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Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique   Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique


Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique
                                                                                                                                 SUPPORT DE COURS MOTEUR THERMIQUE

                         Université de Sousse                                                                          Module: MOTEUR THERMIQUE

                                                                                                                       Spécialité : 2ème Année LICENCE ELECTROMECANIQUE

                                                                                                                       Enseignant : FRIJA MOUNIR

                                                                                                                       Grade         : ASSISTANT EN GENIE M
                                                                                                                                                          MECANIQUE

                                                                                                                       Objectifs
       Institut Supérieur des Sciences                                                                                     •    Fournir aux étudiants(es) des techniques propres à l'évaluation et à l'identification des
                                                                                                                                éléments constitutifs du moteur et énoncer leurs fonctions.
       Appliquées et de Technologie de
                                                                                                                           •    Fournir aux étudiants(es) les outils pour Analyser et comprendre le bilan énergétique d'un
                   Sousse                                                                                                       moteur thermique
                                                                                                                           •    Comprendre le fonctionnement général des moteurs à combustion interne Diesel et
                                                                                                                                Essence
                                                                                                                           •    Identifier les différents circuits dans un moteur thermique (Le circuit de graissage, le
                                                                                                                                                                                                 (Le
                                                                                                                                circuit de combustible, le circuit de réfrigération et le circuit d'air)

                                    MOTEUR                                                                                 •    Initier les étudiants(es) à la technologie des moteurs thermiques. Les étudiants(es) auront
                                                                                                                                                                                                   .
                                                                                                                                l'occasion de mettre en pratique la théorie vue au cours dans le cadre d'exercices .



                            THERMIQUE


          Niveau: 2ème année licence Appliquée
                   électromécanique



         Enseignant : Frija Mounir
Enseignant : Frija Mounir                                                                     Moteur Thermique




                                                         1                                                                                                                      2
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique

                                                                                                                                                                                            Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique

                                                                 TABLE DES MATIERES
TABLEAU SYNOPTIQUE
                                                                                                                                                                                                                   TABLE DES MATIERES DETAILLEE
Le tableau ci-dessous représente l'ensemble des matières abordées. Pour voir en détail l'intégralité des thèmes étudiés
dans le cours, vous trouverez ci-dessous la table des matières détaillée.
                                                                                                                                                                                                     Chapitre I. GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES
                                             Chapitre II.                                               Chapitre IV. LES CIRCUITS ANNEXES
             Chapitre I.
                                     ARCHITECTURE ET               Chapitre III. BILAN ENERGETIQUE      POUR UN MOTEUR THERMIQUE A
    GENERALITES SUR LES
    MOTEURS THERMIQUES
                                  COMPOSITION D’UN MOTEUR            D’UN MOTEUR THERMIQUE              COMBUSTION INTERNE                                  Annexes
                                        THERMIQUE                                                                                                                                                    I.1. Introduction
I.2.     Moteurs à combustion Introduction                                                                 IV. 1.       Circuit d’alimentation et de ANNEXE1 : COURBES ET RELATIONS
interne (Moteurs alternatifs)     1. LES ORGANES FIXES
I.3. Analyse fonctionnelle d’un A. Le bloc-moteur
                                                                  III.1. Introduction                      carburation
                                                                  III.2. BILAN ENERGETIQUE D’UN IV.1.1. CIRCUIT DE CARBURANT
                                                                                                                                                        CARACTERISTIQUES DU MOTEUR                   I.2. Moteurs à combustion interne (Moteurs alternatifs)
                                                                                                                                                        THERMIQUE
moteur à combustion interne
I.4.
                                  B. La culasse
        Définition des différents C. Le joint de culasse
                                                                  CYCLE A 4 TEMPS D’UN MOTEUR A IV.1.2. Injection Essence
                                                                  ALLUMAGE COMMANDE                                                                     ANNEXE2 : COURBES ISOCONSOMMATION            I.3. Analyse fonctionnelle d’un moteur à combustion interne
                                                                                                           IV.1.3. Injection Diesel
                                                                                                                                                        ANNEXE3 : ECHELLE DE PUISSANCE
types de moteurs à combustion D. Le carter inférieur
interne                           E. Les joints
                                                                  III.2.1. RENDEMENT GLOBAL DU IV. 2. Circuit d’allumage
                                                                  MOTEUR
                                                                                                                                                                                                     I.4. Définition des différents types de moteurs à combustion interne
                                                                                                           IV.2.1.     PRINCIPES       PHYSIQUES     DE ANNEXE4 : POT CATLYTIQUE
 I.5.   Interrelations du moteur 2. LES ORGANES MOBILES
thermique                         A. Le piston - Les segments
                                                                  III.2.2. RENDEMENTS PARTIELS
                                                                  III. 3. Principaux cycles du moteur à
                                                                                                           L’ALLUMAGE                                   ANNEXE5 : Combustion                          I.5. Interrelations du moteur thermique
                                                                                                           IV.2.2. AVANCE A L'ALLUMAGE ET ANNEXE6 : Valeo propose une baisse de 40%
I.6. Architecture générale d’un B. La bielle                      combustion interne
moteur thermique (Moteur à C. Le vilebrequin                      III.3.1.     Description    du     cycle
                                                                                                           PARAMETRE          DE      FONCTIONNEMENT du CO2 sur moteur essence                                      Les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à
Essence)                          D. Le volant moteur             thermodynamique                          MOTEUR                                       ANNEXE7 : RAPPEL THERMO
I.7. Classification des moteurs E. La distribution                III. 4. Représentation de l’évolution de IV.2.3. APPROCHE EXTERNE DU SYSTEME ANNEXE8 : SURALIMENTATION                                     combustion interne
I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux I. Les soupapes                   la pression dans la chambre de D'ALLUMAGE                                             ANNEXE 09: WASTE GATE
de compression variable           3. Les organes annexes          combustion en fonction de la variation IV.2.4. PRINCIPES DE L'ALLUMAGE.
                                                                                                                                                        ANNEXE 10 : INTERCOOLER
                                                                                                                                                                                                     I.6. Architecture générale d’un moteur thermique (Moteur à Essence)
I.9. Moteur WANKEL à piston 4. Description détaillée et de position angulaire du vilebrequin - IV.2.5. Gestion de l'énergie
rotatif                           nomenclature       d’un  moteur Travail du cycle et pression moyenne IV.2.6. Réalisations technologiques des ANNEXE 11 : Mesure de compression moteur              I.7. Classification des moteurs
I.10.                  Dimensions thermique                       III.5. Cycle BEAU DE ROCHAS & OTTO systèmes d'allumage.
caractéristiques d’un moteur                                      III.6.      Cycle      thermodynamique IV.2.7. Aspects de la bougie d’allumage                                                             I.7.1. Classification selon la disposition des cylindres
                                                                  théorique d’un moteur 4 Temps IV. 3. Circuit de refroidissement (circuit de
                                                                  suralimenté par un turbocompresseur réfrigération)                                                                                         I.7.2. Classification selon les cycles
                                                                                                           IV. 4. Le circuit de graissage
                                                                                                           IV. 5. Circuit électrique de démarrage et de                                                             a. Les moteurs à cycle 4 temps
                                                                                                           charge
                                                                                                           IV. 6. Le circuit d'air (les collecteurs                                                                 b. Les moteurs à cycle 2 temps
                                                                                                           admission & échappement)
                                                                                                                                                                                                                    c. Les moteurs à cycle 5 temps
                                                                                                                                                                                                     I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux de compression variable
                                                                                        3                                                                                                            I.9. Moteur WANKEL à piston rotatif
                                                                                                                                                                                                     I.10. Dimensions caractéristiques d’un moteur
                                                                                                                                                                                                                    a. La cylindrée
                                                                                                                                                                                                                    b. Rapport volumétrique
                                                                                                                                                                                                                    c. Le couple moteur, la puissance maximale, la puissance
                                                                                                                                                                                                             fiscale
                                                                                                                                                                                                                    d. La consommation spécifique d'un moteur
                                                                                                                                                                                                                    e. Vitesse moyenne du piston

                                                                                                                                                                                               Chapitre II. ARCHITECTURE                                          ET      COMPOSITION                  D’UN
                                                                                                                                                                                            MOTEUR THERMIQUE
                                                                                                                                                                                                                       0.       Introduction
                                                                                                                                                                                                                       1.       LES ORGANES FIXES
                                                                                                                                                                                                                                A.    Le bloc-moteur
                                                                                                                                                                                                                                B.    La culasse
                                                                                                                                                                                                                                C.    Le joint de culasse
                                                                                                                                                                                                                                D.    Le carter inférieur
                                                                                                                                                                                                                                E.    Les joints
                                                                                                                                                                                                                       2.       LES ORGANES MOBILES
                                                                                                                                                                                                                                A.    Le piston - Les segments
                                                                                                                                                                                                                                B.    La bielle
                                                                                                                                                                                                                                C.    Le vilebrequin
                                                                                                                                                                                                                                D.    Le volant moteur



                                                                                                                                                                                                                                                     4
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique   Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique



                              E.     La distribution                                                                                                               IV.2.5. Gestion de l'énergie
                              F. Les soupapes                                                                                                                      IV.2.6. Réalisations technologiques des systèmes
                        3. Les organes annexes                                                                                                                     d'allumage.
                        4. Description détaillée et nomenclature d’un moteur                                                                                       IV.2.7. Aspects de la bougie d’allumage
                                                                                                                                                           IV. 3. Circuit de refroidissement (circuit de réfrigération)
                  thermique
                                                                                                                                                           IV. 4. Le circuit de graissage
                                                                                                                                                           IV. 5. Circuit électrique de démarrage et de charge
Chapitre III. BILAN ENERGETIQUE D’UN MOTEUR THERMIQUE                                                                                                      IV. 6. Le circuit d'air (les collecteurs admission &
                                                                                                                                                           échappement)
                        III.1. Introduction
                        III.2. BILAN ENERGETIQUE D’UN CYCLE A 4 TEMPS D’UN                                             ANNEXES
                  MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE
                                                                                                                                                           ANNEXE1 : COURBES ET RELATIONS
                                 III.2.1. RENDEMENT GLOBAL DU MOTEUR                                                                                       CARACTERISTIQUES DU MOTEUR THERMIQUE
                                 III.2.2. RENDEMENTS PARTIELS                                                                                              ANNEXE2 : COURBES ISOCONSOMMATION
                        III. 3. Principaux cycles du moteur à combustion interne                                                                           ANNEXE3 : ECHELLE DE PUISSANCE
                                 III.3.1. Description du cycle thermodynamique                                                                             ANNEXE4 : POT CATLYTIQUE
                                          a)    Le cycle théorique                                                                                         ANNEXE5 : COMBUSTION
                                          b)    Cycle réel                                                                                                 ANNEXE6 : Valeo propose une baisse de 40% du CO2 sur
                                          c) Cycle réel après réglage (AOA, RFA, AA,                                                                       moteur essence EGR
                                 AOE, RFE)                                                                                                                 ANNEXE7 : RAPPEL THERMO
                        III. 4. Représentation de l’évolution de la pression dans la                                                                       ANNEXE8 : SURALIMENTATION (TURBOCOMPRESSEUR)
                                                                                                                                                           ANNEXE 09 : WASTE GATE
                  chambre de combustion en fonction de la variation de position
                                                                                                                                                           ANNEXE 10 : INTERCOOLER
                  angulaire du vilebrequin - Travail du cycle et pression moyenne
                                                                                                                                                           ANNEXE 11 : MESURE DE COMPRESSION MOTEUR
                        III.5. Cycle BEAU DE ROCHAS & OTTO
                        III.6. Cycle thermodynamique théorique d’un moteur 4
                  Temps suralimenté par un turbocompresseur

Chapitre IV. LES CIRCUITS ANNEXES POUR UN MOTEUR
THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE

                                    IV. 1. Circuit d’alimentation et de carburation
                                           IV.1.1. CIRCUIT DE CARBURANT
                                                   A) SYSTEME D’INJECTION CLASSIQUE
                                                   B) INJECTION HAUTE PRESSION A RAMPE
                                           COMMUNE
                                                   C) INJECTEUR POMPE
                                           IV.1.2. Injection Essence
                                           IV.1.3. Injection Diesel
                                    IV. 2. Circuit d’allumage
                                           IV.2.1. PRINCIPES PHYSIQUES DE L’ALLUMAGE
                                           IV.2.2. AVANCE A L'ALLUMAGE ET PARAMETRE DE
                                           FONCTIONNEMENT MOTEUR
                                           IV.2.3. APPROCHE EXTERNE DU SYSTEME
                                           D'ALLUMAGE
                                           IV.2.4. PRINCIPES DE L'ALLUMAGE.




                                                         5                                                                                                                      6
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                                                                                                                         Chapitre I. GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES
                                                                                                                                         I.1. Introduction

                                                                                                                                Les machines thermiques sont représentées par le synoptique ci-dessous :




                     Chapitre I.
                 GENERALITES SUR
                   LES MOTEURS
                   THERMIQUES                                                                                                 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 (I' 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...




                                                         7                                                                                                                      8
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                  I.2. Moteurs à combustion interne (Moteurs alternatifs)                                              dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports où ils se sont
                                                                                                                       particulièrement développés en raison de leurs avantages : bon rendement, compacité
        La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable et                               fiabilité... , ceci explique l'extension qu'on pris de nos jours l'industrie des moteurs et
elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d' un gaz qui remplit cette
  lle                                                                                                                  l'ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du monde.
chambre (ce gaz est d'ailleurs initialement composé du combustible et du comburant : air).
Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée s ur un piston, force qui
                                                                sur                                                             I.3. Analyse fonctionnelle d’un moteur à combustion interne
transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation d'arbre
(vilebrequin).




                                     Fig. 1.1. Moteur Renault 1.5 l dCi

      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
                                                                   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
                                                          arburant
l'injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l'air,
  injecte
préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s'enflamme spontanément. Ces
moteurs sont appelés moteur Diesel
                            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



                                                         9                                                                                                                     10
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         I.4. Définition des différents types de moteurs à combustion interne                                              I.5. les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à
                                                                                                                       combustion interne
                                                                                                                       Étudions les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à combustion interne :




         I.5. Interrelations du moteur thermique




                                                        11                                                                                                                     12
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I.6. Architecture générale d’un moteur thermique (Moteur à Essence)                                                    I.7. Classification des moteurs
                                                                                                                                La classification des moteurs thermiques peut être faite suivants les critères
                                                                                                                                suivants :
                                                                                                                                Classification d'après le combustible utilisé
                                                                                                                                D'après le cycle
                                                                                                                                D'après le mode d'admission d'air
                                                                                                                                D'après le mode d'inflammation du combustible
                                                                                                                                D'après le mode de formation du mélange gazeux
                                                                                                                                D'après la disposition des cylindres
                                                                                                                                D'après la vitesse de rotation
                                                                                                                                   I.7.1. Classification selon la disposition des cylindres
                                                                                                                                 On va s’intéresser dans cette partie à la classification selon la disposition
                                                                                                                           des cylindres. On trouve le plus couramment :

                                                                                                                                - Moteur en ligne (vertical, horizontal, incliné),

                                                                                                                                - Moteur en V,

                                                                                                                                - Moteurs à plat, à cylindres opposés horizontaux.




                                                                                                                       Dispositions particulières pour des utilisations spéciales ( ex : aéronautique)




                                                        13                                                                                                                     14
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                                                        15                                                                                                                     16
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                                                                                                                            Autres configurations (Moteur à pistons opposés et cylindres opposés)

                                                                                                                              Les moteurs à cylindres opposés sont bien connus (VW Coccinelle, Porsche, Citroën 2
                                                                                                                       CV et GS, Alfa Romeo Alfasud et 33, Subaru, Ferrari Testarossa, etc), ceux à pistons opposés
                                                                                                                       un peu moins – bien qu’ils existent depuis la fin du 19ème siècle. Combiner les deux n’avait
                                                                                                                       apparemment jamais été fait, mais pour celui qui fut l’ingénieur en chef responsable du
                                                                                                                       premier diesel de VW comme du très original VR6, Peter Hofbauer, ce n’était qu’une
                                                                                                                       innovation de plus.

                                                                                                                       Le concept OPOC reprend la configuration d’un moteur à pistons opposés monovilebrequin
                                                                                                                       telle qu’elle fut appliquée entre autres par Gobron-Brillé pour des automobiles (4 temps à
                                                                                                                       allumage commandé), CLM, Lancia (camion RO, diesel 2-temps licence Junkers) et Doxford
                                                                                                                       (diesels 2-temps marins lents). Alors que tous ces moteurs étaient à cylindres en ligne, l’idée
                                                                                                                       novatrice est de les monter horizontalement en opposition, ce qui permet un équilibrage
                                                                                                                       total avec une seule paire de cylindres.




                                                                                                                                    I.7.2. Classification selon les cycles

                                                                                                                                                  a. Les moteurs à cycle 4 temps
                                                                                                                                                                    Moteur Essence

                                                                                                                       - Admission: La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air (moteur à
                                                                                                                       injection) – ou le mélange carburé – par la soupape d'admission ouverte. L'essence est
                                                                                                                       injectée (moteur à injection). La soupape ne se referme que lorsque le piston remonte déjà
                                                                                                                       car la colonne gazeuse, emportée par son inertie continue d'affluer dans le cylindre.



                                                        17                                                                                                                     18
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- Compression: Le mélange est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux                                  - Echappement: Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de
soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent                                 combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce
respectivement plus de 400°C et 10 à 15 bars.                                                                          dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape
                                                                                                                       d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement
- Combustion: Le mélange est enflammé par une étincelle produite par la bougie. La                                     qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est
combustion produit une forte élévation de la température et de la pression. La flamme peut                             utile parce que leur large ouverture nécessite un certain temps; il permet un certain balayage
se propager jusqu'à plus de 100m/sec avec une température de 2000 voire 2500°C. La                                     de la chambre de combustion et un meilleur remplissage.
pression atteignant couramment 60 bars repousse violement le piston. La soupape
d'échappement commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le                                         En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme
cylindre et faciliter le retour du piston.                                                                             de gazole nécessite 14,4 gr d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections
                                                                                                                       perfectionnées, les microgouttelettes de carburant ne peuvent être pulvérisées suffisamment
- Echappement: Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de
                                                                                                                       finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre englobe plus de
combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce
                                                                                                                       70000 milliards de molécules ! On est donc contraint d'adopter une combustion sous un
dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape
                                                                                                                       important excès d'air par rapport à la valeur théorique de 14.4:1, ceci afin d'obtenir une
d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement
                                                                                                                       consommation, des contraintes thermiques et des émissions de fumée à l'échappement
qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est
                                                                                                                       acceptables.
utile parce que leur ouverture totale nécessite un certain temps; il permet un meilleur
remplissage, particulièrement à haut régime.
                                                                                                                               Sur un diesel, contrairement à un moteur à allumage commandé (moteur à essence)
       En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme                                   la quantité d'air admise est constante quelle que soit la charge et seule la quantité de fuel
d'essence nécessite 14,7 grammes d'air (proportion stœchiométrique). Si le rapport                                     injecté varie. Il n'y a donc pas de papillon d'admission. Le coefficient d'excès d'air de
air/essence est inférieur à 14,7 :1, le mélange est dit "riche"; les émissions de CO et                                combustion diminue avec la charge et la valeur minimum acceptable de ce coefficient limite
                                                                                                                       la pression moyenne et le couple développé. La turbo suralimentation permet d'augmenter la
d'imbrûlés sont accrues, les chambres de combustion s'encrassent et les parois des                                     masse d'air admise et de brûler plus de fuel à coefficient d'excès d'air identique, voire
cylindres peuvent être lessivées. A l'inverse, si le rapport air/essence est supérieur à                               supérieur. Le diesel suralimenté peut conserver un taux de compression suffisamment élevé
14,7:1, le mélange est dit "pauvre". La propagation de la flamme est ralentie et la                                    pour que son rendement thermodynamique ne chute guère, contrairement au moteur à
combustion peut aller jusqu'à se poursuive pendant toute la phase d'échappement ce                                     essence qui est soumis aux limites de détonation et de cliquetis.
qui provoque des contraintes thermiques anormales, particulièrement sur les
soupapes d'échappement. La fourchette admissible se situe entre 12:1 et 15:1.
                                                                                                                                                    Gamme des moteurs Diesel
                                             Moteur Diesel

- Admission: La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air par la soupape
d'admission ouverte (moteur à aspiration naturelle). Toutefois, la quasi-totalité des diesels
sont aujourd'hui turbo suralimentés et dans ce cas l'air est donc refoulé sous pression dans
le cylindre.

- Compression: L'air est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux
soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent des
valeurs de 600 à 700°C sous 50 à 60 bars car le taux de compression (rapport des volumes
cylindre+chambre de combustion au PMB et PMH) d'un diesel est beaucoup plus élevé que
celui d'un moteur à essence. L'injection du gazole commence en fin de compression et le
combustible s'enflamme spontanément après un délai que l'on s'efforce de réduire au
minimum. En effet, pendant ce délai, le gazole continue d'être injecté et plus il y a de
carburant dans la chambre lors de l'inflammation, plus l'augmentation de pression sera
brutale. Le délai diminue avec la température en fin de compression et c'est pourquoi les
diesels claquent à froid.

- Combustion: L'injection continue encore jusqu'à une vingtaine de degrés de vilebrequin
après le PMH. La température monte à ~ 2000 °C. Une pression pouvant dépasser les
150 bars chasse le piston vers le point mort bas (PMB). La soupape d'échappement
commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le cylindre et faciliter
le retour du piston.




                                                        19                                                                                                                     20
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                                                                                                                                Critique du moteur diesel
                                                                                                                        AVANTAGES

                                                                                                                       - Meilleur rendement : grâce à l'augmentation du rapport volumétrique la combustion est
                                                                                                                       plus complète et la consommation spécifique est réduite (en moyenne de 200 g/kW/h
                                                                                                                       contre 330 g/kW/h pour le moteur à essence).

                                                                                                                       - Le couple moteur est plus important et reste sensiblement constant pour les faibles
                                                                                                                       vitesses.

                                                                                                                       - Le combustible bon marché.

                                                                                                                       - Les risques d'incendie sont moindres car le point d'inflammation du gazole est plus élevé
                                                                                                                       que celui de l'essence.

                                                                                                                       - Les gaz d'échappement sont moins toxiques car ils contiennent moins d'oxyde de carbone.

                                                                                                                         INCONVENIENTS

                                                                                                                       - Les organes mécaniques doivent être surdimensionnés.

                                                                                                                       - Le bruit de fonctionnement est élevé.

                                                                                                                       - La température dans les chambres de combustion est élevée ce qui implique un
                                                                                                                       refroidissement plus délicat.

                                                                                                                       - L'aptitude au démarrage à froid est moins bonne qu'un moteur à allumage commandé.

                                                                                                                                                  b. Les moteurs à cycle 2 temps
                                                                                                                                Moteur Essence




    COMPARAISON ENTRE CYCLE D’UN MOTEUR A ESSENCE ET CYCLE D’UN MOTEUR DIESEL A
                                  QUATRE TEMPS




                                                        21                                                                                                                     22
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    Un moteur à deux temps comporte des pistons qui se déplacent dans des                                                        •   En remontant (image « Compression »), le piston compresse le mélange dans le
cylindres. Le déplacement du piston, par l'intermédiaire de lumières entre la partie                                                 cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement (2) et l'entrée de mélange dans
basse du carter et la partie haute du cylindre permet d’évacuer les gaz brulés et                                                    le cylindre (3), tout en créant une dépression dans le carter (4) qui va permettre
remplir le cylindre de gaz frais.                                                                                                    l'arrivée du mélang air-essence par le conduit d'arrivée (6) dont l'entrée a été
                                                                                                                                                  mélange       essence
                                                                                                                                     libérée par la position du piston proche du point mort haut. Cette étape est celle
   Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du cycle de Beau
                                                                                                                                     de « compression ».
de Rochas en ayant seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de
quatre, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression,                                                            •   Une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir
combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. Nous avons ainsi un                                                   du premier point.
cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le moteur à quatre temps.
Le cycle se décompose :
                                                                                                                                Moteur Diesel
         •    Détente puis échappement et transfert du gaz combustible frais
         •    Compression + combustion et admission dans la partie basse du moteur


         En voici les différentes étapes en détail :

          •   Dans un premier temps (image « Détente »), le piston (5) est au point mort haut.
              La bougie initie la combustion et le piston descend en comprimant en même
              temps le mélange présent dans le carter, sous le piston. C'est la partie motrice
              du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette
              étape est la détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée (6) du mélange
              dans le carter se ferme.




          •   Arrivé à proximité point mort bas (image « Admission et échappement »), le
              piston débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le
              cylindre (3) : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de la
              combustion (zone 1 sur l'image). Il s'agit de l'étape d'admission - échappement.




                                                        23                                                                                                                     24
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                           c. Les moteurs à cycle 5 temps


Le moteur cinq temps est un moteur à combustion interne inventé par le
belge Gerhard Schmitz. Des brevets existent depuis plusieurs années et des
recherches en cours au sein d'une entreprise Anglaise (Ilmor) s'y intéresse de
près.
Ilmor Engineering, société partenaire de Mercedes-Benz en F1, a présenté un
prototype très innovant de moteur 3 cylindres 700 cm3 turbocompressé à injection
indirecte.

l'originalité du moteur Ilmor par rapport à d'autres brevets de moteur à 5 temps qui
ont pu déjà être déposés est de fonctionner grâce à deux types de cylindres. Sur le
prototype trois cylindres, deux ont un fonctionnement à quatre temps tandis que le
troisième, en position centrale, a une capacité plus importante et utilise les gaz
brûlés des deux autres cylindres pour travailler. Le cylindre central fonctionne donc
sans combustion et comprend deux temps : l'admission, accompagnée de la
production de travail, et l’échappement. Nous avons donc bien 5 temps enchainés
comme suit :

1 : L’admission mélange air essence (dans les deux pistons)
2 : La compression du mélange (dans les deux pistons)
3 : La combustion- détente (dans les deux pistons)
4 : L’échappement (dans les deux pistons classiques) et l’admission-détente (dans le
piston central)
5 : L’échappement (dans le piston central)




                                                        25                                                                                                                     26
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I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux de compression variable                                                                       La chambre de combustion inchangée et la cinématique invariable et
                                          http://www.mce-5.com/                                                        conventionnelle du piston du MCE-5 permettent de valoriser les savoir-faire des
                                                                                                                       motoristes relatifs à la maîtrise de la combustion et des performances.
                                                                                                                       Le MCE-5 assure un contrôle continu et réactif du taux de compression de chaque
                                                                                                                       cylindre du moteur. Sa large plage de contrôle du taux de compression comprise
                                                                                                                       entre 7:1 et 20:1 peut servir sans aucune limitation toutes les stratégies VCR.

                                                                                                                              Grâce à ses engrenages à longue durée de vie et à son piston guidé sur
                                                                                                                       roulement qui ne subit plus ni slap ni effort radial, le MCE-5 garantit une solidité et
                                                                                                                       une fiabilité exceptionnelle aux moteurs VCR fortement chargés sur des kilométrages
                                                                                                                       élevés. De ce fait, le MCE-5 répond à l’un des plus grands défis des moteurs à forte
                                                                                                                       densité de puissance et de couple : la durabilité. La robustesse élevée du bloc
                                                                                                                       moteur VCR MCE-5 provient également de la rigidité de son vilebrequin et de sa
                                                                                                                       structure, qui offrent aux paliers hydrodynamiques un environnement géométrique
                                                                                                                       optimal, garant d’une longue durée de vie.Le bloc moteur VCR MCE-5 ne présente
                                                                                                                       pas d’impact négatif sur les autres composants du moteur ou du véhicule : son
                                                                                                                       raccordement au conduit d’échappement ou à la transmission s’effectue exactement
                                                                                                                       comme s’il s’agissait d’un moteur classique.




 La plupart des constructeurs automobile partagent le même avis : le taux de
compression variable (en anglais Variable Compression ratio ou VCR), est la solution
la plus efficace pour réduire la consommation des moteurs essence, tout en ouvrant
la voie à un ensemble de stratégies décisives pour le futur.

      En mars 2000, Saab a présenté au motorshow de Genève un premier
véhicule prototype à Taux de Compression Variable (VCR). Ce véhicule est équipé
d’un moteur VCR suralimenté de 1.6 L appelé SVC (pour Saab Variable
Compression), dont la puissance est de 168 kW (228 ch), le couple de 305 Nm, et
qui présente une consommation réduite de 30% par rapport à un moteur
atmosphérique conventionnel aux performances identiques.

       Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et
des engrenages à longue durée de vie. Technologie VCR unique, le MCE-5 est un
bloc moteur tout-en-un qui intègre à la fois la transmission de la puissance et le
contrôle du taux de compression.




                                                        27                                                                                                                     28
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                                                                                                                       I.9. Moteur WANKEL à piston rotatif
                                                                                                                                Le moteur rotatif WANKEL est le résultat d'une importante d'étude menée de
                                                                                                                       1945 à 1954 par l'ingénieur WANKEL sur les différentes solutions de moteur
                                                                                                                       rotatif. En conclusion, il estima que la meilleure était de faire travailler en moteur, le
                                                                                                                       compresseur rotatif réalisé par Bernard Maillard en 1943.




                                                                                                                                                               Fig. Moteur à piston rotatif

                                                                                                                                    a) Avantage :

                                                                                                                               Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel. Du fait
                                                                                                                       qu'il ne transforme pas de mouvement linéaire en rotation, il déplace moins de
                                                                                                                       pièces, donc moins d'inertie, ce qui lui permet d'atteindre des régimes très élevées.
                                                                                                                       (En théorie max. 18000 tr/min
                                                                                                                                              tr/min).

                                                                                                                                 Moins de pièces permettent de faire des montées en régimes très rapide.

                                                                                                                                 Moins de pièces est égale à moins de poids.


                                                        29                                                                                                                     30
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           La plage d'utilisation commence dès les premiers tours et s'étend jusqu'à la                                I.10. Dimensions caractéristiques d’un moteur
rupture.
                                                                                                                       Les moteurs thermiques à combustion interne se caractérisent par:
             b) Inconvénients :
                                                                                                                       L’alésage, la course, la cylindrée, le rapport volumétrique, le couple moteur, la
         Consommation en essence excessive.                                                                                              puissance maximale, la puissance fiscale.
           Frein moteur pratiquement inexistant.

           Techniquement perfectible.




                                                                                                                                Alésage : Diamètre D du cylindre (mm)

                                                                                                                              Course : Distance C parcourue par le piston entre le Point Mort Haut (PMH) et le
                                                                                                                       Point Mort Bas (PMB) (mm)

                                                                                                                                R est le rayon de manivelle C= 2.R

                                                                                                                                    a) La cylindrée

                                                                                                                                Cylindrée unitaire : Volume balayé par le piston lors de la course C en (cm3)

                                                                                                                                                                                                 A = alésage en centimètres,
                                                                                                                                                                                                 C = course en centimètres,
                                                                                                                                                                                                 n = nombre de cylindres.
                                                                                                                                                                                                 Cu = cylindrée unitaire
                                                                                                                                                                                                 Ct = cylindrée totale


                                                        31                                                                                                                     32
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                                                                                                                                            Si ε croît, la pression de fin de compression croît.
         Cylindrée totale                                                                                                               c) le couple moteur, la puissance maximale, la puissance fiscale




Remarques : on exprime également la cylindrée en litres. 1 litre valant 1 000 cm3.
On peut dire, par exemple, qu'un moteur de 2 000 cm3 est un moteur de 2 litres.

On différencie également les moteurs selon leur rapport alésage/course :

      Alésage < course = moteur à course longue. // Alésage = course = moteur carré.
                              Alésage > course = moteur supercarré.

             b) Rapport volumétrique




Remarques importantes :

   Si V croît, v restant constant ε croît / Si v croit, V restant constant ε décroît.




                                                        33                                                                                                                     34
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                                                        35                                                                                                                     36
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             d) Vitesse moyenne du piston

La vitesse moyenne de piston V exprimée en m/s est donnée par :




Avec L : course du moteur (mm), N : vitesse de rotation (tr/min)

Vmp représente l’espace parcouru par le piston dans l’unité de temps.

Sa valeur maximale est limitée par les contraintes acceptables dues aux forces
d’inertie. Sa valeur est également liée à l’usure.



         Selon la valeur de Vmp au régime nominal on distingue :

                                             Moteurs rapides :

                            Moteurs de compétition essence : > 20 m/s
                                                                                                                                              Chapitre II.
                     Moteurs de traction automobile essence : 14 – 18 m/s                                                                 ARCHITECTURE
                       Moteurs de traction automobile Diesel : 12 –14 m/s

                           Moteurs de traction poids-lourds : 10 –12 m/s                                                                 ET COMPOSITION
                                         Moteurs semi-rapides :

                                                 Vmp :7-9m/s                                                                               D’UN MOTEUR
                                               Moteurs lents :

                                                 Vmp :6–8m/s
                                                                                                                                            THERMIQUE




                                                        37                                                                                                                     38
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                                                        39                                                                                                                     40
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                                                        41                                                                                                                     42
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                                                                                                                                                      LE BLOC - MOTEUR
                                                                                                                                                                  TEUR
1. LES ORGANES FIXES
                                                                                                                         On l'appelle également " BLOC CYLINDRES " ou " CARTER-CYLINDRES ".
                                                                                                                                                  BLOC-                        CYLINDRES



  A.     Le bloc-moteur                                     C'est "le châssis" du moteur: il comporte les                1. RÔLE
                                                            cylindres.
                                                                                                                             A.     Le bloc-moteur

                                                                                                                                    Il sert de support à tous les o ganes principaux (piston, vilebrequin,...) et aux o
                                                                                                                                                                  organes                                             organes
                                                                                                                                    annexes (démarreur, conduits,...).

  B.     La culasse                                         Elle sert de couvercle en haut des cylindres.                           C'est la pièce-maîtresse du moteur, le " châssis " de celui-ci.
                                                                                                                                                   maîtresse moteu
                                                            Souvent, elle comporte les chambres de
                                                            combustion, les bougies, les injecteurs, les                     B.     Le cylindre
                                                            conduits d'air (admission et échappement).
                                                                                                                                    - Il sert de glissière au piston.

                                                                                                                                    - Il contient les gaz et permet leur évolution.
                                                                                                                                    - Il détermine la cylindrée unitaire.



  C.     Le carter inférieur                                Il sert de réserve pour l'huile de graissage et              2. CARACTÉRISTIQUES ET QUALITÉS
                                                            participe également à son refroidissement.

                                                                                                                             A.     Le bloc-moteur
                                                                                                                                    - Il doit être rigide pour résister aux e
                                                                                                                                                                            efforts engendrés par la combustion.

                                                                                                                                    - Par conduction, il évacue une partie de la chaleur de la combustion.
                                                                                                                                    - Il doit résister à la corrosion due au liquide de refroidissement, si ce système a été retenu.


  D.     Les joints                                         Ils sont nombreux, le principal étant le joint de                B.     Le cylindre
                                                            culasse.
                                                                                                                                    Il doit avoir :

                                                                                                                                    - une bonne résistance aux frottements et à l'usure.
                                                                                                                                    - une bonne résistance aux chocs thermiques et à la déformation.
                                                                                                                                    - une grande précision d'usinage (cylindricité, perpendicularité...)


                                                          43                                                                                                                         44
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3. FABRICATION ET MATÉRIAUX UTILISÉS                                                                                        DÉSIGNATION                         SCHÉMAS                             CARACTÉRISTIQUES

    Le bloc est coulé et usiné. Il est :                                                                                                                                                        Fonte au nickel-chrome de bonne qualité.
                                                                                                                                                                                                                 chrome
                                                                                                                                                                                                Matériau facile à mouler
                                                                                                                                                                                                                       r.
    1. soit en fonte spéciale                                                                                              BLOC
                                                                                                                                                                                                Fonderie assez compliquée. Chambres
           C'est de la fonte G.S. (Graphite Sphéroïdale) qui possède une grande facilité de moulage et des                 NON     -      CHEMISÉ    Les                                        d'eau autour du cylindre. Peu de
           propriétés mécaniques équivalentes à celles de l'acier, sauf la soudabilité. Ses qualités sont                  cylindres   sont      usinés                                         problème d'étanchéité. Réparation
           améliorées par divers procédés :                                                                                directement dans le bloc.                                            par réalésage.
           NITRURATION:                 traitement thermochimique de durcissement superficiel par l'azote.
           CÉMENTATION:                 Durcissement superficiel par le carbone.
    2. soit en alliage d'aluminium (ALPAX)
           Caractéristiques de ce matériau :                                                                                                                                                    BLOC-FONTE
                                                                                                                                                                                                Fonte de qualité moyenne. Chemises
           - léger.                                                                                                             CHEMISE SÈCHE                                                   très dures.
                                                                                                                              Fourreaux de 2 à 3 mm
                                                                                                                             rapportés emmanchés à                                              Réparation en atelier spécialisé:
           - excellent conducteur thermique.
                                                                                                                                 force (presse) ou                                              échange des chemises.
           - bonne résistance à la corrosion.                                                                               contraction de la chemise                                           BLOC-ALUMINIUM
                                                                                                                                dans l'azote liquide                                            Chemises mises en place à la coulée.
           - fabrication facile: bonne moulabilité.                                                                                                                                             Échange des chemises impossible.
                                                                                                                                        (- 195°C).
                                                                                                                                                                                                Réalésage possible
4. DIFFÉRENTS TYPES DE BLOC-MOTEUR
           Voir document.

                                                                                                                           CHEMISE HUMIDE                                                       Fonte de qualité moyenne.
                                                                                                                           Fourreaux de 2 à 3 mm
5. DISPOSITION DES CYLINDRES                                                                                                                                                                    Fabrication facile.
                                                                                                                           rapportés emmanchés à
                                                                                                                           force (presse) ou
                                                                                                                                                                                                Réparation simple : échange des ensembles
           Voir document.                                                                                                  contraction de la chemise                                            chemises-pistons.
                                                                                                                           dans l'azote liquide
                                                                                                                                                                                                Étanchéité délicate.
                                                                                                                           (- 195°C).
6. FIXATION DU BLOC-MOTEUR
           Par silentblocs pour diminuer le bruit et les vibrations du véhicule.                                                                                                                Aucun risque de gel.
                                                                                                                           CHEMISE                                                              Gain de poids.
                                                                                                                           RAPPORTÉE                                                            Fabrication simple.
7. LE CARTER INFÉRIEUR                                                                                                     (Refroidissement à air)                                              Système économique : pas de radiateu de
                                                                                                                                                                                                                               radiateur,
                                                                                                                           -Positionnée au montage                                              pompe à eau, durites, liquide...
            - Il sert de réservoir d'huile.                                                                                -surface des ailettes calculée                                       Pas d'entretien.
                                                                                                                           pour obtenir un
            - Il est en tôle d'acier emboutie ou en aluminium nervuré (meilleur refroidissement).                          refroidissement compatible
                                                                                                                                                                                                Réparation par remplacement du cylindre
                                                                                                                           avec le bon fonctionnement.                                          complet.
            - Parfois cloisonné pour éviter les déjaugeages de la pompe (ex: virages...).
                                                                                                                                                                                                Moteur assez bruyant et peu économique
             - Parfois, généralement en compétition, afin de diminuer la hauteur et éviter les déjaugeages, on                                                                                  en carburant.
utilise un "carter sec" : l'huile est rejetée dans un autre réservoir. On a alors 2 pompes à huile, une pompe de
vidange et une pompe de pression.



                                                            45                                                                                                                          46
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique     Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique




                                                                                                                                                                 LA CULASSE
 DÉSIGNATION                               SCHÉMAS                                     EXEMPLES

MOTEUR EN                                                                                                                  1. RÔLE
LIGNE
                                                                                                                             •      Elle assure la fermeture des cylindres dans leur partie supérieure, et contient la chambre de
longitudinal ou                                                                                                                     combustion.
transversal                                                               TOUTES MARQUES
                                                                                                                                    Elle permet la circulation des gaz: conduits ou chapelles. Elle reçoit tout ou
                                                                                                                                    partie de la distribution.
(inclinaison possible).
                                                                                                                                    Elle reçoit la bougie d'allumage.
                                                                                                                                    Elle doit évacuer une quantité importante de chaleur (combustion = 2000°C).



                                                                                                                           2. MATÉRIAUX ET FABRIC
                                                                                                                                            ABRICATION
MOTEUR EN V
                                                                                                                             •      Pièce de fonderie moulée.
Cylindres répartis en                                                                                                               Soit en fonte
deux groupes égaux                                                        MERCEDES, PEUGEO RENAULT, VOLVO,
                                                                                    PEUGEOT,                                        Soit en aluminium (Alpax):          légèreté, excellente conductibilité, bon refroidissement,
suivant deux plans                                                        etc...                                                                                        possibilité de taux de compression + élevé, donc meilleur
convergents.                                                                                                                                                            rendement.
Angle:       60° 90°
       ou autre.
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                                                                                                                             •      Résistance aux hautes pressions.
                                                                                                                                    Résistance aux hautes températures.
                                                                                                                                    Bonne conductibilité thermique, donc bon refroidissement.
                                                                                                                                    Coefficient de dilatation compatible avec le bloc-moteur.
                                                                                                                                    Incorrodabilité aux gaz et aux liquides.
MOTEUR EN                                                                 VÉHICULES DE TRANSPO EN
                                                                                       TRANSPORT
LIGNE À PLAT                                                              COMMUN

                                                                                                                           4. LA CHAMBRE DE COMBUSTION
                                                                                                                             Sa forme est très importante, car elle conditionne partiellement la "turbulence", facteur primordial pour
                                                                                                                             obtenir une bonne combustion.
                                                                                                                             Différents types: voir document.



MOTEUR À PLAT EN                                                          CITROËN, ALFA ROMÉO,                             5. LE JOINT DE CULASSE
OPPOSITION                                                                VOLKSWAGEN, PORSCHE.
                                                                                                                                    Il assure l'étanchéité entre culasse et bloc-moteur (gaz et liquide).
                                                                                                                                    Divers composants. graphité et armé (REINZ). L'amiante est désormais interdite.
                                                                                                                                    Très souvent, les moteurs tout-alu à refroidissement par air n'ont pas de joint de culasse
                                                                                                                                    (absence de liquide + qualité de l'usinage).




                                                            47                                                                                                                       48
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DIFFÉRENTS TYPES DE CULASSE                                                                                                                                LE JOINT DE CULASSE




CULASSE EN COIN                                                       CULASSE HÉMISPHÉRIQUE




ARBRE À CAMES EN TÊTE                                                 DOUBLE ARBRE À CAMES EN TÊTE




VOLKSWAGEN                                                            CITROËN



                                                             49                                                                                                                     50
Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique   Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique




                                                                                                                                                          Phénomène de glissement




                                                        51                                                                                                                     52
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COURS MOTEUR THERMIQUE

  • 1. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique SUPPORT DE COURS MOTEUR THERMIQUE Université de Sousse Module: MOTEUR THERMIQUE Spécialité : 2ème Année LICENCE ELECTROMECANIQUE Enseignant : FRIJA MOUNIR Grade : ASSISTANT EN GENIE M MECANIQUE Objectifs Institut Supérieur des Sciences • Fournir aux étudiants(es) des techniques propres à l'évaluation et à l'identification des éléments constitutifs du moteur et énoncer leurs fonctions. Appliquées et de Technologie de • Fournir aux étudiants(es) les outils pour Analyser et comprendre le bilan énergétique d'un Sousse moteur thermique • Comprendre le fonctionnement général des moteurs à combustion interne Diesel et Essence • Identifier les différents circuits dans un moteur thermique (Le circuit de graissage, le (Le circuit de combustible, le circuit de réfrigération et le circuit d'air) MOTEUR • Initier les étudiants(es) à la technologie des moteurs thermiques. Les étudiants(es) auront . l'occasion de mettre en pratique la théorie vue au cours dans le cadre d'exercices . THERMIQUE Niveau: 2ème année licence Appliquée électromécanique Enseignant : Frija Mounir Enseignant : Frija Mounir Moteur Thermique 1 2
  • 2. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique TABLE DES MATIERES TABLEAU SYNOPTIQUE TABLE DES MATIERES DETAILLEE Le tableau ci-dessous représente l'ensemble des matières abordées. Pour voir en détail l'intégralité des thèmes étudiés dans le cours, vous trouverez ci-dessous la table des matières détaillée. Chapitre I. GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES Chapitre II. Chapitre IV. LES CIRCUITS ANNEXES Chapitre I. ARCHITECTURE ET Chapitre III. BILAN ENERGETIQUE POUR UN MOTEUR THERMIQUE A GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES COMPOSITION D’UN MOTEUR D’UN MOTEUR THERMIQUE COMBUSTION INTERNE Annexes THERMIQUE I.1. Introduction I.2. Moteurs à combustion Introduction IV. 1. Circuit d’alimentation et de ANNEXE1 : COURBES ET RELATIONS interne (Moteurs alternatifs) 1. LES ORGANES FIXES I.3. Analyse fonctionnelle d’un A. Le bloc-moteur III.1. Introduction carburation III.2. BILAN ENERGETIQUE D’UN IV.1.1. CIRCUIT DE CARBURANT CARACTERISTIQUES DU MOTEUR I.2. Moteurs à combustion interne (Moteurs alternatifs) THERMIQUE moteur à combustion interne I.4. B. La culasse Définition des différents C. Le joint de culasse CYCLE A 4 TEMPS D’UN MOTEUR A IV.1.2. Injection Essence ALLUMAGE COMMANDE ANNEXE2 : COURBES ISOCONSOMMATION I.3. Analyse fonctionnelle d’un moteur à combustion interne IV.1.3. Injection Diesel ANNEXE3 : ECHELLE DE PUISSANCE types de moteurs à combustion D. Le carter inférieur interne E. Les joints III.2.1. RENDEMENT GLOBAL DU IV. 2. Circuit d’allumage MOTEUR I.4. Définition des différents types de moteurs à combustion interne IV.2.1. PRINCIPES PHYSIQUES DE ANNEXE4 : POT CATLYTIQUE I.5. Interrelations du moteur 2. LES ORGANES MOBILES thermique A. Le piston - Les segments III.2.2. RENDEMENTS PARTIELS III. 3. Principaux cycles du moteur à L’ALLUMAGE ANNEXE5 : Combustion I.5. Interrelations du moteur thermique IV.2.2. AVANCE A L'ALLUMAGE ET ANNEXE6 : Valeo propose une baisse de 40% I.6. Architecture générale d’un B. La bielle combustion interne moteur thermique (Moteur à C. Le vilebrequin III.3.1. Description du cycle PARAMETRE DE FONCTIONNEMENT du CO2 sur moteur essence Les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à Essence) D. Le volant moteur thermodynamique MOTEUR ANNEXE7 : RAPPEL THERMO I.7. Classification des moteurs E. La distribution III. 4. Représentation de l’évolution de IV.2.3. APPROCHE EXTERNE DU SYSTEME ANNEXE8 : SURALIMENTATION combustion interne I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux I. Les soupapes la pression dans la chambre de D'ALLUMAGE ANNEXE 09: WASTE GATE de compression variable 3. Les organes annexes combustion en fonction de la variation IV.2.4. PRINCIPES DE L'ALLUMAGE. ANNEXE 10 : INTERCOOLER I.6. Architecture générale d’un moteur thermique (Moteur à Essence) I.9. Moteur WANKEL à piston 4. Description détaillée et de position angulaire du vilebrequin - IV.2.5. Gestion de l'énergie rotatif nomenclature d’un moteur Travail du cycle et pression moyenne IV.2.6. Réalisations technologiques des ANNEXE 11 : Mesure de compression moteur I.7. Classification des moteurs I.10. Dimensions thermique III.5. Cycle BEAU DE ROCHAS & OTTO systèmes d'allumage. caractéristiques d’un moteur III.6. Cycle thermodynamique IV.2.7. Aspects de la bougie d’allumage I.7.1. Classification selon la disposition des cylindres théorique d’un moteur 4 Temps IV. 3. Circuit de refroidissement (circuit de suralimenté par un turbocompresseur réfrigération) I.7.2. Classification selon les cycles IV. 4. Le circuit de graissage IV. 5. Circuit électrique de démarrage et de a. Les moteurs à cycle 4 temps charge IV. 6. Le circuit d'air (les collecteurs b. Les moteurs à cycle 2 temps admission & échappement) c. Les moteurs à cycle 5 temps I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux de compression variable 3 I.9. Moteur WANKEL à piston rotatif I.10. Dimensions caractéristiques d’un moteur a. La cylindrée b. Rapport volumétrique c. Le couple moteur, la puissance maximale, la puissance fiscale d. La consommation spécifique d'un moteur e. Vitesse moyenne du piston Chapitre II. ARCHITECTURE ET COMPOSITION D’UN MOTEUR THERMIQUE 0. Introduction 1. LES ORGANES FIXES A. Le bloc-moteur B. La culasse C. Le joint de culasse D. Le carter inférieur E. Les joints 2. LES ORGANES MOBILES A. Le piston - Les segments B. La bielle C. Le vilebrequin D. Le volant moteur 4
  • 3. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique E. La distribution IV.2.5. Gestion de l'énergie F. Les soupapes IV.2.6. Réalisations technologiques des systèmes 3. Les organes annexes d'allumage. 4. Description détaillée et nomenclature d’un moteur IV.2.7. Aspects de la bougie d’allumage IV. 3. Circuit de refroidissement (circuit de réfrigération) thermique IV. 4. Le circuit de graissage IV. 5. Circuit électrique de démarrage et de charge Chapitre III. BILAN ENERGETIQUE D’UN MOTEUR THERMIQUE IV. 6. Le circuit d'air (les collecteurs admission & échappement) III.1. Introduction III.2. BILAN ENERGETIQUE D’UN CYCLE A 4 TEMPS D’UN ANNEXES MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE ANNEXE1 : COURBES ET RELATIONS III.2.1. RENDEMENT GLOBAL DU MOTEUR CARACTERISTIQUES DU MOTEUR THERMIQUE III.2.2. RENDEMENTS PARTIELS ANNEXE2 : COURBES ISOCONSOMMATION III. 3. Principaux cycles du moteur à combustion interne ANNEXE3 : ECHELLE DE PUISSANCE III.3.1. Description du cycle thermodynamique ANNEXE4 : POT CATLYTIQUE a) Le cycle théorique ANNEXE5 : COMBUSTION b) Cycle réel ANNEXE6 : Valeo propose une baisse de 40% du CO2 sur c) Cycle réel après réglage (AOA, RFA, AA, moteur essence EGR AOE, RFE) ANNEXE7 : RAPPEL THERMO III. 4. Représentation de l’évolution de la pression dans la ANNEXE8 : SURALIMENTATION (TURBOCOMPRESSEUR) ANNEXE 09 : WASTE GATE chambre de combustion en fonction de la variation de position ANNEXE 10 : INTERCOOLER angulaire du vilebrequin - Travail du cycle et pression moyenne ANNEXE 11 : MESURE DE COMPRESSION MOTEUR III.5. Cycle BEAU DE ROCHAS & OTTO III.6. Cycle thermodynamique théorique d’un moteur 4 Temps suralimenté par un turbocompresseur Chapitre IV. LES CIRCUITS ANNEXES POUR UN MOTEUR THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE IV. 1. Circuit d’alimentation et de carburation IV.1.1. CIRCUIT DE CARBURANT A) SYSTEME D’INJECTION CLASSIQUE B) INJECTION HAUTE PRESSION A RAMPE COMMUNE C) INJECTEUR POMPE IV.1.2. Injection Essence IV.1.3. Injection Diesel IV. 2. Circuit d’allumage IV.2.1. PRINCIPES PHYSIQUES DE L’ALLUMAGE IV.2.2. AVANCE A L'ALLUMAGE ET PARAMETRE DE FONCTIONNEMENT MOTEUR IV.2.3. APPROCHE EXTERNE DU SYSTEME D'ALLUMAGE IV.2.4. PRINCIPES DE L'ALLUMAGE. 5 6
  • 4. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Chapitre I. GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES I.1. Introduction Les machines thermiques sont représentées par le synoptique ci-dessous : Chapitre I. GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES 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 (I' 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... 7 8
  • 5. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique I.2. Moteurs à combustion interne (Moteurs alternatifs) dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports où ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages : bon rendement, compacité La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable et fiabilité... , ceci explique l'extension qu'on pris de nos jours l'industrie des moteurs et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d' un gaz qui remplit cette lle l'ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du monde. chambre (ce gaz est d'ailleurs initialement composé du combustible et du comburant : air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée s ur un piston, force qui sur I.3. Analyse fonctionnelle d’un moteur à combustion interne transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation d'arbre (vilebrequin). Fig. 1.1. Moteur Renault 1.5 l dCi 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 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 arburant l'injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l'air, injecte préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s'enflamme spontanément. Ces moteurs sont appelés moteur Diesel 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 9 10
  • 6. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique I.4. Définition des différents types de moteurs à combustion interne I.5. les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à combustion interne Étudions les matières d’œuvres entrantes et sortantes d’un moteur à combustion interne : I.5. Interrelations du moteur thermique 11 12
  • 7. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique I.6. Architecture générale d’un moteur thermique (Moteur à Essence) I.7. Classification des moteurs La classification des moteurs thermiques peut être faite suivants les critères suivants : Classification d'après le combustible utilisé D'après le cycle D'après le mode d'admission d'air D'après le mode d'inflammation du combustible D'après le mode de formation du mélange gazeux D'après la disposition des cylindres D'après la vitesse de rotation I.7.1. Classification selon la disposition des cylindres On va s’intéresser dans cette partie à la classification selon la disposition des cylindres. On trouve le plus couramment : - Moteur en ligne (vertical, horizontal, incliné), - Moteur en V, - Moteurs à plat, à cylindres opposés horizontaux. Dispositions particulières pour des utilisations spéciales ( ex : aéronautique) 13 14
  • 8. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique 15 16
  • 9. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Autres configurations (Moteur à pistons opposés et cylindres opposés) Les moteurs à cylindres opposés sont bien connus (VW Coccinelle, Porsche, Citroën 2 CV et GS, Alfa Romeo Alfasud et 33, Subaru, Ferrari Testarossa, etc), ceux à pistons opposés un peu moins – bien qu’ils existent depuis la fin du 19ème siècle. Combiner les deux n’avait apparemment jamais été fait, mais pour celui qui fut l’ingénieur en chef responsable du premier diesel de VW comme du très original VR6, Peter Hofbauer, ce n’était qu’une innovation de plus. Le concept OPOC reprend la configuration d’un moteur à pistons opposés monovilebrequin telle qu’elle fut appliquée entre autres par Gobron-Brillé pour des automobiles (4 temps à allumage commandé), CLM, Lancia (camion RO, diesel 2-temps licence Junkers) et Doxford (diesels 2-temps marins lents). Alors que tous ces moteurs étaient à cylindres en ligne, l’idée novatrice est de les monter horizontalement en opposition, ce qui permet un équilibrage total avec une seule paire de cylindres. I.7.2. Classification selon les cycles a. Les moteurs à cycle 4 temps Moteur Essence - Admission: La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air (moteur à injection) – ou le mélange carburé – par la soupape d'admission ouverte. L'essence est injectée (moteur à injection). La soupape ne se referme que lorsque le piston remonte déjà car la colonne gazeuse, emportée par son inertie continue d'affluer dans le cylindre. 17 18
  • 10. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique - Compression: Le mélange est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux - Echappement: Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce respectivement plus de 400°C et 10 à 15 bars. dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement - Combustion: Le mélange est enflammé par une étincelle produite par la bougie. La qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est combustion produit une forte élévation de la température et de la pression. La flamme peut utile parce que leur large ouverture nécessite un certain temps; il permet un certain balayage se propager jusqu'à plus de 100m/sec avec une température de 2000 voire 2500°C. La de la chambre de combustion et un meilleur remplissage. pression atteignant couramment 60 bars repousse violement le piston. La soupape d'échappement commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme cylindre et faciliter le retour du piston. de gazole nécessite 14,4 gr d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections perfectionnées, les microgouttelettes de carburant ne peuvent être pulvérisées suffisamment - Echappement: Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre englobe plus de combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce 70000 milliards de molécules ! On est donc contraint d'adopter une combustion sous un dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape important excès d'air par rapport à la valeur théorique de 14.4:1, ceci afin d'obtenir une d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement consommation, des contraintes thermiques et des émissions de fumée à l'échappement qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est acceptables. utile parce que leur ouverture totale nécessite un certain temps; il permet un meilleur remplissage, particulièrement à haut régime. Sur un diesel, contrairement à un moteur à allumage commandé (moteur à essence) En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme la quantité d'air admise est constante quelle que soit la charge et seule la quantité de fuel d'essence nécessite 14,7 grammes d'air (proportion stœchiométrique). Si le rapport injecté varie. Il n'y a donc pas de papillon d'admission. Le coefficient d'excès d'air de air/essence est inférieur à 14,7 :1, le mélange est dit "riche"; les émissions de CO et combustion diminue avec la charge et la valeur minimum acceptable de ce coefficient limite la pression moyenne et le couple développé. La turbo suralimentation permet d'augmenter la d'imbrûlés sont accrues, les chambres de combustion s'encrassent et les parois des masse d'air admise et de brûler plus de fuel à coefficient d'excès d'air identique, voire cylindres peuvent être lessivées. A l'inverse, si le rapport air/essence est supérieur à supérieur. Le diesel suralimenté peut conserver un taux de compression suffisamment élevé 14,7:1, le mélange est dit "pauvre". La propagation de la flamme est ralentie et la pour que son rendement thermodynamique ne chute guère, contrairement au moteur à combustion peut aller jusqu'à se poursuive pendant toute la phase d'échappement ce essence qui est soumis aux limites de détonation et de cliquetis. qui provoque des contraintes thermiques anormales, particulièrement sur les soupapes d'échappement. La fourchette admissible se situe entre 12:1 et 15:1. Gamme des moteurs Diesel Moteur Diesel - Admission: La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air par la soupape d'admission ouverte (moteur à aspiration naturelle). Toutefois, la quasi-totalité des diesels sont aujourd'hui turbo suralimentés et dans ce cas l'air est donc refoulé sous pression dans le cylindre. - Compression: L'air est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent des valeurs de 600 à 700°C sous 50 à 60 bars car le taux de compression (rapport des volumes cylindre+chambre de combustion au PMB et PMH) d'un diesel est beaucoup plus élevé que celui d'un moteur à essence. L'injection du gazole commence en fin de compression et le combustible s'enflamme spontanément après un délai que l'on s'efforce de réduire au minimum. En effet, pendant ce délai, le gazole continue d'être injecté et plus il y a de carburant dans la chambre lors de l'inflammation, plus l'augmentation de pression sera brutale. Le délai diminue avec la température en fin de compression et c'est pourquoi les diesels claquent à froid. - Combustion: L'injection continue encore jusqu'à une vingtaine de degrés de vilebrequin après le PMH. La température monte à ~ 2000 °C. Une pression pouvant dépasser les 150 bars chasse le piston vers le point mort bas (PMB). La soupape d'échappement commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le cylindre et faciliter le retour du piston. 19 20
  • 11. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Critique du moteur diesel AVANTAGES - Meilleur rendement : grâce à l'augmentation du rapport volumétrique la combustion est plus complète et la consommation spécifique est réduite (en moyenne de 200 g/kW/h contre 330 g/kW/h pour le moteur à essence). - Le couple moteur est plus important et reste sensiblement constant pour les faibles vitesses. - Le combustible bon marché. - Les risques d'incendie sont moindres car le point d'inflammation du gazole est plus élevé que celui de l'essence. - Les gaz d'échappement sont moins toxiques car ils contiennent moins d'oxyde de carbone. INCONVENIENTS - Les organes mécaniques doivent être surdimensionnés. - Le bruit de fonctionnement est élevé. - La température dans les chambres de combustion est élevée ce qui implique un refroidissement plus délicat. - L'aptitude au démarrage à froid est moins bonne qu'un moteur à allumage commandé. b. Les moteurs à cycle 2 temps Moteur Essence COMPARAISON ENTRE CYCLE D’UN MOTEUR A ESSENCE ET CYCLE D’UN MOTEUR DIESEL A QUATRE TEMPS 21 22
  • 12. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Un moteur à deux temps comporte des pistons qui se déplacent dans des • En remontant (image « Compression »), le piston compresse le mélange dans le cylindres. Le déplacement du piston, par l'intermédiaire de lumières entre la partie cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement (2) et l'entrée de mélange dans basse du carter et la partie haute du cylindre permet d’évacuer les gaz brulés et le cylindre (3), tout en créant une dépression dans le carter (4) qui va permettre remplir le cylindre de gaz frais. l'arrivée du mélang air-essence par le conduit d'arrivée (6) dont l'entrée a été mélange essence libérée par la position du piston proche du point mort haut. Cette étape est celle Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du cycle de Beau de « compression ». de Rochas en ayant seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression, • Une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. Nous avons ainsi un du premier point. cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le moteur à quatre temps. Le cycle se décompose : Moteur Diesel • Détente puis échappement et transfert du gaz combustible frais • Compression + combustion et admission dans la partie basse du moteur En voici les différentes étapes en détail : • Dans un premier temps (image « Détente »), le piston (5) est au point mort haut. La bougie initie la combustion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter, sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette étape est la détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée (6) du mélange dans le carter se ferme. • Arrivé à proximité point mort bas (image « Admission et échappement »), le piston débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le cylindre (3) : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de la combustion (zone 1 sur l'image). Il s'agit de l'étape d'admission - échappement. 23 24
  • 13. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique c. Les moteurs à cycle 5 temps Le moteur cinq temps est un moteur à combustion interne inventé par le belge Gerhard Schmitz. Des brevets existent depuis plusieurs années et des recherches en cours au sein d'une entreprise Anglaise (Ilmor) s'y intéresse de près. Ilmor Engineering, société partenaire de Mercedes-Benz en F1, a présenté un prototype très innovant de moteur 3 cylindres 700 cm3 turbocompressé à injection indirecte. l'originalité du moteur Ilmor par rapport à d'autres brevets de moteur à 5 temps qui ont pu déjà être déposés est de fonctionner grâce à deux types de cylindres. Sur le prototype trois cylindres, deux ont un fonctionnement à quatre temps tandis que le troisième, en position centrale, a une capacité plus importante et utilise les gaz brûlés des deux autres cylindres pour travailler. Le cylindre central fonctionne donc sans combustion et comprend deux temps : l'admission, accompagnée de la production de travail, et l’échappement. Nous avons donc bien 5 temps enchainés comme suit : 1 : L’admission mélange air essence (dans les deux pistons) 2 : La compression du mélange (dans les deux pistons) 3 : La combustion- détente (dans les deux pistons) 4 : L’échappement (dans les deux pistons classiques) et l’admission-détente (dans le piston central) 5 : L’échappement (dans le piston central) 25 26
  • 14. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique I.8. Le moteur VCR MCE-5 à taux de compression variable La chambre de combustion inchangée et la cinématique invariable et http://www.mce-5.com/ conventionnelle du piston du MCE-5 permettent de valoriser les savoir-faire des motoristes relatifs à la maîtrise de la combustion et des performances. Le MCE-5 assure un contrôle continu et réactif du taux de compression de chaque cylindre du moteur. Sa large plage de contrôle du taux de compression comprise entre 7:1 et 20:1 peut servir sans aucune limitation toutes les stratégies VCR. Grâce à ses engrenages à longue durée de vie et à son piston guidé sur roulement qui ne subit plus ni slap ni effort radial, le MCE-5 garantit une solidité et une fiabilité exceptionnelle aux moteurs VCR fortement chargés sur des kilométrages élevés. De ce fait, le MCE-5 répond à l’un des plus grands défis des moteurs à forte densité de puissance et de couple : la durabilité. La robustesse élevée du bloc moteur VCR MCE-5 provient également de la rigidité de son vilebrequin et de sa structure, qui offrent aux paliers hydrodynamiques un environnement géométrique optimal, garant d’une longue durée de vie.Le bloc moteur VCR MCE-5 ne présente pas d’impact négatif sur les autres composants du moteur ou du véhicule : son raccordement au conduit d’échappement ou à la transmission s’effectue exactement comme s’il s’agissait d’un moteur classique. La plupart des constructeurs automobile partagent le même avis : le taux de compression variable (en anglais Variable Compression ratio ou VCR), est la solution la plus efficace pour réduire la consommation des moteurs essence, tout en ouvrant la voie à un ensemble de stratégies décisives pour le futur. En mars 2000, Saab a présenté au motorshow de Genève un premier véhicule prototype à Taux de Compression Variable (VCR). Ce véhicule est équipé d’un moteur VCR suralimenté de 1.6 L appelé SVC (pour Saab Variable Compression), dont la puissance est de 168 kW (228 ch), le couple de 305 Nm, et qui présente une consommation réduite de 30% par rapport à un moteur atmosphérique conventionnel aux performances identiques. Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et des engrenages à longue durée de vie. Technologie VCR unique, le MCE-5 est un bloc moteur tout-en-un qui intègre à la fois la transmission de la puissance et le contrôle du taux de compression. 27 28
  • 15. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique I.9. Moteur WANKEL à piston rotatif Le moteur rotatif WANKEL est le résultat d'une importante d'étude menée de 1945 à 1954 par l'ingénieur WANKEL sur les différentes solutions de moteur rotatif. En conclusion, il estima que la meilleure était de faire travailler en moteur, le compresseur rotatif réalisé par Bernard Maillard en 1943. Fig. Moteur à piston rotatif a) Avantage : Faible encombrement à cylindrée égale à un moteur conventionnel. Du fait qu'il ne transforme pas de mouvement linéaire en rotation, il déplace moins de pièces, donc moins d'inertie, ce qui lui permet d'atteindre des régimes très élevées. (En théorie max. 18000 tr/min tr/min). Moins de pièces permettent de faire des montées en régimes très rapide. Moins de pièces est égale à moins de poids. 29 30
  • 16. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique La plage d'utilisation commence dès les premiers tours et s'étend jusqu'à la I.10. Dimensions caractéristiques d’un moteur rupture. Les moteurs thermiques à combustion interne se caractérisent par: b) Inconvénients : L’alésage, la course, la cylindrée, le rapport volumétrique, le couple moteur, la Consommation en essence excessive. puissance maximale, la puissance fiscale. Frein moteur pratiquement inexistant. Techniquement perfectible. Alésage : Diamètre D du cylindre (mm) Course : Distance C parcourue par le piston entre le Point Mort Haut (PMH) et le Point Mort Bas (PMB) (mm) R est le rayon de manivelle C= 2.R a) La cylindrée Cylindrée unitaire : Volume balayé par le piston lors de la course C en (cm3) A = alésage en centimètres, C = course en centimètres, n = nombre de cylindres. Cu = cylindrée unitaire Ct = cylindrée totale 31 32
  • 17. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Si ε croît, la pression de fin de compression croît. Cylindrée totale c) le couple moteur, la puissance maximale, la puissance fiscale Remarques : on exprime également la cylindrée en litres. 1 litre valant 1 000 cm3. On peut dire, par exemple, qu'un moteur de 2 000 cm3 est un moteur de 2 litres. On différencie également les moteurs selon leur rapport alésage/course : Alésage < course = moteur à course longue. // Alésage = course = moteur carré. Alésage > course = moteur supercarré. b) Rapport volumétrique Remarques importantes : Si V croît, v restant constant ε croît / Si v croit, V restant constant ε décroît. 33 34
  • 18. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique 35 36
  • 19. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique d) Vitesse moyenne du piston La vitesse moyenne de piston V exprimée en m/s est donnée par : Avec L : course du moteur (mm), N : vitesse de rotation (tr/min) Vmp représente l’espace parcouru par le piston dans l’unité de temps. Sa valeur maximale est limitée par les contraintes acceptables dues aux forces d’inertie. Sa valeur est également liée à l’usure. Selon la valeur de Vmp au régime nominal on distingue : Moteurs rapides : Moteurs de compétition essence : > 20 m/s Chapitre II. Moteurs de traction automobile essence : 14 – 18 m/s ARCHITECTURE Moteurs de traction automobile Diesel : 12 –14 m/s Moteurs de traction poids-lourds : 10 –12 m/s ET COMPOSITION Moteurs semi-rapides : Vmp :7-9m/s D’UN MOTEUR Moteurs lents : Vmp :6–8m/s THERMIQUE 37 38
  • 20. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique 39 40
  • 21. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique 41 42
  • 22. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique LE BLOC - MOTEUR TEUR 1. LES ORGANES FIXES On l'appelle également " BLOC CYLINDRES " ou " CARTER-CYLINDRES ". BLOC- CYLINDRES A. Le bloc-moteur C'est "le châssis" du moteur: il comporte les 1. RÔLE cylindres. A. Le bloc-moteur Il sert de support à tous les o ganes principaux (piston, vilebrequin,...) et aux o organes organes annexes (démarreur, conduits,...). B. La culasse Elle sert de couvercle en haut des cylindres. C'est la pièce-maîtresse du moteur, le " châssis " de celui-ci. maîtresse moteu Souvent, elle comporte les chambres de combustion, les bougies, les injecteurs, les B. Le cylindre conduits d'air (admission et échappement). - Il sert de glissière au piston. - Il contient les gaz et permet leur évolution. - Il détermine la cylindrée unitaire. C. Le carter inférieur Il sert de réserve pour l'huile de graissage et 2. CARACTÉRISTIQUES ET QUALITÉS participe également à son refroidissement. A. Le bloc-moteur - Il doit être rigide pour résister aux e efforts engendrés par la combustion. - Par conduction, il évacue une partie de la chaleur de la combustion. - Il doit résister à la corrosion due au liquide de refroidissement, si ce système a été retenu. D. Les joints Ils sont nombreux, le principal étant le joint de B. Le cylindre culasse. Il doit avoir : - une bonne résistance aux frottements et à l'usure. - une bonne résistance aux chocs thermiques et à la déformation. - une grande précision d'usinage (cylindricité, perpendicularité...) 43 44
  • 23. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique 3. FABRICATION ET MATÉRIAUX UTILISÉS DÉSIGNATION SCHÉMAS CARACTÉRISTIQUES Le bloc est coulé et usiné. Il est : Fonte au nickel-chrome de bonne qualité. chrome Matériau facile à mouler r. 1. soit en fonte spéciale BLOC Fonderie assez compliquée. Chambres C'est de la fonte G.S. (Graphite Sphéroïdale) qui possède une grande facilité de moulage et des NON - CHEMISÉ Les d'eau autour du cylindre. Peu de propriétés mécaniques équivalentes à celles de l'acier, sauf la soudabilité. Ses qualités sont cylindres sont usinés problème d'étanchéité. Réparation améliorées par divers procédés : directement dans le bloc. par réalésage. NITRURATION: traitement thermochimique de durcissement superficiel par l'azote. CÉMENTATION: Durcissement superficiel par le carbone. 2. soit en alliage d'aluminium (ALPAX) Caractéristiques de ce matériau : BLOC-FONTE Fonte de qualité moyenne. Chemises - léger. CHEMISE SÈCHE très dures. Fourreaux de 2 à 3 mm rapportés emmanchés à Réparation en atelier spécialisé: - excellent conducteur thermique. force (presse) ou échange des chemises. - bonne résistance à la corrosion. contraction de la chemise BLOC-ALUMINIUM dans l'azote liquide Chemises mises en place à la coulée. - fabrication facile: bonne moulabilité. Échange des chemises impossible. (- 195°C). Réalésage possible 4. DIFFÉRENTS TYPES DE BLOC-MOTEUR Voir document. CHEMISE HUMIDE Fonte de qualité moyenne. Fourreaux de 2 à 3 mm 5. DISPOSITION DES CYLINDRES Fabrication facile. rapportés emmanchés à force (presse) ou Réparation simple : échange des ensembles Voir document. contraction de la chemise chemises-pistons. dans l'azote liquide Étanchéité délicate. (- 195°C). 6. FIXATION DU BLOC-MOTEUR Par silentblocs pour diminuer le bruit et les vibrations du véhicule. Aucun risque de gel. CHEMISE Gain de poids. RAPPORTÉE Fabrication simple. 7. LE CARTER INFÉRIEUR (Refroidissement à air) Système économique : pas de radiateu de radiateur, -Positionnée au montage pompe à eau, durites, liquide... - Il sert de réservoir d'huile. -surface des ailettes calculée Pas d'entretien. pour obtenir un - Il est en tôle d'acier emboutie ou en aluminium nervuré (meilleur refroidissement). refroidissement compatible Réparation par remplacement du cylindre avec le bon fonctionnement. complet. - Parfois cloisonné pour éviter les déjaugeages de la pompe (ex: virages...). Moteur assez bruyant et peu économique - Parfois, généralement en compétition, afin de diminuer la hauteur et éviter les déjaugeages, on en carburant. utilise un "carter sec" : l'huile est rejetée dans un autre réservoir. On a alors 2 pompes à huile, une pompe de vidange et une pompe de pression. 45 46
  • 24. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique LA CULASSE DÉSIGNATION SCHÉMAS EXEMPLES MOTEUR EN 1. RÔLE LIGNE • Elle assure la fermeture des cylindres dans leur partie supérieure, et contient la chambre de longitudinal ou combustion. transversal TOUTES MARQUES Elle permet la circulation des gaz: conduits ou chapelles. Elle reçoit tout ou partie de la distribution. (inclinaison possible). Elle reçoit la bougie d'allumage. Elle doit évacuer une quantité importante de chaleur (combustion = 2000°C). 2. MATÉRIAUX ET FABRIC ABRICATION MOTEUR EN V • Pièce de fonderie moulée. Cylindres répartis en Soit en fonte deux groupes égaux MERCEDES, PEUGEO RENAULT, VOLVO, PEUGEOT, Soit en aluminium (Alpax): légèreté, excellente conductibilité, bon refroidissement, suivant deux plans etc... possibilité de taux de compression + élevé, donc meilleur convergents. rendement. Angle: 60° 90° ou autre. 3. QUALITÉS D'UNE CULASSE • Résistance aux hautes pressions. Résistance aux hautes températures. Bonne conductibilité thermique, donc bon refroidissement. Coefficient de dilatation compatible avec le bloc-moteur. Incorrodabilité aux gaz et aux liquides. MOTEUR EN VÉHICULES DE TRANSPO EN TRANSPORT LIGNE À PLAT COMMUN 4. LA CHAMBRE DE COMBUSTION Sa forme est très importante, car elle conditionne partiellement la "turbulence", facteur primordial pour obtenir une bonne combustion. Différents types: voir document. MOTEUR À PLAT EN CITROËN, ALFA ROMÉO, 5. LE JOINT DE CULASSE OPPOSITION VOLKSWAGEN, PORSCHE. Il assure l'étanchéité entre culasse et bloc-moteur (gaz et liquide). Divers composants. graphité et armé (REINZ). L'amiante est désormais interdite. Très souvent, les moteurs tout-alu à refroidissement par air n'ont pas de joint de culasse (absence de liquide + qualité de l'usinage). 47 48
  • 25. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique DIFFÉRENTS TYPES DE CULASSE LE JOINT DE CULASSE CULASSE EN COIN CULASSE HÉMISPHÉRIQUE ARBRE À CAMES EN TÊTE DOUBLE ARBRE À CAMES EN TÊTE VOLKSWAGEN CITROËN 49 50
  • 26. Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse-------2ème licence Appliquée Electromécanique Phénomène de glissement 51 52