Faculté de technologie

Département de génie civil

Filière énergétique

Année 2020

Programme

Chapitre I : Généralité sur les moteurs thermiques

Chapitre II : Principe de fonctionnement du moteur à

combustion interne Chapitre III : Cycles thermodynamiques du moteur à

combustion interne

Chapitre IV : la combustion

Cours

Moteur à Combustion Interne

CHAPITRE I GENERALITE SUR LES MOTEURS THERMIQUES

1. Introduction

Les moteurs thermiques ont pour rôle de transformer l’énergie thermique à

l’énergie mécanique. Ils sont encore appelés les moteurs à combustion qui sont

généralement distingués en deux types :

Les moteurs à combustion interne où le système est renouvelé à chaque cycle.

Le système est en contact avec une seule source de chaleur (l’atmosphère).

Les moteurs à combustion externe où le système (air) est recyclé, sans

renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur, entrent par exemple

dans cette dernière catégorie : les machines à vapeur, le moteur Stirling...

2. Historique

1700: Moteurs à vapeur

1860: Moteur de Lenoir (rendement ~5%)

1862: Beau de Rochas définit le principe du cycle de fonctionnement des

moteurs à combustion interne

1867: Moteur de Otto & Langen: ( ~11% et rotation < 90 rpm)

1876: Otto invente le moteur à 4 temps à allumage par bougie (~14% et

rotation< 160 rpm)

1880: Moteur deux temps

1892: Diesel invente le moteur quatre temps à allumage par compression

1957: Wankel invente le moteur à piston rotatif

3. Moteurs à combustion interne

3.1 Moteurs alternatifs

La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable

et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d’un gaz qui remplit cette

chambre (ce gaz est d’ailleurs initialement composé du combustible et du comburant

: air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée sur un piston,

force qui transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de

rotation d’arbre (vilebrequin) Fig. 1. 2.

Figure I. 2. Esquisse d’un moteur à combustion interne

Les moteurs sont classés en deux catégories suivant la technique d’inflammation

du mélange carburant-air :

les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)

les moteurs à allumage par compression (moteur Diesel)

Dans les moteurs à allumage commandé, un mélange convenable essence-air, obtenu

à l’aide d’un carburateur, est admis dans la chambre de combustion du cylindre où

l’inflammation est produite par une étincelle.

Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole. On l’injecte

sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalablement

comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément. Ces moteurs

sont appelés moteur Diesel.

Les moteurs à allumage, commandé et par compression, sont des moteurs à

combustion interne, car la combustion s’effectue à l’intérieur du moteur.

Ces moteurs constituent actuellement la majorité des unités de production de

puissance mécanique dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports

où ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages: bon

rendement, compacité fiabilité... ; ceci explique l’extension qu’ont pris de nos jours

l’industrie des moteurs et l’ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du

monde. Ils sont principalement utilisés pour la propulsion des véhicules de transport

: avions à hélice, automobiles, motos, camions et bateaux.

3.2 Architecture d’un moteur à combustion interne

Avant d'aborder le fonctionnement du moteur à combustion interne et les

principes théoriques mis en jeu, il nous semble utile de décrire les principaux organes

qui le composent. Les parties essentielles du moteur à combustion interne sont

montré dans la figure I. 3.

Figure I. 3. Moteur à combustion interne 4 cylindres diesel

3.2.1 Le bloc moteur (bloc cylindre)

Le bloc moteur est le support principal de tous les éléments fixes et mobiles

constituants l’ensemble moteur Fig. 4. Il est généralement en fonte, fabriquer à l’aide

d’un moule. Il doit supporter la culasse, le vilebrequin, les cylindres, le carter

inférieur, et souvent il est fixés à la boite de vitesse formant ainsi un ensemble

solidaire relié au châssis du véhicule, une circulation d’eau assure leur

refroidissement. Le bloc cylindre doit remplir plusieurs fonctions :

- Résister à la pression des gaz, qui tendent à dilater et à repousser la culasse.

- Guider le piston.

- Contenir l’eau de refroidissement tout en résistant à la corrosion.

- Un support sur lequel sont fixés les accessoires.

-

Figure I. 4. Bloc moteur

3.2.2 La culasse

La culasse est montée sur la partie supérieure du bloc moteur, c’est une plaque

épaisse généralement en fonte ou on alliage d’aluminium, elle ferme le cylindre et

constitue la chambre de combustion, elle comporte les éléments de distribution,

l’injecteur, les conduites d’admission et d’échappement. Comme elle est fortement

sollicitée de point de vue thermique des chambres d’eau sont nécessaire à son

refroidissement, figure I. 5.

Figure I. 5. Culasse d’un moteur à 4 cylindres

3.2.3 Le piston :

Le piston est réalise en alliage d’aluminium et il remplit plusieurs fonctions : il

constitue la paroi mobile de la chambre d’explosion, il reçoit l’impulsion motrice, il

doit résister à de hautes températures et il sert de guide à la bielle. Il est quelque fois

creusé de cavités destinés à créer une turbulence favorable à la combustion. Des

segments sont logés dans la partie haute du piston, assurent l’étanchéité de la

chambre de combustion. On distingue le segment coupe de feu, le segment de

l’étanchéité et le segment racleur, voir la figure 6.

Le segment coupe de feu est souvent chromé, il est disposé assez loin du bord du

piston afin d’éviter qu’il soit directement soumis à la chaleur dégagée lors de la

combustion.

Figure 6. Piston

3.2.4 Le mécanisme bielle-manivelle

La bielle est la pièce mécanique dont une extrémité est liée au piston par l’axe de

piston et l’autre extrémité au vilebrequin. Elle permet la transformation du

mouvement alternatif du piston en mouvement circulaire continue du vilebrequin,

figure 7. Tout comme le piston la bielle doit être aussi légère que possible, mais au

même temps être capable de transmettre des efforts considérables du piston au

vilebrequin est inversement. A ce titre elle est fabriquée en acier forgé

Figure I. 7. Piston

3.2.5 Vilebrequin

Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est

l'élément principal du système bielle-manivelle. Il permet la transformation du mouvement

linéaire alternatif du ou des piston(s) en un mouvement de rotation continu.

C'est par conséquent le vilebrequin qui va entraîner tout les éléments du moteur qui ont

besoin d'un mouvement rotatif comme :

la transmission primaire

l'alternateur

les contre-arbres d'équilibrage

Le vilebrequin se compose de plusieurs tourillons alignés, sur lesquels il tourne.

Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons, sur lesquels sont montées les

bielles. L'excentricité E, distance entre l'axe d'un maneton et l'axe d'un tourillon,

définit la course C du piston. On obtient alors : C = 2E. Cette distance détermine en

partie la cylindrée du moteur.

Figure I. 8. Vilebrequin

Figure I. 9. Bielles et pistons liés au vilebrequin

3.2.6. Arbre à cames

Il est entraîné par le vilebrequin et doté d’autant des cames que des soupapes. Selon

la conception de la distribution, son emplacement au sein du moteur varie. La

solution la plus répondue sur les moteurs de grandes puissances est la distribution

culbutée. L’arbre à came se situe dans le bloc et son entraînement est assuré par un

ensemble de pignons dont le rapport de multiplication est d’un demi (1/2). La liaison

arbre à cames soupapes est assurée par un ensemble de poussoirs, des tiges de

culbuteurs et culbuteurs. Des ressorts hélicoïdaux, logés autour des soupapes,

referment automatiquement celles-ci, quand la pression communiquée par les cames

de l’arbre à cames cesse.

Lorsque l’arbre à cames se situe dans la culasse, il est dit en tête. Cette solution,

permet de diminuer le nombre d’éléments donc d’alléger le système de distribution,

les poussoirs, les tiges de culbuteurs, les culbuteurs. La liaison arbre à cames

vilebrequin est alors réalisée par une courroie crantée à la place d’une chaine

métallique.

Cette conception de distribution moderne bénéficie de plusieurs avantages :

Réduction des masses en mouvement ;

Lubrification du système de liaison inexistant ;

Fonctionnement silencieux.

Figure I. 10. Arbre à cames d’un moteur

3.2.7. Soupapes

Selon la conception, la puissance du moteur, le nombre de soupapes par cylindre

varie généralement au nombre de deux, une d’admission, l’autre d’échappement.

Certains moteurs, en vue d’améliorer le remplissage du cylindre, peuvent être dotés

de trois voire quatre soupapes par cylindre. Chaque soupape se compose d’une tête

munie d’une portée conique et d’une queue, permettant le guidage.

On distingue deux sortes de soupapes :

Les soupapes d’admission ;

Les soupapes d’échappement

Figure I. 11. Soupape d’un moteur à combustion interne

3.2.8. Carters

Un carter est une enveloppe protégeant un organe mécanique, souvent fermée de

façon étanche, et contenant le lubrifiant nécessaire à son fonctionnement ou des

organes qui doivent être isolés de l’extérieur. Il est réalisé en tôle emboutie ou

moulée en alliage léger. On distingue deux types de carters

- Carter supérieur est un cache placé sur le moteur. Il protège les principaux

éléments du dispositif de la distribution. IL peut être équipé d’un orifice de

remplissage.

- Carter inferieur est enveloppe placée sous le moteur pouvant servir

au stockage de l’huile de lubrification. Il peut contenir une crépine et un filtre

à huile, externe ou interne, ainsi que la prise du reniflard.

Figure I. 12. Carters

Carter inferieur

Carter supérieur

3.2.9. Dispositif de distribution

Le système de distribution gère l'admission de la charge fraiche (air sec ou mélange

air-combustible) dans les cylindres puis la vidange des gaz brûlés Fig. I. 13. Il est

constitué d'éléments mobiles, des soupapes d'admission et d'échappement, d’un

arbre à cames, de poussoirs, de culbuteurs, ressorts de rappel et d’une courroie ou

chaîne de distribution.

Figure I. 13. Partie délimitée par le trait rouge représente le dispositif de la distribution

Au repos, les soupapes sont maintenues fermées par des ressorts de rappel,

l'ouverture est assurée par l'arbre à cames qui est couplé au vilebrequin par

l’intermédiaire d’une courroie ou chaîne de distribution Fig. I. 14. La vitesse de

rotation de l'arbre à cames est deux fois plus petite que celle du vilebrequin. Ainsi,

l'ouverture et la fermeture des soupapes sont parfaitement synchronisées avec les

mouvements du piston.

Figure I. 14. Chaîne de distribution

4. Les différents types de moteurs

La classification des moteurs se fait en fonction de la disposition des cylindres

4.1 Moteur avec cylindres en ligne

Le moteur avec cylindres en ligne est le type de moteur automobile le plus

répandu. Il comporte une seule ligne de cylindres, disposés d’un seul côté du

vilebrequin. Il s’agit du moteur le plus simple à mettre en place. Il est par conséquent

peu coûteux. S’il prend peu de place en largeur du fait de sa configuration en

ligne, ce moteur nécessite en revanche beaucoup d’espace en longueur.

Son principal inconvénient réside dans le déséquilibre provoqué par la

disposition des cylindres sur une seule ligne. Le déséquilibre du moteur peut

entraîner d’importantes vibrations.

Figure 1.15 Moteur en ligne

4.2 Moteur flat (à plat)

Le moteur à plat, comme son nom l’indique, est totalement plat : les pistons se

trouvent sur un seul plan, en général horizontal. Les cylindres sont toujours en

nombre pair et sont situés de chaque côté du vilebrequin.

Cette configuration du moteur est très pratique puisqu’elle lui permet de prendre

très peu de place en hauteur mais elle est assez difficile à entretenir.

Figure 1.15 Moteur à plat

4.3 Moteur V

Les moteurs en configuration « V » sont ainsi nommés pour leur particularité : ils

ont une forme en « V ». Ils sont disposés en deux rangés de plusieurs cylindres. Pour

un V8 il s’agira de deux rangées de quatre cylindres, pour un V6 deux rangées de 3

cylindres, pour un V12 deux rangées de 6 cylindres et ainsi de suite… Ces cylindres

qui fonctionnent en alternance sont placés au-dessus du vilebrequin.

Ce type de moteur dispose d’un vilebrequin très court et donc relativement léger,

ce qui entraîne une réduction des vibrations. Il s’agit cependant d’un moteur très

complexe et dont la fabrication est relativement coûteuse.

Figure 1.16 Moteur en V

4.4 Moteur W

Les moteurs en « W » sont identiques et fonctionnent comme les modèles « V », à

la différence qu’ils sont doublés. Les cylindres seront alignés en quinconce. Ce type

de moteur est principalement utilisé dans l’aviation ou les voitures haut de gamme.

Les cylindres en configuration « W » peuvent se présenter de deux manières :

1. Disposés en double V « accolé » : 3 rangées de cylindres

2. Disposés en double V « séparé » : 4 rangées de cylindres

Le principal avantage du moteur en W est qu’il peut comporter un grand nombre de

cylindres sur un minimum de place, puisque le vilebrequin est plus court que sur un

moteur en V. En revanche, le moteur prend plus de place en largeur.

Encore une fois, il s’agit d’un moteur très complexe, notamment au niveau des

culasses. Il a par conséquent un coût élevé.

Figure 1.16 Moteur en W

4.5 Moteur en étoile X

Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de

moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du

vilebrequin et l’axe de sortie moteur. L'architecture en étoile, en général, a été très

utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est de préférence impair pour des

raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 pour un moteur simple

étoile.

Figure 1.17 Moteur en étoile X