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Questions sur les moteurs

Généralités

Quelle est la définition du moteur  alternatif à combustion interne?
Pourquoi la compression échauffe les gaz?
Pourquoi un temps de compression ? Pourquoi un 4 cylindres en ligne n’est il pas équilibré ? Comment la chaleur se transforme en travail?
Faut il du couple ou de la puissance pour propulser un vehicule?

Allumage commandé

Moteurs Diesel

Moteur Stirling

Comment fonctionne un moteur stirling?

Carburants

 

Quelle est la définition du moteur  alternatif à combustion interne?
 

Le terme « interne » exprime le fait que la combustion ait lieu à l’intérieur du moteur et que le mélange air-carburant et les produits de la combustion sont les fluides de travail. Le transfert de travail a lieu entre ces gaz et les composants mécaniques du moteur (Piston, cylindre).
Les machines à vapeur ne sont pas des moteurs à combustion interne car de l’eau chauffée à l’état vapeur s’interpose entre les gaz issus de la combustion et les éléments mécaniques du moteur. Les machines à vapeur et les moteurs stirling sont des moteurs alternatifs à combustion externe.
Le terme « alternatif » est dû au caractère non continu et cyclique de la combustion et permet de faire la distinction avec les turbomachines qui sont, elles aussi, des moteurs à combustion interne. Le caractère alternatif de la combustion est important car il engendre une moindre sollicitation thermique des pièces par rapport à celles des turbomachines, en effet elles ne sont exposées aux gaz chauds que pendant le temps moteur. C’est ce qui explique le rendement supérieur des moteurs alternatifs par rapport aux turbomachines, car la température de leur source chaude peut être plus élevée, la conversion de chaleur en travail est donc plus efficace. Par contre la puissance n’étant pas produite de façon continue leur puissance spécifique est plus faible. On utilise donc les turbomachines là ou le rapport puissance/poids doit être élevé (aviation) et les moteur alternatifs là ou le rendement est important.
Les moteurs alternatifs à combustion interne sont parfois appelés moteurs à capsulisme. Ce terme exclut les turbomachines qui sont ouvertes et les machines alternatives à combustion externe (combustion hors de la capsule)
 
 

Pourquoi un temps de compression ? 

Ceci est une question difficile mais fondamentale. Le temps de compression peut paraître inutile voir même contraire à ce que l’on attend d’un moteur car il semble être consommateur d’énergie. On comprend d’ailleurs que Mr Lenoir n’ait pas prévu de temps de compression sur le premier moteur à combustion interne de l’histoire. La première partie de la course du piston servait à aspirer le mélange air carburant, ensuite les soupapes étaient fermées et le temps moteur n’avait lieu que sur la demi course restante. C’est le cycle qui parait le plus « naturel » malheureusement son rendement est catastrophiquement faible 5%.

lenoir

C’est Beau de rochas qui a mis en évidence la nécessité du temps de compression pour améliorer le rendement et c’est Otto qui a construit en premier un moteur ayant un temps de compression. 
Si on y réfléchit un peu plus, le temps de compression n’est en fait pas consommateur d’énergie, car l’effort fourni pour comprimer le gaz est restitué lors de la détente même en l’absence de combustion (c’est la non adiabaticité de la compression/détente qui est a l’origine de la perte d’énergie). Par contre il engendre des pressions et températures élevées qui sollicitent les pièces mécaniques et provoquent des échanges thermiques.

C’est en s’intéressant à la thermodynamique que l’on trouve l’explication à la nécessité du temps de compression.

Le temps de compression permet que gaspiller moins d'énergie sous forme d'entropie. L'entropie représente la part de l'energie contenue dans les gaz qui est irrécupérable sous forme de travail. "Plus l'entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l'énergie inutilisée ou utilisée de façon incohérente".

L'entropie vaut dQ/T plus la température des gaz qui travaillent est élevée moins on crée d'entropie. Il faut donc des gaz chauds pour qu'un moteur ait un rendement élevé. Le temps de compression sert donc à échauffer et les gaz et les mettre en condition pour que la création d'entropie lors de l'apport de chaleur Q soit minimale.

 La démonstration de la relation qui lie le taux de compression au rendement du cycle Beau de Rochas est la suivante :

   beau de rochas

C’est aussi cette notion qui explique le rendement de Carnot

 carnot

Pour convertir le maximum de chaleur en travail, le gaz doit être à une température la plus élevée possible en fin de compression afin de réduire la création d'entropie.

En conclusion le rendement d’un moteur dépend de la température des gaz qui fournissent le travail donc de son taux de compression puisque la compression chauffe les gaz. Voila ce qui explique l’importance de ce temps qui parait à première vue inutile voir néfaste. Il met les gaz en "condition" pour que le travail soit produit de façon efficace.

 

 


 

Pourquoi la compression échauffe t-elle les gaz ?

Tout le monde sait que lorsque on comprime un gaz sa température augmente, mais pourquoi ? C’est le premier principe de la thermodynamique qui est en cause. Le travail que l’on fournit au gaz en le comprimant vaut w=pdv or ce travail ne peut pas disparaître et va servir à augmenter sa température dT=pdv/mcv. Voir aussi comment la chaleur se convertit en travail et inversement pour une explication plus en profondeur!

Remarque : Mettre un liquide sous pression, s’il est incompressible, ne l’échauffe pas car il n’y a pas de travail fourni au liquide sans variation de volume. Un liquide incompressible sous pression est simplement sous « contrainte ». Le gazole à 1500 bar dans le rail n’est pas chaud et les quelques degrés qu’il gagne proviennent des frottements du fluide lors du laminage dans les orifices et des echanges de chaleur et non de la compression qui est quasi inexistante.
Par contre lorsque le carburant débite vers un orifice de sortie (sortie retour) sa température va nettement augmenter car la totalité de l'energie cinétique qu'il acquiert dans l'orifice grace à la différence de pression (prail-paval) est entièrement transformée en chaleur par frottements dans le conduit de retour. Le fluide sort a 300m/s car sa vitesse ne dépend que de la différence de pression et se retouve à une  vitesse négligeable dans la durite de retour, la totalité de l'energie cinétique est transformée en chaleur. C'est ce phénomène qui oblige a monter des échangeurs sur le circuit de retour.

Qu'est ce que l'indice d'octane?

Il représente la résistance à l'auto-inflammation d'un carburant. Cet indice s'applique aux carburants pour moteurs à allumage commandé (essence, gaz, alcool). En effet comme son nom l'indique dans un moteur à allumage commandé le début de la combustion doit etre "commandé" par l'étincelle. Le mélange carburé ne doit pas s'auto-inflammer, il doit résister, malgré les fortes pressions et températures atteintes en fin compression à l'auto inflammation. Si le mélange vient à s'inflammer de facon incontrolée un phénomène néfaste pour le moteur, appellé cliquetis, risque d'apparaitre. Un carburant pour moteur AC doit avoir l'indice d'octane le plus élevé possible. Le gaz et l'alcool ont par exemple des indices d'octane très élevés. C'est pourquoi on a parfois utilisé l'ethanol comme carburant de compétition.


Qu'est ce que l'indice de cétane?

L' indice de cétane est exactement l'inverse de l'indice d'octane, c'est un indice qui s'applique aux carburants pour moteurs Diesel. Il caractérise les propriétés d'auto-inflammation d'un carburant, plus cet indice est élevé plus le carburant s'auto-inflamme facilement. En effet pour qu'un moteur Diesel démarre facilement le carburant doit pouvoir s'auto-inflammer dès qu'il rentre en contact avec l'air chauffé par la compression. Plus l'indice de cétane est élevé plus le moteur a un fonctionnement silencieux et un démarrage facile. Les huiles végétales brutes par exemple ont un indice de cétane faible, aux alentours de 35 (alors que le gazole est a 50) ce qui pose des problemes de démarrage a froid.

 

 


 

D’où proviennent nos carburants et l’énergie qu’ils contiennent?

Le premier principe de la thermodynamique interdit l’apparition et la disparition d’énergie elle ne fait que changer de forme. L’énergie incroyable que contient nos carburants proviens de l’énergie solaire. Les plantes ont su, il y a 300millions d’années environ stocker l’énergie solaire par la photosynthèse. Elles ont dissocié le CO2 abondant de l’atmosphère en stockant le carbone sous forme de matières organique et en libérant l’oxygène ce qui a rendu l’atmosphère respirable.
 
Réaction de la photosynthèse:
 
 photosynth
 
Cette matière organique après différentes réactions très lentes s’est transformée en pétrole.
Lorsque nous brûlons un carburant nous libérons, en réassociant le carbone et l’oxygène, l’énergie solaire que la plante avait stockée par la photosynthèse sous forme d’énergie chimique. Nos véhicules roulent à l’énergie solaire !
Il est intéressant de noter que la totalité de l’énergie disponible sur terre provient du soleil (sauf l’énergie nucléaire), et donc des plantes, car elles sont les seules à savoir stocker son énergie (si on néglige les quelques panneaux solaires). En fait la vie animale doit son existence à la vie végétale qui lui apporte l’énergie pour maintenir son corps à 37°C et se dépenser physiquement. Le soleil apporte l’énergie, la vie végétale la stocke et la rend consommable, la vie animale la consomme.

Le problème actuel est que nous consommons beaucoup de cette énergie (en moyenne 2kW par personne en continu) et libérons donc beaucoup de CO2 dans l’atmosphère ce qui modifie notre climat en changeant ses propriétés.
Pour une approche thermodynamique intéressante de l'effet de serre cliquez ici 

Pour voir un article sur le pétrole et les réserves que j'ai trouvé intéressant cliquez ici, (un baril de brut contient l'équivalent énergétique de10000heures de travail humain). 

Pour un autre article traitant de l'équivalent en travail humain  de l'energie contenue dans le petrole cliquez ici

 
Remarque :
 
-Et d’où proviens l’energie solaire ?
-De la fusion de deux atomes d’hydrogène en un atome d'hélium.
-Pourquoi la fusion libère de l’énergie ?
-Car l’atome d’hélium pèse moins lourd que les deux atomes d’hydrogène avant la fusion.
-Ou est passée la différence de masse ?
-Eh bien justement elle s’est transformée en énergie ?
-ah bon.
-Et oui la masse est un concentré d’énergie
-Et pourquoi la masse c’est de l’energie ?
-oups, là, mystère….je ne suis pas sur qu'on le sache.

Le mouvement alternatif est il mauvais en soi

Le fait de mettre en mouvement le piston, puis de l’arrêter pour le renvoyer dans le sens opposé et ce des milliers de fois par minute parait être un gaspillage d’énergie. En réalité ce mouvement n’est absolument pas consommateur, seuls les frottements le sont. En effet l’énergie prélevée au vilebrequin pour mettre en mouvement le piston est ensuite restituée par le piston au vilebrequin lorsqu’il l’arrête à l’approche du PMB ou du PMH. Un système bielle manivelle lancé sans frottements continuera à tourner éternellement.

Je pense que c’est de la mauvaise compréhension de cette cinématique qu’est née toute l’attirance pour le moteur à piston rotatif Wankel. Le moteur alternatif n’a rien a envier au moteur a piston rotatif, au contraire !

 


Comment calcule t-on la richesse 5 gaz ? (calcul de la richesse a partir des concentration de gaz à l'echappement)

 
Données de la baie
HC :    4550 ppm
CO :    0.46 %               Gaz secs (H2O condensée par la baie)
CO2 : 14.42 %              Carburant  CH1.818  
O2 :    0.9 %                             
NOx : 259 ppm                                 
 
 
Le principe est basé sur le rapport C/N2 dans les gaz d'échappement, le carbone représente le carburant et l’azote représente l’air (à un coefficient près).
On calcule d'abord par déduction le pourcentage d’azote à l’échappement qui n’est pas mesuré par la baie (ceci n’est possible que si l’H2O est condensé sinon il faut tenir compte du %H2O)
formule1
On a maintenant toutes les concentrations. On calcule ensuite le rapport C/N2 que l'on devrait avoir pour une combustion à la stoechiométrie a l'aide de l'équation de combustion et des caractéristiques du carburant:
formule2
Une combustion à richesse 1 a donc un rapport C/N2 de 0.182 dans les gaz d'echappement. Calculons le rapport C/N2 de notre essai:
formule3
Pour obtenir la richesse on fait le rapport des rapports C/N2 mesuré et stoiechiométrique comme ci dessus.
La richesse de fonctionnement du moteur lors de la mesure était de 1.005, cette méthode de calcul de la richesse est plus précise et plus rapide que celle que l'on peut calculer par la mesure des débits d'air et d'essence.
Il faut noter que les ppm HC doivent être exprimés en nombre d’atomes de carbone, si la molécule est par exemple C7H16 il faut multiplier leur concentration par 7 pour obtenir le nombre d'atomes de carbone par ppm. Toutefois les mesures sont généralement donnés en nombre d'atomes de carbone car c'est le principe de mesure de la baie qui fonctionne ainsi (pour les baies FID).
 
 

Pourquoi le moteur Diesel consomme t-il moins ?

Le moteur essence a deux gros défauts qui diminuent son rendement.

    • son plus faible rapport volumétrique, limité par l'apparition du cliquetis, qui dégrade le rendement thermodynamique (voir la question pourquoi un temps de compression).
 
    • son principe de régulation de la charge qui dégrade le rendement thermodynamique en diminuant le remplissage.
    • dans une moindre mesure la perte de charge due au papillon des gaz, indispensable à la régulation de la charge.
En effet le rendement du cycle thermodynamique dépend du rapport volumétrique du moteur (voir question a propos du temps de compression). Pour avoir un bon rendement de cycle on doit avoir un taux de compression élevé, or dans les moteurs essence celui ci est limité par le risque d'apparition du cliquetis.
En plus de cela, lors d'un fonctionnement à faible remplissage (faible charge), le taux de compression réel n'est plus du tout égal au rapport volumétrique, il chute fortement comme le montre ce graphe tiré d'une étude du cnam.

compressioncharge

Le rendement d'un moteur Diesel varie peu avec la charge alors que celui du moteur essence chute fortement a cause de la diminution du remplissage.
Contrairement à ce que l'on croit souvent ce n'est pas la perte de charge du papillion qui dégrade le plus le rendement du moteur essence.

 
En effet la puissance perdue dans le pompage des gaz qui vaut

pmp 

n'est responsable que d'une très faible partie de la chute de rendement. Ce qui fait vraiment chuter le rendement du moteur essence à faible charge est la diminution du remplissage et donc du taux de compression effectif qui fait chuter le rendement thermodynamique. Saleté d'entropie!

 

 


 

Qu’est-ce que le cliquetis ?

Dans un moteur essence, (à allumage commandé), le début de la combustion est commandée par une étincelle. A partir de l’étincelle un front de flamme va se propager à travers la chambre de combustion en brûlant le mélange au fur et à mesure qu’il avance. C’est la vitesse de propagation du front de flamme qui contrôle la libération de l’énergie contenue dans le carburant.  Dans certaines conditions il se peut que le mélange en amont du front de flamme (vers les extrémités de la chambre donc) ne résiste pas aux températures et pressions élevées et s’autoinflamme avant que le front de flamme ne l’atteigne. Dans ce cas la vitesse de la réaction n’est pas controlée par un front de flamme, elle a lieu en masse et de façon incontrolée et violente.

Cette détonation va provoquer des ondes de pression à une fréquence caractéristique dans la chambre de combustion de 5 à 15kHz. Ces ondes de pression vont secouer la couche de gaz que l’on appelle la couche limite. La couche limite est une couche très fine de gaz immobile qui isole les parois des gaz de combustion précisément parce qu’elle est immobile. Le transfert de chaleur qui était limité à de la conduction va être forcé en convection par les ondes de pression qui la secouent. Un flux de chaleur très important va donc être transmis aux parois ce qui a pour conséquence d’augmenter leur température. Les parois se réchauffant le cliquetis a toutes les chances de réapparaître et de s’amplifier cycle à cycle jusqu'à destruction du moteur si aucune mesure n’est mise en œuvre pour l’arrêter.
 
Pour éviter l’apparition du cliquetis il faut :
    •  Utiliser un carburant qui résiste à l’autoinflammation :
-indice d’octane élevé
 
    • Diminuer la température dans la chambre avant la combustion :
-diminuer l’avance
-enrichir le mélange pour bénéficier de sa chaleur latente
-refroidir l’air d’admission avec un échangeur
-diminuer le taux de compression
-diminuer le remplissage
 
    • S’assurer que le front de flamme se propage suffisamment vite pour atteindre les extrémités de la chambre avant que le carburant s’autoinflamme :
-allumer la charge a plusieurs points de la chambre type « twin spark » cliquez ici
-créer des turbulences pour accélérer le front de flamme (turbulences)

-choisir une forme de chambre de combustion qui facilite la propagation du front de flamme (type hémisphérique)

 Voici quelques graphes de cycles cliquetants, cliquez pour agrandir.

knkindicomknk

 Pour en savoir plus sur les stratégies de détection du cliquetis cliquez ici

 

 Qu'est ce que la CSE?
 
La consommation spécifique effective est une donnée très interessante car elle est l'image inversée du rendement du moteur au PCI près. Généralement donnée en g/kWh elle nous renseigne sur la quantité de carburant que consomme le moteur pour produire 1kWh soit 3600kJ. Si on connait le PCI du carburant on peut donc comparer l'énergie introduite sous forme de carburant à l'énergie récupérée sous forme de travail et calculer le rendement du moteur.
Par exemple si un moteur consomme 280g/kWh cela veut dire que pour produire 1kWh de travail mécanique soit 3600kJoules il lui a fallu 280grammes de carburant. Si le PCI du carburant est 42000kJ/kg cela représente 0.280*42000=11760kJ
 
rendementcse

Le rendement du moteur est donc de 30.6%

Il faut faire attention à prendre en compte le PCI quand on compare le fonctionnement d'un moteur avec différents carburants. Par exemple un moteur fonctionnant à l'éthanol aura une consommation spécifique très élevée mais son rendement ne sera pas pour autant mauvais car le PCI est plus faible que celui de l'essence.  


  Le moteur Diesel pollue-t-il plus que le moteur essence?

Le moteur Diesel doit sa réputation de pollueur aux nuages de fumée visible qu'il émet a forte charge. Et c'est incontestable, il émet plus de particules lorsqu'il n'est pas équipé de FAP, et plus d' oxydes d'azote que le moteur essence car son fonctionnement en exces d'air empèche leur traitement par catalyse. Mais à mon avis, l'urgence actuellement n'est plus la réduction ni des particules ni des oxydes d'azote qui sont des pollutions réversibles et locales, c'est la réduction de la consommation énergétique qui est prioritaire. Les conséquences du réchauffement climatique et la disparition du pétrole sont les problèmes n°1 auquels l'humanité devra un jour faire façe. Or le moteur essence est celui qui fait son travail de conversion d'energie le moins bien, il gaspille plus d'energie que le moteur diesel. Le moteur Diesel consommera toujours moins que le moteur à essence et c'est aujourd'hui ce qui compte car la production de CO2 d'un moteur est proportionnelle a sa consommation de carburant fossile.


PS: La catalyse 3 voies des moteurs essence est certes séduisante avec ses 99% de conversion mais attention aux apparences, d'abord un catalyseur viellit et son efficacité chute de facon  significative (invisible au controle technique car au ralenti le débit de gaz est si faible que même un catalyseur en fin de vie arrive à catalyser suffisemment pour paraitre efficace). De plus le catalyseur ne fonctionne qu'a richesse stoechiométrique or le moteur essence n'est à richesse 1 qu'au ralenti et en stabilisé faible charge.

Remarque: Un barbecue ou un feu de bois est un bien plus gros emetteur de particules qu'un vehicule diesel, d'ailleurs les  émetteurs N°1 de particules en Europes sont les ménages et non l'automobile.

 

 


 

 

Pourquoi ne voit on pas plus de moteurs rotatifs Wankel ?

Le moteur rotatif a une cinématique séduisante, cependant il y a de bonnes raisons qui en font un moteur peu efficace et difficile à rendre fiable :

 

    • D’abord, la forme de sa chambre de combustion est très mauvaise, sa forme allongée ne favorise pas la propagation du front de flamme et crée des imbrûlés en quantité importante. Pour atteindre des valeurs d’émissions de HC raisonnables le véhicule doit être équipé d’un catalyseur coûteux capable de convertir efficacement ces composés.

 

    • En plus du coincement de la flamme dans la chambre de combustion son rapport surface/volume est mauvais ce qui engendre des échanges thermiques importants et diminue encore le rendement.

 

    • L’absence de carter oblige à lubrifier le moteur par huile perdue c'est-à-dire mélangée au carburant, ce qui est mauvais d’un point de vue dépollution et qualité de lubrification.

 

    • L’étanchéité piston cylindre est difficile à réaliser à cause des vitesses de frottements extrêmement élevés. Ce problème est accentué par l’accélération centrifuge qui tend a augmenter la pression de contact segment/cylindre quand le régime augmente. La durée de vie des segments et donc du moteur sont alors limités. (ce problème limite aussi son régime maxi)

 

    • La cinématique ne permet pas un taux de compression élevé ce qui rend impossible la réalisation d’un tel moteur en version Diesel.

 

    • La dernière chose est que le mouvement alternatif de la cinématique d’un moteur classique n’a rien de mauvais et peut être très bien équilibrée. Voir la question « Le mouvement alternatif est il mauvais en soi ? ». Le moteur alternatif n’a rien à envier au moteur Wankel. Au contraire ! Le moteur rotatif ne présente en fait que très peu d’intérêt, en fait je n’en voit même aucun… a vous de m’en donner !

 

Les préoccupations actuelles étant essentiellement l’amélioration du rendement des moteurs il est peu probable de voir ce type de moteur équiper plus de véhicules qu’il ne le fait aujourd’hui.

 Comment fonctionne un moteur stirling?

Et bien voici une animation du cycle stirling, car bien souvent ca vaut mieux qu'une longue histoire:

 


 

D’où vient le cognement caractéristique du moteur diesel ?

Le cognement caractéristique des moteurs Diesel provient de leur processus de combustion différent de celui des moteurs à allumage commandé. La vitesse de la combustion de la charge dans un moteur essence est contrôlée par la vitesse de propagation du front de flamme à travers la chambre de combustion. Cette vitesse de propagation est en fait relativement faible et assure une montée en douceur de la pression à l’intérieur du cylindre. C’est une combustion progressive débutant au moment de l’étincelle est se propageant de façon plus ou moins linéaire jusqu’aux parois du cylindre.

Dans un moteur Diesel le schéma est très différent, après injection, le carburant ne s’enflamme pas instantanément, il existe un délai de pulvérisation, de vaporisation et d’auto-inflammation. Une partie de la quantité introduite va se vaporiser et se mélanger avec l’air en proportions propices à une combustion mais celle-ci n’aura pas lieu tout de suite. On aura donc du carburant, mélangé à de l’oxygène, prêt à brûler mais qui attend que le processus s’amorce. Lorsque le délai auto inflammation sera atteint la combustion va s’amorcer de façon brutale, et tout le carburant qui était mélangé à de l’air va s’enflammer en masse créant une montée en pression violente des gaz dans la chambre. Cette montée en pression a tendance a faire basculer le piston dans la chemise ce qui génère le bruit de claquement caractéristique. Cette partie de la combustion est dite « incontrôlée » ou «détonante »  ou « phase de combustion en prémélange », la suite de la combustion sera contrôlée par la vitesse à laquelle le carburant se vaporise et se mélange avec l’air.

 

 

Le cognement est une source de bruit mais il est aussi générateur de contraintes excessives sur les éléments mécaniques tels que les coussinets car il chasse le film d’huile.

Pour limiter le cognement il faut limiter la quantité de carburant brûlée en phase de combustion détonante. Pour cela il faut :

 

    • limiter le délai d’auto-inflammation (carburant à indice de cétane élevé, optimisation des conditions d’injection, préinjection qui chauffe la chambre et amorce la combustion))
    • diminuer la quantité de carburant introduite pendant le délai d’auto-inflammation (taux d’introduction faible au début de l’injection, préinjecion)

 

Une autre solution qui n’est presque plus utilisée aujourd’hui était d’étouffer le cognement en amorçant la combustion dans une chambre séparée du cylindre par un conduit de diamètre réduit. (moteurs à préchambres)

Rmq : Lorsqu’un moteur est froid, le délai d’auto-inflammation est nettement plus long ce qui augmente le bruit de combustion. L’utilisation d’huile végétale à indice de cétane faible provoque elle aussi une augmentation du bruit de fonctionnement du moteur.

 

 


 

Pourquoi les masses d’équilibrage sur le vilebrequin ?

 

Les masses d’équilibrage sur le vilebrequin ont un rôle particulier. Elles ne servent pas à équilibrer le moteur proprement dit car le vilebrequin d'un quatre cylindres est statiquement et dynamiquement équilibré. Elles ne servent pas non plus à compenser les efforts que les bielles transmettent au vilebrequin à cause de l’inertie des pistons (c’est pourtant une idée très répandue).

Ces masses permettent de diminuer les contraintes que le vilebrequin s’induit lui-même lorsqu’il tourne à haute vitesse. Le vilebrequin a besoin de ces contrepoids pour ne pas s’induire d’efforts internes excessifs.
Seules les masses d’équilibrage contrarotatives évoquées à la question « pourquoi un 4 cyl en ligne n’est pas équilibré ? » servent à compenser les efforts d’inertie des pistons. 

 

 

Pourquoi un 4 cylindres en ligne n’est il pas équilibré ?

 

En effet deux pistons montent alors que deux autres descendent et les mouvements de leurs bielles sont opposés. (il est naturellement équilibré au premier ordre). On pourrait donc s’attendre à ce que les efforts d’inertie crées par les masses alternatives s’annulent, or ce n’est pas le cas.

En effet la vitesse d’approche au PMH est différente de celle du PMB donc les accélérations et les efforts induits le sont aussi. Le dessin suivant le met en évidence à l’aide de l’équiprojectivité, pour la position opposée la vitesse du piston est nettement différente.

 

 

 

Les courbes d’accélération et de vitesse montrent bien l’asymétrie du mouvement du piston qui est la cause de ce déséquilibre. Le graphique ci-dessous trace l’accélération des pistons d’un quatre cylindres en ligne. Les mouvements des pistons 1 et 4 sont superposés et sont déphasés de 180° par rapport à ceux des pistons 2 et 3. Les pistons qui montent ne compensent pas ceux qui descendent car l’accélération est plus faible au PMB qu’au PMH.

 

 

 

La somme des accélérations des différents pistons donne une sinusoïde quasi parfaite (ci-dessous). C’est la résultante de pilon d’un quatre cylindres.

 

 

 

 

 

 

Pour les moteurs de faible cylindrée (<2.5) on ne cherche pas toujours a compenser cette résultante. Elle peut néanmoins être équilibrée efficacement par 2 masses contra rotatives tournant à deux fois la vitesse de rotation du vilebrequin (schéma suivant).

 

 


 

Pourquoi injecte t-on l’essence soupape fermée ?

Sur un moteur essence à injection indirecte classique, on évite d’avoir à injecter le carburant dans la tubulure pendant que la soupape d’admission est ouverte (sauf dans certains cas particuliers ou il peut etre intéressant de prélever la chaleur à l'intérieur de la chambre). En effet si on attends l’ouverture de la soupape pour commencer l’injection il ne reste plus que 180° (admission) pour injecter la quantité voulue et moins de 180° (compression) pour vaporiser la totalité du carburant ce qui dans certaines conditions est insuffisant.

On commence donc à  injecter le carburant dès que la soupape d’admission se ferme pour le cycle suivant. Le carburant commence, en attendant l’ouverture de la soupape, à se vaporiser dans la tubulure en prélevant  de la chaleur à la soupape.

Le deuxième avantage est que lors de l’ouverture de la soupape d'admission la colonne de gaz dans la tubulure est "secouée" par des effets de transvasement inverse ce qui améliore encore la vaporisation et l'homogénéisation.

L’injecteur est dimensionné pour pouvoir injecter à pleine charge plein régime la quantité nécessaire de carburant en moins de 540° vilebrequin, c'est-à-dire soupape fermée.

 


 

Pourquoi un starter sur les moteurs essence?

 

Le starter, qui aujourd’hui n’est plus visible, avait pour rôle d’augmenter la quantité de carburant admise dans le moteur lors d’un fonctionnement à froid. Sa nécessité est essentiellement due à des problèmes de vaporisation.

L’essence est constituée de centaines de composés différents qui ont chacun des températures d’évaporation différentes. A froid, seules les fractions légères vont se vaporiser et donc une grande part de l’essence (les fractions plus lourdes) ne se vaporise pas (ou se vaporise puis se condense sur les parois froides) et se retrouve liquide dans les conduits et dans le cylindre. Or à l’état liquide l’essence ne brûlera pas (une combustion n’a lieu qu’entre des réactifs à l’état gazeux). Pour que la combustion ait tout de même lieu il faut donc compenser ce manque d’essence vaporisé en injectant plus d’essence dans le moteur.

De nos jours le starter n’est plus visible et ce surenrichissement est contrôlé par le calculateur. Cette gestion plus précise de l'enrichissement a fortement amélioré le comportement des moteurs essence a froid.

 


 

Pourquoi la pompe de reprise ?

La pompe de reprise, présente sur les carburateurs, avait pour rôle d’injecter une quantité supplémentaire d’essence lors d’une accélération brutale. En effet l’ouverture du papillon fait remonter la pression dans la tubulure d’admission, or l’épaisseur du film d’essence sur les parois (film dit pariétal) dépend de la pression dans la tubulure. Une augmentation de la pression provoque la condensation d’une partie de l’essence contenue dans le mélange. Il faut donc, pour compenser cette quantité d’essence condensée, injecter un surplus d’essence lors des accélérations.

Aujourd’hui cette fonction existe mais elle est gérée par le calculateur.

 


 

Le temps de détente et la conversion de chaleur en travail

La transformation de la chaleur des gaz enfermés dans le cylindre, en énergie mécanique, mérite un peu d’attention. En effet on se pose rarement la question de savoir, comment concrètement, elle est convertie en travail mécanique c'est-à-dire en énergie cinétique.La chaleur n’est en fait que de l’agitation moléculaire c'est-à-dire de l’énergie cinétique!. Chaque fois qu’une molécule impacte le piston elle lui transmet un effort. C’est cette multitude d’impacts uniformément répartis que l’on appelle communément « pression ». Dans le cas ou la surface d’impact est fixe la molécule va rebondir comme une balle sur la surface et sa vitesse après l’impact sera égale à sa vitesse initiale (au signe près). L’énergie cinétique se conserve et il n’y a pas d’échange d’énergie. Par contre, si la surface d’impact est libre ou en mouvement sa vitesse va s’ajouter ou se soustraire à celle de la molécule au moment de l’impact (composition des vitesses).Dans notre exemple si le piston descend la vitesse de la molécule après le choc sera inférieur à la vitesse initiale, une partie de son énergie cinétique a été transmise au piston et va participer à l’accélérer,le piston accélère la molécule ralentit. Si on lance un balle contre un mur elle rebondis, si on la lance contre un véhicule qui s’éloigne elle rebondira moins mais elle aura transmis son énergie cinétique au véhicule.On ne transforme pas la chaleur en énergie cinétique mais on transmet l’énergie cinétique désordonnée des molécules au piston. Inversement lors de la compression, le mouvement du piston est transmis aux molécules de gaz et augmente leur l’énergie cinétique, elles se transmettent ensuite mutuellement le mouvement. Voila pourquoi la température d’un gaz augmente lorsqu’on le comprime car la température est l’énergie cinétique à l’échelle moléculaire.

détente

 

Pourquoi mettre de l'additif dans le sans plomb pour les vieux moteurs? 

Le plomb tetraethyl avait deux rôles, il permettait d'augmenter l'indice d'octane d'un carburant facilement et il avait un rôle protecteur important pour les soupapes et les sièges en améliorant les échanges thermiques. On dit qu'il créait un pont thermique entre la soupape et son siège. Par contre il était très toxique pour l'homme et l'environnement. En plus de sa toxicité il est incompatible avec les catalyseurs qu'il empoisonne rapidement en s'y accumulant. On a donc sorti les essences sans plomb avec l'apparition des catalyseurs. Pour conserver l'indice d'octane les carburants sans plomb contiennent plus d'hydrocarbures aromatiques qui sont cancérigènes mais qui sont bien traités par les catalyseurs et les dispositifs de récupération de vapeurs d'essence. Ils ne s'accumulent pas dans l'organisme et l'environnement comme le plomb, mais sont dangereux uniquement localement et temporairement.

L'effet de pont thermique peut être réalisé à l'aide d'autres additifs tels que le phosphore, le potassium ou le zinc, le plus efficace étant le phosphore. L'additif le plus répandu est le potassium.

Tous les véhicules anciens aux sièges et soupapes conçues pour essence plombée nécessitent l'ajout d'additif au risque de griller les soupapes d'échappement. Seul quelques vieux vehicules refroidis par air (2cv cocinelle) n'ont pas besoin d'additif car les sièges et soupapes sont concus pour supporter des température élevées a cause du refoidissement moins efficace.

Nota: Les additifs courants n'ont aucun effet sur l'indice d'octane, et la pluspart des vehicules anciens peuvent tourner au 95+additif (moins d'aromatiques, moins toxique, moins agressif pour les joints de carbu, vieillit beaucoup mieux que le 98) 


 

Faut il du couple ou de la puissance pour propulser un vehicule?

Question fondamentale et pas si simple! Sauf si on résonne en termes d'énergie cinétique. Pour mettre en mouvement un vehicule il faut le faire passer d'une vitesse V0 à V1 en un temps t raisonnable. On va donc devoir lui apporter de l'énergie car Ec=1/2mV^2 or la puissance est un débit d'énergie W=J/s, plus le moteur sera puissant et plus il sera capable d'apporter les joules nécessaires pour faire varier l'énergie cinétique rapidement.
On dit souvent que le couple est qualitatif et que la puissance est quantitative. Le couple est une information sur la façon dont la puissance est délivrée (régime faible ou élevé) mais à peu d'importance en soi, si la puissance est suffisante une solution technologique pourra toujours adapter le régime (boite de vitesse), par contre du couple sans puissance (sans régime) ne sert a rien. Avec une bonne rallonge un homme peut exercer un couple enorme sur une roue de camion mais il sera incapable de le faire avancer à une vitesse intéressante, c'est normal car un homme ne développe que 400W de puissance et qu'il faut des dizaines de kW pour mouvoir un camion (à une vitesse intéressante).
Un couple est l'équivalent d'une force, d'un effort, or ca ne suffit pas, il faut pouvoir maintenir cet effort en se déplacant et F*V=Puissance.
Il arrive souvent que les gens répondent que c'est le couple qui est important car lorsqu'on regarde le graphique ci dessous le couple et l'accélération ont le même profil alors que la puissance a un profil différent de l'accélération. Mais on oublie que la puissance nécessaire pour garder une accélération constante est proportionnelle a la vitesse. En fait la puissance moteur et la puissance nécessaire se superposent.
ggggg

 

 equation de n
Bon je suis pas sur d'avoir été clair, globalement il faut un couple a la roue élevé et il faut que la roue tourne vite et comme couple*vitesse de rotation=puissance c'est bien un moteur puissant qu'il nous faut.