moteur deux temps.merabti soufiane
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1 S.MERABTI
République Algérienne islamique et Populaire
Mémoire de fin d’Etudes
Pour l’obtention du diplôme de licence système LMD
Domaine : Sciences Techniques
Filière : Génie Mécanique
Description des moteurs diesel à deux temps
Présente Par : Merabti Soufiane
2 S.MERABTI
Année Universitaire : 2012/2013On dit qu'un moteur alternatif à combustion interne
fonctionne selon un cycle à deux temps lorsqu'un cycle complet de travail s'effectue en deux
courses du piston, soit un tour de vilebrequin.
Bien que le terme « deux-temps » évoque surtout un moteur à essence, il faut souligner que
certains diesels fonctionnent aussi selon ce principe. Au niveau du fonctionnement, il n'existe
pas de distinction fondamentale entre un deux-temps et un quatre-temps puisqu'on y retrouve
les quatre phases classiques (admission, compression, détente, échappement), mais agencées
de façon différente :
l'échappement et l'admission dans le cylindre sont simultanés et se situent entre la fin de la
détente et le début de la compression (lorsque le piston est près du point mort bas).
La caractéristique qui différencie radicalement le deux-temps du quatre-temps concerne
l'utilisation des gaz frais pour chasser les gaz brûlés.
Pour réaliser cette phase, appelée balayage. il faut comprimer les gaz frais. Ceci peut être
réalisé par un compresseur extérieur ou par un carter- pompe. Signalons, enfin, que le
fonctionnement de ces moteurs n'exclut pas l'utilisation de soupapes (commandées ou
automatiques). Celles-ci furent d'ailleurs souvent utilisées sur les premières réalisations pour l'admission, spécialement sur les gros diesels deux-temps marins. [1]
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Sommaire
Introduction .
Historique .
I. Généralité sur les moteurs deux temps .
I.1 Les organes fixes .
I.2 Les organes mobiles
I.3 Les organes annexes
I.4 fonction des defferentes piece du moteur 2 temps
I.5 Le refroidissement de moteur 2 temps
I.5.1 le refroidissement par air .
I.5.2 le refroidissement par eau .
II. Les différents types de moteurs
II.1 Les moteurs à injection indirecte
II.2 Les moteurs à injection directe
III. le circuit d'alimentation
III.1 Pompe d'alimentation
III.2 L'élément filtrant
III.3 les injecteurs
Conclusion
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I. Généralité sur les moteurs deux temps
LES PIECES DU MOTEUR DEUX TEMPS
Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur "2 temps" il faut connaître les pièces
qui le composent.
Un moteur 2 temps comporte des "lumières". Ce sont des conduits qui sont ouverts ou
fermées, par le passage du piston.
1. Lumière d’admission
2. Lumière d’échappement
3. Lumière de transfère
4. Bougie
5. Piston
6. Bielle
7. Vilebrequin
8. Chambre de compression
9. Chambre de carter inférieur
10. La culasse
11. le carter
12. cylindrée
13. Joint culasse
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I.1 Les organes fixes
La culasse
Elle sert de couvercle en haut des cylindres.
Souvent, elle comporte les chambres de
combustion, les bougies, les injecteurs
Le carter
Il doit être étanche, dans le cas d'un carter-
pompe, et présenter un minimum d'espace mort.
Les carters-pompes enveloppent la trajectoire
du vilebrequin. S'il existe plusieurs cylindres,
on prévoit un carter par cylindre.
Joint culasse
Le joint de culasse claqué se manifeste souvent par une
forte montée en pression du circuit de refroidissement. Il
s’agit alors d’un trou entre la chambre de combustion ou
règne une pression colossale (de l’ordre de 60 à 100 bars)
et le circuit de refroidissement (à la pression
atmosphérique normale de 1 bar). Il s’ensuit une
production de bulles dans la culasse au niveau de la fuite.
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Le cylindre :
Rappelons que ses parois sont percées d'orifices appelés lumières. On distingue, du même
côté, les lumières d'admission et d'échappement et, en face, la lumière de transfert, en
communication avec le carter. Pour les problèmes soulevés par le dimensionnement des
lumières se reporter à l'article lumière.
I.2 Les organes mobiles
Le piston : Pièce cylindrique mobile, qui sert à
comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après
l'explosion transforme un énergie thermique en énergie
mécanique.
Déflecteur : Dispositif qui permet de modifier la
direction d’un courant liquide ou gazeux
Les segments : Ce sont des anneaux "élastiques" ouverts qui se logent dans des rainures
faites dans la tête du piston.
Ils assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion (les gaz) et le carter d'huile du
vilebrequin.
Ils sont utilisés aussi pour l'évacuation de la chaleur vers le cylindre.
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Le segment de feu : C'est le segment en contact avec les gaz. Lors de l'explosion, il est
plaqué contre le piston (dans sa rainure) et contre le cylindre, ce qui assure quasiment toute
l'étanchéité.
Le segment d'étanchéité : Il assure l’étanchéité totale des gaz en arrêtant ceux qui seraient
passés par l'ouverture du segment de feu.
Segment de Feu Segments étanchéités
L’axe piston : Permet de relier le piston à la bielle.
Il va encaisser de grand effort mécanique, en effet c'est lui qui
va transmettre l'énergie de l'explosion à la bielle.
Il faut donc qu'il soit assez résistant de part sa taille et de part
les matériaux utilisés pour sa fabrication tout en le faisant le
plus léger possible (donc creux en général).
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La bielle
Liaison entre le piston et le vilebrequin,
Elle transforme la pression du piston en
force sur le vilebrequin.
Le vilebrequin et le volant moteur
Le vilebrequin reçoit l'effort transmis par la bielle et
fournit un mouvement circulaire à la sortie du
moteur.
Le volant moteur régularise le mouvement de
rotation.
I.3 Les organes annexes
Injecteur : L'injecteur permet l'apport du carburant dans la chambre de
combustion.
À l'arrière de ce dispositif, on trouve un filtre qui ne laisse passer qu'un
tout petit peu de carburant et qui retient les impuretés.
Le combustible est ensuite pulvérisé par l'avant sous forme de micro
gouttelettes, permettant une combustion optimale. Ce phénomène peut
être amplifié grâce à une turbine amplifiant la dispersion des
gouttelettes.
Ce système se retrouve dans les chaudières à fioul, la vaste majorité
des moteurs de voitures où il remplace désormais le carburateur.
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I.4 fonction des defferentes piece du moteur 2 temps
1. LUMIERE D'ADMISSION : Conduit par lequel les gaz
frais seront admis. Ils entrent dans la chambre(9) sous le
piston (5), par la dépression que créée celui-ci en montant.
2. LUMIERE D'ECHAPPEMENT : Conduit par lequel
les gaz brûlés seront expulsés. Quand le piston (5)
est en haut, en redescendant il ouvre le conduit
d'échappement(2).
3. LUMIERE DE TRANSFERT : Conduit par
lesquelles gaz frais seront poussés vers le dessus du
piston (5). En descendant le piston créé une pression
dans la chambre sous le cylindre (9), en même temps
qu'il obstrues la lumière d'admission (1).
4. BOUGIE : Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au mélange air/essence,
créant une explosion.
5. PISTON :Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une
explosion, et qui après l'explosion transforme une énergie thermique en énergie
mécanique, via la bielle (6) qui transmet le mouvement.
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6. BIELLE : Tige rigide, articulée à ses deux extrémités. Elle transforme un
mouvement linéaire en mouvement rotatif. Le mouvement linéaire du piston (5)
en mouvement rotatif sur le vilebrequin (7).
7. VILEBREQUIN : Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement
l'énergie mécanique à la boîte. La boite, à la différence des moteurs 4 temps, est toujours
séparée du moteur par une paroi.
8 & 9CHAMBRES : Dans la chambre (9) les gaz sont admis, et attendent que la descente du
piston les poussent vers la lumière de transfert (3). Puis la chambre de compression(8) reçoit
les gaz frais par le conduit de transfert (3). En même temps elle expulse les gaz brûlés par la
lumière d'échappement (2).
Le cycle moteur 2 temps :
Un moteur à explosion utilise un gaz inflammable (essence + d'air). Ce gaz en explosant
libère un énergie qui pousse le piston vers le bas, Entraînant un ensemble de pièces mobiles
(entraînement d’une chaîne sur tronçonneuse par exemple).
On appelle "2 temps", le cycle de deux étapes auxquels sont soumis les gaz pour créer cette
explosion.
Le cycle du moteur 2 temps fonctionne sur un seul tour de vilebrequin (360°) soit une
montée + une descente du piston.
Le moteur 2 temps n'utilise pas de soupapes pour l'admission et l'échappement comme le
moteur 4 temps mais des lumières (des trous) directement dans le carter qui seront ouverts et
fermés par le passage du piston. On retrouve les mêmes phases que dans le quatre temps mais
l'utilisat ion du dessous du piston comme pompe dans le car ter moteur (admission des gaz
frais) permet de chevaucher deux cycles en même temps.
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1er temps - Admission, compression et explosion:
Lors du mouvement ascendant, le piston (2) comprime le
mélange essence/air dans la chambre de combustion (1). La
lumière d’admission (4) est ouverte, le mélange essence/ air frais
pénètre dans le carter de vilebrequin (5).
Lors du mouvement ascendant, le piston masque la lumière
d’échappement (3) et le canal de transfert (7). Le mélange
carburé est comprimé et allumé par la bougie d’allumage (8)
juste avant le PMH. Les gaz de combustion qui se détendent
repoussent le piston (2) vers le bas.
Lors du mouvement descendant, le piston exécute un temps de
travail et fait tourner le vilebrequin (6). Simultanément, il assure
le pré compression du mélange dans le carter de vilebrequin (5).
La lumière d’échappement (3) et le canal de
Transfert (7) s’ouvrent. Les gaz d’échappement s’échappent
De la chambre de combustion par la lumière d’échappement.
Le mélange frais, pré comprimé, pénètre dans la chambre de
combustion par le canal de transfert et chasse les restes de gaz
d’échappement. Après cela, le piston se déplace à nouveau vers
le haut.
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le balayage des gaz :
En l'absence d'arbre à cames ou de soupapes, on doit dans le moteur 2 temps transférer le
mélange frais du carter vers le cylindre. Ces gaz frais doivent balayer les gaz brûlés, tout en
évitant qu'une partie ne soit entraînée dans l'échappement. Pour parvenir à un résultat
optimal, de nombreux principes de balayages ont été utilisés au cours du temps. on en
distingue 3 principaux :
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I.5 Le refroidissement de moteur 2 temps
Problème posé – analyse
Origine de la chaleur
Combustion des gaz dans le cylindre et la chambre de combustion
(2000°C).
Frottement des pièces en mouvement.
Conséquences d’un manque de refroidissement
Dilatation des pièces >>> Serrage, grippage...
Dilatation des gaz >>> Diminution du taux de remplissage.
T° élevée des gaz >>> Auto-inflammation.
Modification des matériaux >>> Usure voire casse d'organes.
Altération du lubrifiant >>> Carbonisation, calamine, graissage peu
performant...
Conséquences d’un refroidissement trop important
Combustion lente et incomplète >>> perte de puissance, pollution et
surconsommation.
Condensation du carburant >>> Surconsommation.
Condensation eau de l'huile >>> Oxydation.
Essence liquide sur les parois >>> Dilution de l'huile: graissage défectueux.
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Principe utilisé
Un fluide "caloriporteur" récupère les calories des pièces soumises à hautes
températures pour les évacuer dans l'atmosphère.
Ce fluide peut être : >>> L'AIR ou >>> L'EAU
I.5.1 Le refroidissement par air
Les cylindres sont munis d'ailettes orientées pour que le courant d'air provoqué par le
déplacement du véhicule circule facilement entre elles. En automobile, le système est
complété par un ventilateur ou turbine. Les cylindres sont alors enfermés dans un habillage
en tôle, destiné à canaliser l'air.
Parfois, un volet commandé manuellement ou automatiquement par un thermostat, faisait
varier la circulation d'air selon la température du moteur et de l'extérieur.
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Avantages :
>>> Simplicité et faible coût de construction.
>>> Gain de poids.
>>> Peu de défaillances et d'entretien.
Inconvénients :
>>> Régulation de température imprécise.
>>> T° moyenne élevée, donc remplissage moins bon.
>>> Rendement, puissance et consommation moins favorables.
>>> Pollution moins maîtrisée.
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I.5.2 le refroidissement par eau
Circulation de l'eau par thermosiphon
L'eau chaude monte, l'eau froide descend : une circulation naturelle de
l'eau s'effectue avec les changements de température. Vitesse du fluide : 20 cm/s. Ce
système n'est évidemment plus compatible avec les performances des moteurs
automobiles actuels.
Le circuit scellé
Le vase d'expansion, en communication permanente
avec le radiateur, sert à absorber les variations de
volume du liquide dues à l'échauffement et au
refroidissement du moteur. Ainsi, il maintient un
niveau maxi constant dans le radiateur et empêche
la consommation de liquide de refroidissement
(moins d'entretien et sécurité de fonctionnement).
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Organe sécurité
Une sonde d'alerte placée sur une partie haute du moteur
permet l'allumage du témoin d'alerte du tableau de bord en
cas de surchauffe moteur.
Ce type de sonde peut également commander un de thermo
-mètre température d'eau situé au tableau de bord
La pompe a eau
La pompe à eau, entraînée par courroie, est généralement de
type centrifuge.
Sous l'effet de la force centrifuge, l'eau est chassée à la
périphérie de la roue, créant ainsi une dépression à l'entrée de
la pompe, au centre.
L'axe est décentré pour permettre une légère circulation d'eau
par thermosiphon après l'arrêt du moteur.
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Le radiateur
Il est chargé d'évacuer les calories
excédentaires dans l'atmosphère. L'eau
circule dans un faisceau tubulaire
qui est en contact avec des ailettes.
Ces ailettes servent à augmenter
considérablement la surface d'échange
thermique entre l'eau et l'air. La
surface frontale du radiateur est un
facteur important dans la dissipation
de la chaleur.
Le liquide de refroidissement
RÔLE >>> Il est l'agent de transport des calories du moteur vers
le radiateur.
QUANTITÉ >>> Les moteurs des véhicules de tourisme en contiennent
de 5 à 10 litres.
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COMPOSITION >>> On utilise maintenant des liquides prêts à l'emploi; ils
sont fabriqués à base d'ÉTHYLÈNE et de GLYCOL. Ils
contiennent également des additifs INHIBITEURS de
corrosion.
QUALITÉS >>> Protection contre le gel : de - 20 °C à - 35 °C selon la
composition.
>>> Ils supportent les températures très élevées.
>>> Ils protègent le circuit des corrosions diverses
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II. Les différents types de moteurs
II.1 Les moteurs à injection indirecte
L'application du moteur Diesel aux véhicules automobiles légers privilégie parfois le silence
de fonctionnement au détriment d'une légère surconsommation.
Pour satisfaire à ces conditions, les moteurs Diesel montés sur les voitures étaient, jusqu'à un
passé récent, de type à chambre divisée (injection indirecte).
Deux principes sont utilisés : les préchambres et les chambres de turbulence.
Avec préchambre Avec chambre de turbulence
Dans ces deux cas, la combustion se déroule dans deux volumes séparés : une chambre,
représentant 30 à 60% du volume total, qui reçoit l'injection du carburant et où s'amorce
la combustion, et une chambre principale dans laquelle elle s'achève.
L'injection du carburant dans ce petit volume relativement chaud permet de réduire le
délai d’allumage du combustible. Seule la quantité minimum de combustible nécessaire
à l'amorçage de la combustion s'enflamme, le reste se trouve chassé de la préchambre
par l'augmentation de pression et la combustion se poursuit dans la chambre principale.
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Les moteurs à injection indirecte remplissent les conditions requises pour son d'émissions de
NOx.
Le second choc pétrolier en 1973 et les normes de dépollution toujours plus sévères ont
amené les constructeurs à repenser le moteur Diesel en termes d'économie et de faible
pollution.
II.2 Les moteurs à injection directe
Le moteur à injection directe s'impose pour son rendement supérieur à ceux des moteurs à
injection indirecte.
En effet, le rapport entre la surface et le volume de la chambre de combustion est nettement
plus faible pour un moteur à chambre à espace mort unique (injection directe) que pour un
moteur à préchambre (injection indirecte) ; de plus, la durée de la combustion est plus
courte dans un moteur à injection directe.
Ces deux paramètres diminuent les échanges thermiques entre la chambre de combustion et
le système de refroidissement, facteurs de perte de rendement.
Les problèmes liés à l'injection directe sont de deux ordres : bruits de combustion et
émission d'oxyde d'azote(NOx).
L'apparition de la régulation électronique dans les systèmes d'injection a permis de stabiliser
et d'affiner les réglages de base, tant au niveau du moment d'injection que du débit de
combustible.
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Ces différents systèmes d'injection mécaniques par pompe distributrice, régulés ou non de
manière électronique, présentent comme caractéristique commune la variation de la
pression d'injection en fonction de la vitesse de rotation du moteur.
Cette variation de pression d'injection rend difficile une maîtrise totale de la combustion.
Le moteur à injection directe
Le système d'injection à rampe commune s'affranchit de cette contrainte.
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III. le circuit d'alimentation
III.1 Pompe d'alimentation
À une pression inférieure à 0,8 bars, le clapet de sécurité est fermé. Le carburant passe au
travers d'un ajutage afin de permettre la lubrification et le refroidissement de la pompe.
À une pression supérieure à 0,8 bars, le clapet décolle de sa portée et permet l'alimentation en
carburant des éléments de pompage.
La lubrification et le refroidissement de la pompe sont maintenus.
Composition :
1 : désactivateur du troisième piston ;
2 : chambre ;
3 : sortie haute pression ;
4 : entrée basse pression ;
5 : retour au réservoir.
la pompe d'alimentation
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La pompe est entraînée par la distribution du moteur (coefficient d'entraînement : 0,5
environ).
Elle est composée de trois pistons radiaux, décalés de 120°, qui fournissent à la rampe une
quantité suffisante de carburant à une pression déterminée.
Ce type de pompe absorbe un couple d'entraînement compris entre 18 et 20 Nm, soit
1/9 du couple d'entraînement d'une pompe distributrice ; de plus la traction est plus
régulière.
La pompe doit pouvoir fournir le débit souhaité par le calculateur sous une pression
variant de 2 bars à 1 400 bars.
Composition :
1 : arbre excentrique
2 : came d’entraînement
3 : piston
4 : clapet de refoulement à bille
5 : clapet d’aspiration.
III.2 L'élément filtrant
Un élément thermostatique intégré au filtre permet la dérivation du gazole vers le
réchauffeur.
Un régulateur maintient la pression d'alimentation constante.
Certains constructeurs placent la régulation basse pression à l'extérieur du filtre.
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Composition :
1 : retour réservoir
2 : sortie vers pompe HP
3 : entrée du filtre
4 : entrée du gazole réchauffé
5 : départ vers le boîtier de sortie d’eau
6 : régulateur de basse pression
7 : élément thermostatique
.
III.3 les injecteurs
L'injecteur permet la pulvérisation du carburant dans la chambre de pression en dosant avec
précision le débit et le point d'avance.
Description
L'injecteur est composé de deux parties :
-la partie inférieure : c’est un injecteur à trous multiples, semblable aux injecteurs
classiques montés sur les moteurs à injection directe
- la partie supérieure : c’est un dispositif à commande électrique qui permet la commande de
l'aiguille.
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Composition :
1 : raccord d’entrée de pompe 12 : bobine
2 : raccord de retour au réservoir 13 : ressort de rappel
3 : filtre tige 14 : connecteur
4 : aiguille d’injecteur 15 : écrou
5 : chambre de pression
6 : ressort d’injecteur
7 : tige de liaison
8 : chambre de commande
9 : ajutage du circuit d’alimentation
10 : ajutage du circuit de retour
11 : noyau de commande
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Conclusion
Les avantages et les inconvénients de moteur deux temps
Les avantages
Les moteurs « deux temps » permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par
cycle (un cycle moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un cycle moteur pour deux tours de
vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'étanchéité demeure difficile à assurer
et certains effets liés à l'emplacement des canaux de transfert de gaz (admission et
échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.
Les principaux avantages de ces moteurs sont :
une combustion à chaque tour moteur et une puissance spécifique
(puissance/cylindrée) très élevée, donc une puissance massique très élevée
une simplicité de construction (peu de pièces en mouvement)
un graissage des éléments en rotation quelle que soit l'inclinaison du moteur
des pertes par frottements internes nettement plus faibles que sur un 4 temps
(vilebrequin sur roulements, pas de distribution à entrainer, pas de segment racleur,
régime nettement plus faible à puissance équivalente fournie)
un caractère moteur très expressif, qui fonctionne de mieux en mieux à l'approche de
son régime maxi. Tout l'opposé du quatre temps qui semble forcer et vouloir éjecter
ses composants dans ce cas
à puissance égale une fiabilité supérieure au quatre temps qui doit tourner beaucoup
plus vite, ce qui est mis en évidence en comparant la NR500 Honda de grand prix
des années 80 aux 500 deux temps de l'époque.
un transfert de chaleur au système de refroidissement du moteur plus faible par rapport
aux moteurs a quatre temps, donc une meilleure efficacité du point de vue du cycle
thermodynamique.
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Les inconvénients
Les principaux inconvénients des moteurs deux temps sont :
Une plus forte consommation spécifique :
Due à la partie de gaz imbrûlés qui sont rejetés hors du moteur durant la phase de
transfert. Pour y remédier, une injection directe permet de faire pénétrer une dose
précise de carburant, dans la chambre de combustion transferts fermés.
Un pot d'échappement accordé dit pot de détente permet d'éviter la perte par
l'échappement et fait profiter au remplissage d'un effet « compresseur » en gavant le
cylindre avant la fermeture de la lumière d'échappement dans sa plage d'accord. Une
valve à l'échappement étend cette plage, soit en diminuant la hauteur de la lumière
d'échappement, ou en faisant communiquer avec le pot une chambre qui va abaisser la
fréquence de résonance de ce dernier. L'injection d'eau dans le pot ( le refroidir) le fait
s'accorder plus bas. La diminution de l'avance à l'allumage le fait chauffer et s'accorder
plus haut (la vitesse des ondes étant proportionnelle à la température du pot).
Une usure plus rapide due à la partie supérieure de la (des) lumière d'échappement qui
torture les segments lors de leur passage : ils y subissent des contraintes différentes et
importantes, compensée par une vitesse de rotation plus faible à puissance égale.
La lubrification est réalisée par mélange (1,5 à 3 % d'huile dans l'essence) ou graissage
séparé par pompe avec injection d'huile directement dans les roulements parfois
(Suzuki). Les huiles modernes brulent quasi complètement lors de la combustion,
cependant la pollution est due aux hydrocarbures imbrulés, liés à la simultanéité du
transfert, du mélange air/carburant vers le haut du cylindre, et de l'échappement.
Faible frein moteur.