire), le régime va chuter même si l'accélérateur est appuyé à fond.

On peut aussi analyser le contrôle moteur à travers la pression régnant dans le collecteur d'admission. Papillon fermée, la pression est la plus faible (proche de 0 bar. Plus on ouvre le papillon, plus la pression va augmenter (et donc par la même le remplissage), jusqu'à une valeur d'à peu près 660 mbar. Si le régime est de 3000 à 4000 tr/min, c'est le moment où le remplissage est maxi, le couple maxi, les efforts d'aspiration sont les plus faibles, donc la consommation spécifique minimale. Mais le papillon n'est pas entièrement ouvert, et si on continue de l'ouvrir, le régime continue d'augmenter, mais sous l'effet d'étranglement (les tubulures d'admission sont trop étroites pour la vitesse des gaz à haut régime) la pression redescend à 130 mbar au régime de puissance max.
Donc, pour un régime donné, la pression diminue quand la charge diminue. Pour une charge donnée, la pression diminue quand le régime augmente.
Quand on est à haut régime et que la pression devient très faible, on sait alors qu'on fonctionne en frein moteur.

De même, peut-être vous êtes-vous un jour posé la question de savoir pourquoi il y avait un frein moteur? Cela n'a aucun rapport avec la compression de l'air d'admission : en effet, la force nécessaire pour comprimer est intégralement restituée au temps suivant lors de la détente (hors les pertes d'air à travers les segments et les soupapes). Pour une faible partie cela est du aux frottements divers (moteur, boîte de vitesse, transmissions et roues), et en majorité par les pertes de charges générées par un papillon des gaz fermé. Vous voyez donc le contre-effort exercé par cet appareil sur le moteur, dès lors que la pédale d'accélérateur n'est pas en contact avec le sol. C'est pourquoi les moteurs diesel, dépourvus de papillon, sont si efficaces.

Pour résumer le contrôle moteur :
- A chaque tour, il y a une explosion. Cette explosion libère une certaine quantité d'énergie.
Si toute l'énergie est utilisée pour vaincre les frottements (air, sol, internes au moteur, turbine, alternateur, ...) qui s'opposent à la rotation du moteur, le régime moteur reste le même.
Si les frottements sont supérieurs à l'énergie envoyée, le régime moteur descend.
Si les frottements sont inférieurs, le régime moteur monte.
Pour réguler l'énergie à chaque tour, on utilise un papillon des gaz. Fermé, il y aura très peu de mélange qui va passer, donc peu d'énergie. Ouvert, il y aura beaucoup de mélange. Si le régime moteur est bas, le mélange aura bien le temps de remplir complètement le cylindre. Si le régime est élevé, le mélange n'aura pas le temps de remplir, mais sa richesse supérieure compensera.
Le régime moteur est aussi influencé par la position du papillon. Papillon fermé, la force pour aspirer le mélange est grande, cela "étouffe" le moteur. Cette force augmente les frottements s'opposant au mouvement du moteur, le régime baisse. Si le papillon est grand ouvert, cette force est plus faible, le régime augmente.
Ainsi, au ralenti, le papillon est fermé, le mélange pauvre, le régime est minimum.
Quand on appuie sur la pédale, on ouvre le papillon, faisant ainsi rentrer de plus en plus de mélange et libérant le moteur de la contre-force d'aspiration, on augmente le régime.
Il existe un régime de remplissage max où la force d'aspiration du mélange est minimale, il se produit à mi-régime.
On ne peut pas envoyer plus de mélange qu'a ce régime. Pour continuer à monter en régime, malgré le fait que les pertes de charges, s'opposant à l'aspiration, vont augmenter en bridant le moteur, et que le mélange dans le cylindre va diminuer, bridant l'énergie dégagée par la combustion, on augmente la richesse (la dépression dans le cylindre va aspirer plus d'essence que nécessaire), ce qui va augmenter l'énergie de combustion, mais en consommant beaucoup plus d'essence que nécessaire (une partie de l'essence étant imbrulée).

7) Paramètres de construction du moteur

7.1) Alésage / course

Hauts régimes : pour les favoriser, il faut diminuer la course du piston, car une course trop longue, outre d'entraîner des frottements rédhibitoires à cause des vitesses linéaires du piston élevées, va entraîner des forces d'inertie à chaque changement de sens du piston qui exigent des objets plus lourds, donc plus d'inertie, etc...
Un alésage élevé permet de loger plus de soupapes dans la culasse, le nombre de soupapes élevé permettant d'améliorer le remplissage moteur à hauts régime (plus de section de passage). Par contre, à bas régimes un alésage trop grand bride le remplissage.

Bas régimes : il faut réduire l'alésage pour favoriser le remplissage moteur à bas régime.

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Voilà, vous avez ici un aperçu rapide du moteur à explosion, les pourquoi de telles technologies et les divers compromis entre les différents paramètres de fonctionnement et de la limite de paramétrabilité des systèmes mécaniques. Au risque d'insister lourdement, je dirais que ce moteur, de par ses contraintes de travailler à différents régimes, d'avoir des variations de régime les plus rapides possibles, de la limitation de son coût de fabrication, et de la longévité demandée à ses différents organes, est complètement bridé dans ses capacités. Le plus gros bridage venant de l'essence elle-même, et de sa très mauvaise tenue au cliquetis, ce qui oblige à limiter le rendement thermodynamique du moteur à moins de 30%, et d'utiliser de mauvaises solutions comme un taux de compression faible et un papillon des gaz très énergivore. De plus, il faut choisir entre un mode de fonctionnement limitant l'émission de polluants tels les NOx, mais généralement gros consommateur de carburant (et polluant en CO2).
A noter les gros progrès que permettent l'électronique comparer au contrôle mécanique (réglage du moteur pour un régime extrême rarement atteint, diminuant le rendement le reste du temps de fonctionnement, surtout en ville).

Pour en savoir plus...

La page de Philippe Boursin sur lesmoteurs (avec une simca 1100 comme premier dessin!)

à suivre...