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MOTEURS THERMIQUES ALTERNATIFS
Renault RS24
590 kW (+ 800 cv)
18000 tr/min ;
5000 pièces dont 1500 en
mouvement ;
Consommation moyenne
70l/100km ;
Lubrifié par 12 l d’huile ;
15 jours pour assembler un
moteur ;
6 semaines pour fabriquer
un vilebrequin.
PLAN
1 – Introduction 3
2 - Les moteurs thermiques alternatifs ou à combustion interne 3
3 - Constitution des moteurs thermiques 4
3.1 – Les organes fixes 4
3.2 – Les organes mobiles 5
3.3 – Les organes annexes 8
4 - Principe de fonctionnement 9
4.1 – Définitions et notations 9
4.2 – Mécanique du moteur alternatif 10
4.3 – Les cycles des moteurs alternatifs 11
4.4 – Les flux dans les moteurs à pistons 13
4.4.1 - Les moteurs à allumage commandé (moteur à essence) 13
Conduit d’admission 13
Circuit de carburant 14
4.4.2 - Les moteurs à allumage par compression (moteur diesel) 14
Système d’injection classique 14
Injection haute pression à rampe commune 15
Injecteur pompe 15
5 – Quelques dispositifs d’amélioration des performances 15
5.1 – Les dispositifs à distribution variable 15
Système « Valvetronic » 15
Système « Vanos » 16
Système « VTEC » 16
5.2 – Les dispositifs à taux de compression variable 17
5.3 – Les monteurs 2T 18
Moteurs thermiques alternatifs page 3
1 – Introduction
RAPPEL : Moteurs = Générateurs d’énergie mécanique
ENTREE du système : 1 source énergétique
SORTIE ⇒ 1 travail mécanique (Eméc) ⇒ Force ou Couple
2 – Les moteurs thermiques alternatifs ou à combustion interne
Gamme
NNbb.. CCyyll.. AAllééssaaggee CCyyll.. UUnniitt.. PPeeffff [[kkWW]] NN [[ttrr//mmiinn]] LLoonngg.. MMaassssee
MMiinn 11 66 mmmm 00,,1166 ccmm33 00,,0022 ≈≈ 6600 ≈≈ 44 ccmm 1144 gg
MMaaxx ≈≈ 2277 >> 11 mm >> 22 mm33 7755000000 >> 3300000000 >> 2200mm >> 22000000 TT
Application
- Transport : Véhicules 2 roues, automobiles, routier, transport maritime, aéronautique
- Production d’énergie : Génératrices, groupes de cogénération (chaleur-force)
- Machines : Machines de chantier, machines agricoles
- Autres : Modélisme, …
Familles de moteurs alternatifs
Les cycles thermodynamiques :
- Cycle 2Temps / Cycle 4Temps
Mode de combustion :
- Allumage commandé : OTTO ou SI Engine (Spark Ignition)
- Allumage par compression : DIESEL ou CI Engine (Compression Ignition)
- Allumage à charge stratifié ou SC Engine (Stratified Charge), FSI, GDI…
- Allumage par injection de carburant : Dual-Fuel (démarrage fuel puis fonctionnement gaz)
Nature du carburant :
- Moteurs à essence, Diesel, GNV (Gaz Naturel pour Véhicule) , GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié),
GNL (Gaz Naturel Liquéfié : méthane), Fuel Lourd..
- Carburants spéciaux : Alcools (Méthanol, Ethanol), huiles végétales, H2 (Hydrogène), …
Energie thermique
Energie
électrique
Energie
hydraulique
Energie pneumatique
Conversion en
énergie
mécanique
Moteur
rotatif
Moteur
linéaire
Force x
déplacement
Couple
Système moteur
Moteurs thermiques alternatifs page 4
Alimentation en carburant / Système d’injection :
- Carburateur : mono ou multi-corps ;
- Injection : mono ou multipoint, injection directe / indirecte ;
- Système d’injection haute pression : Common rail, pompe unitaire, Inj. Pompe.
Alimentation en air :
- Moteurs à aspiration naturelle, moteur dit « atmosphériques » ;
- Moteurs suralimentés : turbocompresseur, compresseur mécanique, …
Mode de refroidissement :
- Liquide / Air
Mode de lubrification :
- Carter d’huile / Carter sec ;
Caractéristiques géométriques :
- Nombre de cylindre : monocylindre, multicylindres
- Système de distribution : Nombre de soupape, type de l’arbre à came
- Disposition des cylindres : L, V, B, W, X, U, O
3 – Constitution des moteurs thermiques
3.1 – Les organes fixes
LE BLOC MOTEUR
C'est "le châssis" du moteur :
Il relie l’ensemble des composants (culasse,
vilebrequin, embrayage, BV…) ;
Il permet la fixation des organes auxiliaires
(alternateur, compresseur de clim, …) ;
Il assure la liaison entre moteur et châssis.
Moteurs thermiques alternatifs page 5
LA CULASSE
Elle sert de couvercle en haut des cylindres.
Souvent, elle comporte les chambres de
combustion, les bougies, les injecteurs, les
conduits d'air (admission et échappement).
CARTER INFERIEUR
Il sert de réserve pour l'huile de graissage et
participe également à son refroidissement.
LES JOINTS
Ils sont nombreux, le principal étant le joint de
culasse.
3.2 – Les organes mobiles
LE VILEBREQUIN
Le vilebrequin reçoit l'effort transmis par la bielle et
fournit un mouvement circulaire à la sortie du moteur.
Un volant moteur, monté à l’extrémité du vilebrequin
régularise le mouvement de
rotation.
A : portées (liaison avec carter moteur) ;
B : masselotte d’équilibrage ;
C : maneton (liaison avec les bielles) ;
D : extrémités de liaison (BV, …).
LA BIELLE
Elle assure la liaison entre le piston et le vilebrequin
Le pied de bielle est lié à l’axe du piston, et la tête
de bielle est liée au vilebrequin.
Elle est responsable, en partie, des problèmes
d’équilibrage des moteurs alternatifs
LE PISTON
Elle assure la liaison entre le piston et le
vilebrequin
Tête de
bielle
pied de
bielle
Moteurs thermiques alternatifs page 6
LA DISTRIBUTION
Sur les moteurs 4-temps, elle gère l’ouverture et la fermeture des soupapes, donc l’admission et
l’échappement des gaz. La distribution est composée d’un arbre à came entrainé par le vilebrequin, de
soupapes actionnées à l’ouverture par une came (le retour en position initiale est assuré généralement
par un ressort)
Arbre à cames :
L'arbre à cames, appelé également « arbre de distribution »,
commande l'ouverture des soupapes, en transformant le
mouvement rotatif issu du moteur en mouvement longitudinal
actionnant les soupapes.
L’ouverture des soupapes est imposée par le profil de la came.
Soupapes
- Rôle : assurer le transfert des fluides
- Etanchéité aux gaz (portée & siège)
- Rappel mécanique par ressort ou par came (desmodromique)
- Rappel pneumatique
Disposition de l’AAC :
– Latéral : (1)
– En tête (commande par linguet ou tige) : (2)
– En tête (commande par culbuteur) : (3)
– En tête (attaque directe) : (4)
Commande de distribution :
- Entraînement du système de distribution
⇒ Par chaîne ou courroie (incl. tendeurs) ;
⇒ Par pignon.
- Entraînement des auxiliaires et accessoires
⇒ Pompes : eau, huile, carburant ;
⇒ Alternateurs ;
⇒ Compresseurs : air, climatisation ;
⇒ Prises de force (entraînement mécanique).
Came
Ressort
Culasse
soupape
Moteurs thermiques alternatifs page 7
Moteur BMW N47, 2000cm3
, puissance développée 130 à 180 kW suivant configuration
Représentation de l’attelage (vilebrequin = bielle + piston) et de la distribution
Arbres à cames
Chaînes de
distribution
Piston
Volant moteur
Vilebrequin
Bielle
Soupape
Arbre d’équilibrage
Ressort de
soupape
Basculeur
Dispositif de
réglage de
jeu
Guide de
chaîne
Moteurs thermiques alternatifs page 8
3.3 – Les organes annexes
LE CIRCUIT DE LUBRIFICATION
Il assure la lubrification des pièces en mouvement
et participe au refroidissement du moteur.
Il est constitué :
D’un réservoir d’huile ou carter ;
D’une pompe d’alimentation ;
D’un clapet de décharge ;
Des circuits d’huile internes ;
Des conduits externes ;
De filtre(s) à huile ;
D’échangeurs (eau-huile).
LE CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT
Il évacue l’énergie thermique non
transformée en énergie mécanique. Il
est constitué :
1 : un circulateur (pompe à eau) ;
2 : un boiter thermostatique ;
3 : un échangeur air/eau (radiateur) ;
4 : un vase d’expansion (trop plein) ;
5 : un radiateur de chauffage intérieur
(véhicule) ;
6 : une vanne de commande du
chauffage.
UN CIRCUIT D’ECHAPPEMENT
Il permet l’évacuation des gaz brulés, il est constitué en
général :
– Système d’atténuation de bruit (_ dB) ;
– Système de dépollution ;
– Système de suralimentation (Turbo).
UN CIRCUIT ELECTRIQUE
Il permet le démarrage (démarreur) du
moteur et la recharge (alternateur) de la
batterie (accumulateur d’électricité).
DISPOSITIF D’ALLUMAGE (moteur à allumage
commandé : essence)
Permet l'inflammation du mélange gazeux dans la chambre de
combustion. C’est la bougie qui génère des milliers d'arcs
électriques par minute tout en résistant à la chaleur et à la
pression engendrées par les explosions à l'intérieur du
cylindre.
MOTEUR
1
2
3
4
5
6
Moteurs thermiques alternatifs page 9
SURALIMENTATION
Pour augmenter la puissance d’un moteur, nous pouvons
agir sur sa vitesse de rotation ou son couple (P = C.ωωωω).
L'accroissement de la vitesse de rotation d'un moteur est vite
limité par l'inertie des pièces en mouvement et les limites de
la résistance au frottement des métaux qui le composent, de
plus celle-ci se fait généralement au détriment de la fiabilité.
Comme le couple est proportionnel à l’effort sur les pistons,
donc à la pression due à la combustion, il suffit d’augmenter
la quantité d’air + carburant admise dans la chambre de
combustion pour augmenter le couple moteur. C’est le rôle
de la suralimentation.
On utilise pour cela :
Soit un compresseur centrifuge entraîné par une turbine
(turbo compresseur).
Turbo compresseur
Soit un compresseur volumétrique (Roots, Volumex...) entraîné mécaniquement par le moteur ;
Compresseur volumétrique
La technique de suralimentation par turbocompresseur
consiste à détendre les gaz d’échappement sur une turbine et entraîner un compresseur centrifuge
interposé entre l’arrivée d’air et les tubulures d’admission. On ajoute généralement un échangeur
(intercooler) pour abaisser la température due à l’augmentation de pression.
4 – Principe de fonctionnement
4.1 – Définitions et notations
D : Alésage
L : Course
R : Rayon de manivelle ⇒
PMH : Point mort haut
PMB : Point mort bas
V0 : Volume mort ⇒ V0 = VPMH
VU : Cylindrée unitaire ⇒ L
4
D
V
2
u ××××
××××
====
ππππ
= Volume balayé par le piston
VC : Volume total maximal ⇒ VC = VPMB = V0 + VU
n : Nombre de cylindres
Vcyl : Cylindrée totale du moteur ⇒ Vcyl = n x VU
εεεε : Rapport volumétrique de compression ⇒
0
0U
V
VV ++++
====εεεε
2
L
R ====
Moteurs thermiques alternatifs page 10
4.2 – Mécanique du moteur alternatif
D : Alésage
L : Course
l : Longueur de bielle ;
ϕϕϕϕ : Angle de manivelle ou angle de vilebrequin ;
L
R
====λλλλ : Coefficient de bielle (rapport manivelle/bielle) ;
)(fx ϕϕϕϕ==== : Equation du mouvement du piston
)sin
2
cos1(Rx 2
ϕϕϕϕ
λλλλ
ϕϕϕϕ ××××++++−−−−××××====⇒⇒⇒⇒
)2sin
44
cos1(Rx ϕϕϕϕ
λλλλλλλλ
ϕϕϕϕ ××××−−−−++++−−−−××××====
60
2 ππππ
ωωωω
××××
==== : vitesse angulaire (rad/s), avec t××××==== ωωωωϕϕϕϕ ;
N : Fréquence de rotation (tr/min) ;
V : Vitesse du piston )t2sin
2
t(sinRxV ωωωω
λλλλ
ωωωωωωωω ××××++++××××××××========⇒⇒⇒⇒ & ;
moyV : vitesse moyenne du piston
60
L2
Vmoy
××××
====⇒⇒⇒⇒
a : Accélération du piston )t2cost(cosRxa 2
ωωωωλλλλωωωωωωωω ××××++++××××××××======== &&
x , V et a dépendent de λλλλ
Exemple : L = 77 mm
3,0A ====λλλλ ⇒ lA = 128 mm
2,0B ====λλλλ ⇒ lB = 192 mm
PMH
x = 0
PMB
x = L
x
l
R
ϕϕϕϕ
2
L
R ====
Moteurs thermiques alternatifs page 11
4.3 – Cycles dans les moteurs alternatifs
.Le fonctionnement cyclique nécessite le renouvellement de la charge à chaque cycle. Caque cycle se décompose en 4 phases pour les moteurs dit
« 4 temps » (2 pour les « 2 temps »).
CYCLE 4 TEMPS
1) Admission du mélange :
Phase d’admission
– Remplissage du cylindre
– Fluide admis : air ou
mélange inflammable (air +
carburant) ;
– Début : Chambre de
combustion = système
ouvert par les orifices
d’admission ;
– Fin : Chambre de
combustion = système
fermé étanche
2) Compression des gaz :
Phase de compression
– Compression par la
remontée du piston ;
– Elévation de la
pression et de la
température du fluide ;
– Si le fluide admis est
uniquement de l’air, alors
l’injection de carburant se
fait
en fin de compression
(exemple : cycle DIESEL)
3) Combustion du mélange :
Phase de combustion - détente
– Début de la combustion lorsque le mélange
à les conditions propices à
l’inflammation. Peut être commandé par un
arc électrique (cycle OTTO)
– Energie calorifique dégagée
⇒ augmentation de Pression
– L’augmentation de pression des gaz va
exercer une force sur la tête du piston et
repousser ce dernier vers le bas
⇒ Phase de détente
– Cette phase est la seule qui procure un
travail moteur sur le vilebrequin
4) Echappement des gaz brûlés : Phase
d’échappement
– Evacuation des gaz brûlés pour le
renouvellement de la charge fraîche
– Début : Chambre de combustion. =
système ouvert par les orifices
d’échappement ;
– Fin : Fermeture des orifices
d’échappement (mais système encore
ouvert)
– Renouvellement du prochain cycle ⇒
Phase d’admission, compression, etc..
Le déroulement du cycle complet se fait sur 2 tours moteurs L’utilisation d’un système de distribution indispensable ( ω AAC = 0.5 × ω Mot )
Moteurs thermiques alternatifs page 12
CYCLE 2 TEMPS
Déroulement du cycle complet
sur 1 tour moteur :
– Phase de compression ⇒
Lors de la remontée du piston ;
– Phase de combustion et
détente ⇒ Lors de la descente
du piston ;
Renouvellement de la charge
fraîche possible uniquement
vers le PMB
PROCESSUS DE BALAYAGE
Le cycle 2-temps nécessite un processus de
balayage afin de transférer les gaz frais de
l’admission à l’échappement :
Possibilité également d’utiliser des clapets
pour éviter le refoulement des gaz. L’admission se
fait alors directement dans le carter de vilebrequin.
Lors de la descente du piston vers le PMB, les
clapets se ferment et les gaz ne peuvent pas être
refoulés vers l’extérieur. L’admission est régulée
automatiquement.
Boîte à
clapets
Transferts
Echappement
Moteurs thermiques alternatifs page 13
LES DIESELS MARINS 2-temps
Le plus puissant moteur diesel actuel se
nomme Wartsila- Sulzer rta96- C.
C’est un moteur deux temps turbodiesel,
disponible en versions de 6 à 14
cylindres en ligne. Ces moteurs sont
uniquement utilisés pour les bateaux
porte-conteneurs.
Quelques données techniques :
la cylindrée unitaire est 1 820 000 cm3
,
celle globale de la version à 14 cylindres
est de 25 480 litres ; la puissance de la
version à 14 cylindres est de 80165 kW,
le couple maxi est de 7,6 x 106
Nm au
régime de 102 tr/min. La masse du
moteur est de 2 086 tonnes.
La consommation moyenne au régime le
plus économique est de 6000
litres/heure de gasoil… et il s’agit d’un
des moteurs plus efficaces au monde
(avec un rendement au-delà du 50%).
Ce type de moteurs est habituellement
jumelée à un générateur de vapeur qui
exploite la chaleur des gaz
d’échappement pour entraîner un turbo-
alternateur à vapeur qui produit de
l’énergie électrique pour toutes les
nécessités du navire. Le rendement
atteint ainsi 70%. Remarquez que le piston n’est pas lié directement à la bielle mais par l’intermédiaire
d’un dispositif de guidage en translation. Ceci permet de réduire les efforts radiaux piston/cylindre.
4.4 – Les flux dans les moteurs à piston
4.4.1 - Les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)
CIRCUIT D’ADMISSION
– Prise d’air assurée par les orifices d’admission
– Éventuellement couplé à un système de suralimentation (1 ou 2 étages)
PISTON
Vilebrequin
Guidage tige
Bielle
Tige
PISTON
Moteurs thermiques alternatifs page 14
CIRCUIT DE CARBURANT
1. Admission d’un mélange air + carburant ⇒ Injection indirecte (à la chambre de comb.) dans le circuit
d’admission (monopoint ou multipoint)
2. Admission d’air uniquement dans le cylindre ⇒ Injection du carburant directement dans la chambre
de combustion.
4.4.2 - Les moteurs à allumage par compression (moteur diesel)
SYSTEME D’INJECTION DIESEL
Sa fonction est le dosage et la distribution, en fonction de la vitesse et de la charge du moteur. Mais
aussi d'introduire, de pulvériser et de répartir le combustible dans les cylindres au meilleur moment. Il
peut être décomposé en trois parties principales :
- Le circuit d’alimentation ;
- Le circuit d’injection ;
- Le circuit de retour.
Le circuit d’alimentation
C’est un circuit « basse pression » et sa fonction est d'alimenter en carburant liquide le circuit d’injection
1. Réservoir 5. Régulateur (avance)
2. Pompe d’alimentation 6. Régulateur (débit)
3. Filtre à carburant 7. Porte-injecteur + injecteur
à une pression déterminée. Il est constitué
d’un réservoir, d’une pompe, d’un filtre et
de tuyauterie.
Le circuit de retour
Il permet la récupération du carburant
excédentaire ou des fuites des deux autres
circuits.
Le circuit d’INJECTION
On distingue plusieurs catégories :
A) SYSTEME D’INJECTION CLASSIQUE
Utilisé dans les moteurs « ancienne
génération », il utilise une pression
comprise entre 100 et 200 bars.
Il possède une commande d’injection
mécanique ou électronique.
4. Pompe d’injection 8. Conduite de retour
Ex : Système d’injection mécanique
Classique
Moteurs thermiques alternatifs page 15
B) INJECTION HAUTE PRESSION A RAMPE
COMMUNE
Par rapport à l’injection classique, la pompe
d’injection est remplacée par une pompe haute
pression (1300-1800 bars). De ce fait, la
pression d’injection est indépendante de la
vitesse de rotation du moteur et demeure
constante pendant la phase d’injection. Le
pilotage de l’injection se fait individuellement par
un calculateur électronique et laisse une grande
latitude de programmation aux motoristes.
C) INJECTEUR POMPE
Troisième évolution de l’injection directe,
l'injecteur pompe, comme son appellation
l'indique, assure au sein du corps d’injection les
fonctions de pompe et d'injecteur. Cet élément
est donc autonome et est indépendant pour
chaque cylindre.
La partie pompe est placée au dessus de
1 : injecteur ; 2 : tuyauterie haute pression ; 3 : rampe
commune ; 4 : pompe haute pression ; 5 : boitier
électronique de commande ; 6 : courroie
d’entraînement (distribution) ; 7 : liaisons entrées-
sorties
l'injecteur qui se situe dans la culasse. Les tuyauteries sont de ce fait supprimées et la haute pression
est produite uniquement dans un très petit volume.
L'injecteur pompe permet de très hautes pressions, de l'ordre de 2000 bars. L'élément pompe implanté
directement au dessus de l'injecteur (voir schéma) est actionné par une came supplémentaire rapportée
sur l'arbre à cames par l'intermédiaire d’un "culbuteur" à galet tourillonnant sur un axe spécifique.
5 – Quelques dispositifs d’amélioration des performances
5.1 – Les systèmes à distribution variable
Pour chaque distribution, les valeurs temporelles choisies pour l'ouverture et la fermeture des soupapes
conviennent uniquement à une vitesse donnée des gaz dans les conduits et, par conséquent, pour une
vitesse donnée du moteur. Par exemple, le retard à la fermeture des soupapes d'admission, qui se
produit souvent entre 45°et 70°après le P.M.B., e st calculé de façon â récupérer l'énergie cinétique des
gaz à 5 000 tr/mn, mais provoque un rejet du mélange à 1 000 tr/mn lorsque cette énergie est faible par
suite de la vitesse réduite des gaz frais. Pour ces raisons, les motoristes ont mis en place des systèmes
de distribution à calage variable, c'est à dire susceptibles de changer, suivant le régime moteur, la levée
et le temps d'ouverture des soupapes. Les dispositifs se déclinent en deux familles parfois imbriquées :
Le déphasage des profils de cames La levée de soupape variable
Ces deux systèmes peuvent cohabiter et assurer à la fois le déphasage et la levée variables.
LEVÉE DE SOUPAPE VARIABLE : Système Valvetronic
Il permet la levée des soupapes variable. Dans les systèmes d'admission en air des véhicules essences
classiques, le papillon des gaz provoque (au ralenti, charge transitoire, et mi charge) une dépression
importante dans la tubulure d'admission ce qui détériore le rendement du moteur.
Le dispositif « Valvetronic » permet une commande variable de l'ouverture et le point de fermeture des
soupapes d'admissions. Grâce à ce mode de fonctionnement, le papillon reste ouvert :
Le remplissage des chambres de combustion est améliorée ;
Le mélange air/carburant est plus homogène à bas régime.
Moteurs thermiques alternatifs page 16
La came, liée à l’arbre à came, entraîne en rotation le basculeur suivant le sens représenté sur les trois
dessins. En A, B et C, le basculeur est en position extrême.
En A, l’excentrique n’agit pas sur le basculeur ⇒ la came (arbre à came) n’a aucun effet sur le levier,
donc sur la soupape qui reste fermée.
En B, la roue dentée entraîne l’excentrique qui agit sur le basculeur. Celui-ci actionne le levier qui
pousse la soupape ⇒ la soupape s’ouvre légèrement.
En C, l’excentrique est en position extrême : le basculeur est également en position maxi ce qui donne
une ouverture de soupape en pleine ouverture.
Une infinité de position sont possibles avec une levée de soupape comprise entre 0 et 10 mm.
DEPHASAGE DES PROFILS DE CAMES
Système Vanos
Dans ce dispositif, les deux arbres à cames ne
sont pas entraînés directement par le vilebrequin,
mais par déphaseur hydraulique qui crée un
déphasage angulaire entre arbre à came et chaîne
de distribution.
Ce déphasage atteint environ ± 35°et la
commande s’effectue en fonction des paramètres
vitesse rotation moteur et position accélération.
A bas régime moteur, les soupapes d’admission
seront ouvertes plus tard (léger retard).
A régime modéré, les soupapes d’admission
seront ouvertes plus tôt (avance).
A plein régime, l’ouverture des soupapes sera à
nouveau retardée
Système VTEC
L’arbre à came possède 3 cames pour 2
soupapes.
A bas régimes (jusqu’à 5000 tr/min), les soupapes
sont actionnées par les deux profils standards
extérieurs par l’intermédiaire de deux basculeurs.
A haut régimes (> 5000 tr/min), les trois
basculeurs sont liés (dispositifs hydraulique
commandé électroniquement) et le profil de came
central plus pointu et déphasé actionne les
soupapes.
Excentrique Basculeur
Came
Levier
Soupape
Roue dentéeMvt de rotation
du basculeur
Basculeur
Profil de came pointu
Profil de
came
standard
Basculeurs
Moteurs thermiques alternatifs page 17
5.2 – Les dispositifs de rapport de compression variable (VCR)
Le rendement maximal d’un moteur à allumage commandé qui est d’environ 30%, ne dépasse pas 10 à
15 % aux faibles charges partielles. C’est ce que l’on rencontre 80 à 90 % du temps en utilisation
urbaine avec un véhicule [1]. Pour augmenter le rendement sur cette plage de fonctionnement, une des
solutions constructives consiste à faire varier le rapport de compression volumétrique.
Dans le moteur à allumage commandé, la régulation de la charge est réalisée principalement par le
vannage de la quantité d'air admise (avec un papillon de gaz). Ce moyen de régulation engendre non
seulement des pertes par pompage, mais également la baisse du rapport réel de compression. Quand la
charge admise décroit, la masse admise décroit donc la pression de fin de compression baisse. C’est
l’inconvénient principal des moteurs à allumage commandé : un rapport réel de compression variable.
Le moteur à allumage commandé idéal devrait avoir un rapport de compression élevé aux faibles
charges partielles et un rapport plus faible aux charges élevé.
La technique VCR (Variable Compression Ratio) sert notamment à adapter le volume de la chambre de
combustion à la masse de gaz qu’on y introduit.
Le premier brevet de cette technique est apparu en 1932 et on assiste depuis quelques années à une
explosion de solutions de moteurs à rapport de compression volumétrique variable.
DISPOSITIF MCE-5
En prenant appui sur la crémaillère du piston de réglage
(2), le pignon basculeur (4) se comporte comme un
levier qui amplifie le déplacement du piston moteur (1)
par rapport à celui de l’axe supérieur de la bielle (5)
réalisant la liaison pivot avec le pignon (4). Le
déplacement du piston de réglage (2) modifie la position
du point d’appui du pignon basculeur (4), ce qui a pour
résultat de déplacer la course du piston moteur (1) par
rapport au carter (0), en ne modifiant ni son amplitude, ni
sa loi cinématique. Seuls changent les valeurs mini et
maxi du volume de la chambre de combustion, donc le
rapport volumétrique.-
Du fait de l’amplitude limitée de sa rotation, le pignon basculeur (4) ne comporte que 4 dents coté piston
moteur (1), et 4 dents coté piston de réglage (2).
Carter
cylindre (0)
Piston (1)
+ tige avec
crémaillère
Piston de
réglage (2)
Guidage (3)
en translation
du piston
Vilebrequin (6)
Pignon
Basculeur (4)
Bielle (5)
(1)
(0)
(2)
(4)
(5)
(6)
(3)
(1)
(4)
Moteurs thermiques alternatifs page 18
5.3 – Les moteurs 2T
L’OPOC
OPOC est l'abbréviation de Opposed Piston Opposed Cylinder. Pistons et cylindres opposés, une
architecture originale, mais qui n'a rien de nouvelle, elle existait déjà il y a 100 ans. Cela n'a rien à voir
avec l'architecture d'un 6 cylindres Porsche, puisque dans ce moteur OPOC, il y a en fait 2 pistons par
cylindre. Ils sont opposés l'un à l'autre, et fonctionnent au même rythme. Quand un piston est au point
mort haut, l'autre est au point mort bas, et vice-versa. Le cycle est à 2 temps, et cela fonctionne avec un
allumage par compression. Cela marche parfaitement bien, on l'avait constaté dés les débuts du XX°
siècle... A la condition que le moteur tourne à un régime stationnaire très lent, par exemple 300 tr/mn.
2-TEMPS DIESEL
Daihatsu a proposé récemment un moteur 2 temps diesel bicylindre de 1200 cm3
sous le nom 2CDDI-II.
Son mode d’admission utilise un système hybride de balayage associant un turbocompresseur et un
compresseur volumétrique. L’injection est assurée par un système Common rail. Un circuit EGR réduit le
niveau d’émission, le constructeur annonce par ailleurs un niveau particulièrement bas de NOx ( ?). Sa
puissance est de 65 kW (88 ch) et son couple de 230 Nm. Le moteur 2CDDI-II comporte aussi un arbre
équilibré supprimant les vibrations de rotation du moteur.
[1] P. Podevin, G. Descombes, A. Clenchi, V. Hara, C. Zahaaria - Amélioration du rendement, aux
charges partielles, des moteurs à allumage commandé par l’augmentation du taux de compression –
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  • 1. . MOTEURS THERMIQUES ALTERNATIFS Renault RS24 590 kW (+ 800 cv) 18000 tr/min ; 5000 pièces dont 1500 en mouvement ; Consommation moyenne 70l/100km ; Lubrifié par 12 l d’huile ; 15 jours pour assembler un moteur ; 6 semaines pour fabriquer un vilebrequin. PLAN 1 – Introduction 3 2 - Les moteurs thermiques alternatifs ou à combustion interne 3 3 - Constitution des moteurs thermiques 4 3.1 – Les organes fixes 4 3.2 – Les organes mobiles 5 3.3 – Les organes annexes 8 4 - Principe de fonctionnement 9 4.1 – Définitions et notations 9 4.2 – Mécanique du moteur alternatif 10 4.3 – Les cycles des moteurs alternatifs 11 4.4 – Les flux dans les moteurs à pistons 13 4.4.1 - Les moteurs à allumage commandé (moteur à essence) 13 Conduit d’admission 13 Circuit de carburant 14 4.4.2 - Les moteurs à allumage par compression (moteur diesel) 14 Système d’injection classique 14 Injection haute pression à rampe commune 15 Injecteur pompe 15 5 – Quelques dispositifs d’amélioration des performances 15 5.1 – Les dispositifs à distribution variable 15 Système « Valvetronic » 15 Système « Vanos » 16 Système « VTEC » 16 5.2 – Les dispositifs à taux de compression variable 17 5.3 – Les monteurs 2T 18
  • 2.
  • 3. Moteurs thermiques alternatifs page 3 1 – Introduction RAPPEL : Moteurs = Générateurs d’énergie mécanique ENTREE du système : 1 source énergétique SORTIE ⇒ 1 travail mécanique (Eméc) ⇒ Force ou Couple 2 – Les moteurs thermiques alternatifs ou à combustion interne Gamme NNbb.. CCyyll.. AAllééssaaggee CCyyll.. UUnniitt.. PPeeffff [[kkWW]] NN [[ttrr//mmiinn]] LLoonngg.. MMaassssee MMiinn 11 66 mmmm 00,,1166 ccmm33 00,,0022 ≈≈ 6600 ≈≈ 44 ccmm 1144 gg MMaaxx ≈≈ 2277 >> 11 mm >> 22 mm33 7755000000 >> 3300000000 >> 2200mm >> 22000000 TT Application - Transport : Véhicules 2 roues, automobiles, routier, transport maritime, aéronautique - Production d’énergie : Génératrices, groupes de cogénération (chaleur-force) - Machines : Machines de chantier, machines agricoles - Autres : Modélisme, … Familles de moteurs alternatifs Les cycles thermodynamiques : - Cycle 2Temps / Cycle 4Temps Mode de combustion : - Allumage commandé : OTTO ou SI Engine (Spark Ignition) - Allumage par compression : DIESEL ou CI Engine (Compression Ignition) - Allumage à charge stratifié ou SC Engine (Stratified Charge), FSI, GDI… - Allumage par injection de carburant : Dual-Fuel (démarrage fuel puis fonctionnement gaz) Nature du carburant : - Moteurs à essence, Diesel, GNV (Gaz Naturel pour Véhicule) , GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), GNL (Gaz Naturel Liquéfié : méthane), Fuel Lourd.. - Carburants spéciaux : Alcools (Méthanol, Ethanol), huiles végétales, H2 (Hydrogène), … Energie thermique Energie électrique Energie hydraulique Energie pneumatique Conversion en énergie mécanique Moteur rotatif Moteur linéaire Force x déplacement Couple Système moteur
  • 4. Moteurs thermiques alternatifs page 4 Alimentation en carburant / Système d’injection : - Carburateur : mono ou multi-corps ; - Injection : mono ou multipoint, injection directe / indirecte ; - Système d’injection haute pression : Common rail, pompe unitaire, Inj. Pompe. Alimentation en air : - Moteurs à aspiration naturelle, moteur dit « atmosphériques » ; - Moteurs suralimentés : turbocompresseur, compresseur mécanique, … Mode de refroidissement : - Liquide / Air Mode de lubrification : - Carter d’huile / Carter sec ; Caractéristiques géométriques : - Nombre de cylindre : monocylindre, multicylindres - Système de distribution : Nombre de soupape, type de l’arbre à came - Disposition des cylindres : L, V, B, W, X, U, O 3 – Constitution des moteurs thermiques 3.1 – Les organes fixes LE BLOC MOTEUR C'est "le châssis" du moteur : Il relie l’ensemble des composants (culasse, vilebrequin, embrayage, BV…) ; Il permet la fixation des organes auxiliaires (alternateur, compresseur de clim, …) ; Il assure la liaison entre moteur et châssis.
  • 5. Moteurs thermiques alternatifs page 5 LA CULASSE Elle sert de couvercle en haut des cylindres. Souvent, elle comporte les chambres de combustion, les bougies, les injecteurs, les conduits d'air (admission et échappement). CARTER INFERIEUR Il sert de réserve pour l'huile de graissage et participe également à son refroidissement. LES JOINTS Ils sont nombreux, le principal étant le joint de culasse. 3.2 – Les organes mobiles LE VILEBREQUIN Le vilebrequin reçoit l'effort transmis par la bielle et fournit un mouvement circulaire à la sortie du moteur. Un volant moteur, monté à l’extrémité du vilebrequin régularise le mouvement de rotation. A : portées (liaison avec carter moteur) ; B : masselotte d’équilibrage ; C : maneton (liaison avec les bielles) ; D : extrémités de liaison (BV, …). LA BIELLE Elle assure la liaison entre le piston et le vilebrequin Le pied de bielle est lié à l’axe du piston, et la tête de bielle est liée au vilebrequin. Elle est responsable, en partie, des problèmes d’équilibrage des moteurs alternatifs LE PISTON Elle assure la liaison entre le piston et le vilebrequin Tête de bielle pied de bielle
  • 6. Moteurs thermiques alternatifs page 6 LA DISTRIBUTION Sur les moteurs 4-temps, elle gère l’ouverture et la fermeture des soupapes, donc l’admission et l’échappement des gaz. La distribution est composée d’un arbre à came entrainé par le vilebrequin, de soupapes actionnées à l’ouverture par une came (le retour en position initiale est assuré généralement par un ressort) Arbre à cames : L'arbre à cames, appelé également « arbre de distribution », commande l'ouverture des soupapes, en transformant le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement longitudinal actionnant les soupapes. L’ouverture des soupapes est imposée par le profil de la came. Soupapes - Rôle : assurer le transfert des fluides - Etanchéité aux gaz (portée & siège) - Rappel mécanique par ressort ou par came (desmodromique) - Rappel pneumatique Disposition de l’AAC : – Latéral : (1) – En tête (commande par linguet ou tige) : (2) – En tête (commande par culbuteur) : (3) – En tête (attaque directe) : (4) Commande de distribution : - Entraînement du système de distribution ⇒ Par chaîne ou courroie (incl. tendeurs) ; ⇒ Par pignon. - Entraînement des auxiliaires et accessoires ⇒ Pompes : eau, huile, carburant ; ⇒ Alternateurs ; ⇒ Compresseurs : air, climatisation ; ⇒ Prises de force (entraînement mécanique). Came Ressort Culasse soupape
  • 7. Moteurs thermiques alternatifs page 7 Moteur BMW N47, 2000cm3 , puissance développée 130 à 180 kW suivant configuration Représentation de l’attelage (vilebrequin = bielle + piston) et de la distribution Arbres à cames Chaînes de distribution Piston Volant moteur Vilebrequin Bielle Soupape Arbre d’équilibrage Ressort de soupape Basculeur Dispositif de réglage de jeu Guide de chaîne
  • 8. Moteurs thermiques alternatifs page 8 3.3 – Les organes annexes LE CIRCUIT DE LUBRIFICATION Il assure la lubrification des pièces en mouvement et participe au refroidissement du moteur. Il est constitué : D’un réservoir d’huile ou carter ; D’une pompe d’alimentation ; D’un clapet de décharge ; Des circuits d’huile internes ; Des conduits externes ; De filtre(s) à huile ; D’échangeurs (eau-huile). LE CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT Il évacue l’énergie thermique non transformée en énergie mécanique. Il est constitué : 1 : un circulateur (pompe à eau) ; 2 : un boiter thermostatique ; 3 : un échangeur air/eau (radiateur) ; 4 : un vase d’expansion (trop plein) ; 5 : un radiateur de chauffage intérieur (véhicule) ; 6 : une vanne de commande du chauffage. UN CIRCUIT D’ECHAPPEMENT Il permet l’évacuation des gaz brulés, il est constitué en général : – Système d’atténuation de bruit (_ dB) ; – Système de dépollution ; – Système de suralimentation (Turbo). UN CIRCUIT ELECTRIQUE Il permet le démarrage (démarreur) du moteur et la recharge (alternateur) de la batterie (accumulateur d’électricité). DISPOSITIF D’ALLUMAGE (moteur à allumage commandé : essence) Permet l'inflammation du mélange gazeux dans la chambre de combustion. C’est la bougie qui génère des milliers d'arcs électriques par minute tout en résistant à la chaleur et à la pression engendrées par les explosions à l'intérieur du cylindre. MOTEUR 1 2 3 4 5 6
  • 9. Moteurs thermiques alternatifs page 9 SURALIMENTATION Pour augmenter la puissance d’un moteur, nous pouvons agir sur sa vitesse de rotation ou son couple (P = C.ωωωω). L'accroissement de la vitesse de rotation d'un moteur est vite limité par l'inertie des pièces en mouvement et les limites de la résistance au frottement des métaux qui le composent, de plus celle-ci se fait généralement au détriment de la fiabilité. Comme le couple est proportionnel à l’effort sur les pistons, donc à la pression due à la combustion, il suffit d’augmenter la quantité d’air + carburant admise dans la chambre de combustion pour augmenter le couple moteur. C’est le rôle de la suralimentation. On utilise pour cela : Soit un compresseur centrifuge entraîné par une turbine (turbo compresseur). Turbo compresseur Soit un compresseur volumétrique (Roots, Volumex...) entraîné mécaniquement par le moteur ; Compresseur volumétrique La technique de suralimentation par turbocompresseur consiste à détendre les gaz d’échappement sur une turbine et entraîner un compresseur centrifuge interposé entre l’arrivée d’air et les tubulures d’admission. On ajoute généralement un échangeur (intercooler) pour abaisser la température due à l’augmentation de pression. 4 – Principe de fonctionnement 4.1 – Définitions et notations D : Alésage L : Course R : Rayon de manivelle ⇒ PMH : Point mort haut PMB : Point mort bas V0 : Volume mort ⇒ V0 = VPMH VU : Cylindrée unitaire ⇒ L 4 D V 2 u ×××× ×××× ==== ππππ = Volume balayé par le piston VC : Volume total maximal ⇒ VC = VPMB = V0 + VU n : Nombre de cylindres Vcyl : Cylindrée totale du moteur ⇒ Vcyl = n x VU εεεε : Rapport volumétrique de compression ⇒ 0 0U V VV ++++ ====εεεε 2 L R ====
  • 10. Moteurs thermiques alternatifs page 10 4.2 – Mécanique du moteur alternatif D : Alésage L : Course l : Longueur de bielle ; ϕϕϕϕ : Angle de manivelle ou angle de vilebrequin ; L R ====λλλλ : Coefficient de bielle (rapport manivelle/bielle) ; )(fx ϕϕϕϕ==== : Equation du mouvement du piston )sin 2 cos1(Rx 2 ϕϕϕϕ λλλλ ϕϕϕϕ ××××++++−−−−××××====⇒⇒⇒⇒ )2sin 44 cos1(Rx ϕϕϕϕ λλλλλλλλ ϕϕϕϕ ××××−−−−++++−−−−××××==== 60 2 ππππ ωωωω ×××× ==== : vitesse angulaire (rad/s), avec t××××==== ωωωωϕϕϕϕ ; N : Fréquence de rotation (tr/min) ; V : Vitesse du piston )t2sin 2 t(sinRxV ωωωω λλλλ ωωωωωωωω ××××++++××××××××========⇒⇒⇒⇒ & ; moyV : vitesse moyenne du piston 60 L2 Vmoy ×××× ====⇒⇒⇒⇒ a : Accélération du piston )t2cost(cosRxa 2 ωωωωλλλλωωωωωωωω ××××++++××××××××======== && x , V et a dépendent de λλλλ Exemple : L = 77 mm 3,0A ====λλλλ ⇒ lA = 128 mm 2,0B ====λλλλ ⇒ lB = 192 mm PMH x = 0 PMB x = L x l R ϕϕϕϕ 2 L R ====
  • 11. Moteurs thermiques alternatifs page 11 4.3 – Cycles dans les moteurs alternatifs .Le fonctionnement cyclique nécessite le renouvellement de la charge à chaque cycle. Caque cycle se décompose en 4 phases pour les moteurs dit « 4 temps » (2 pour les « 2 temps »). CYCLE 4 TEMPS 1) Admission du mélange : Phase d’admission – Remplissage du cylindre – Fluide admis : air ou mélange inflammable (air + carburant) ; – Début : Chambre de combustion = système ouvert par les orifices d’admission ; – Fin : Chambre de combustion = système fermé étanche 2) Compression des gaz : Phase de compression – Compression par la remontée du piston ; – Elévation de la pression et de la température du fluide ; – Si le fluide admis est uniquement de l’air, alors l’injection de carburant se fait en fin de compression (exemple : cycle DIESEL) 3) Combustion du mélange : Phase de combustion - détente – Début de la combustion lorsque le mélange à les conditions propices à l’inflammation. Peut être commandé par un arc électrique (cycle OTTO) – Energie calorifique dégagée ⇒ augmentation de Pression – L’augmentation de pression des gaz va exercer une force sur la tête du piston et repousser ce dernier vers le bas ⇒ Phase de détente – Cette phase est la seule qui procure un travail moteur sur le vilebrequin 4) Echappement des gaz brûlés : Phase d’échappement – Evacuation des gaz brûlés pour le renouvellement de la charge fraîche – Début : Chambre de combustion. = système ouvert par les orifices d’échappement ; – Fin : Fermeture des orifices d’échappement (mais système encore ouvert) – Renouvellement du prochain cycle ⇒ Phase d’admission, compression, etc.. Le déroulement du cycle complet se fait sur 2 tours moteurs L’utilisation d’un système de distribution indispensable ( ω AAC = 0.5 × ω Mot )
  • 12. Moteurs thermiques alternatifs page 12 CYCLE 2 TEMPS Déroulement du cycle complet sur 1 tour moteur : – Phase de compression ⇒ Lors de la remontée du piston ; – Phase de combustion et détente ⇒ Lors de la descente du piston ; Renouvellement de la charge fraîche possible uniquement vers le PMB PROCESSUS DE BALAYAGE Le cycle 2-temps nécessite un processus de balayage afin de transférer les gaz frais de l’admission à l’échappement : Possibilité également d’utiliser des clapets pour éviter le refoulement des gaz. L’admission se fait alors directement dans le carter de vilebrequin. Lors de la descente du piston vers le PMB, les clapets se ferment et les gaz ne peuvent pas être refoulés vers l’extérieur. L’admission est régulée automatiquement. Boîte à clapets Transferts Echappement
  • 13. Moteurs thermiques alternatifs page 13 LES DIESELS MARINS 2-temps Le plus puissant moteur diesel actuel se nomme Wartsila- Sulzer rta96- C. C’est un moteur deux temps turbodiesel, disponible en versions de 6 à 14 cylindres en ligne. Ces moteurs sont uniquement utilisés pour les bateaux porte-conteneurs. Quelques données techniques : la cylindrée unitaire est 1 820 000 cm3 , celle globale de la version à 14 cylindres est de 25 480 litres ; la puissance de la version à 14 cylindres est de 80165 kW, le couple maxi est de 7,6 x 106 Nm au régime de 102 tr/min. La masse du moteur est de 2 086 tonnes. La consommation moyenne au régime le plus économique est de 6000 litres/heure de gasoil… et il s’agit d’un des moteurs plus efficaces au monde (avec un rendement au-delà du 50%). Ce type de moteurs est habituellement jumelée à un générateur de vapeur qui exploite la chaleur des gaz d’échappement pour entraîner un turbo- alternateur à vapeur qui produit de l’énergie électrique pour toutes les nécessités du navire. Le rendement atteint ainsi 70%. Remarquez que le piston n’est pas lié directement à la bielle mais par l’intermédiaire d’un dispositif de guidage en translation. Ceci permet de réduire les efforts radiaux piston/cylindre. 4.4 – Les flux dans les moteurs à piston 4.4.1 - Les moteurs à allumage commandé (moteur à essence) CIRCUIT D’ADMISSION – Prise d’air assurée par les orifices d’admission – Éventuellement couplé à un système de suralimentation (1 ou 2 étages) PISTON Vilebrequin Guidage tige Bielle Tige PISTON
  • 14. Moteurs thermiques alternatifs page 14 CIRCUIT DE CARBURANT 1. Admission d’un mélange air + carburant ⇒ Injection indirecte (à la chambre de comb.) dans le circuit d’admission (monopoint ou multipoint) 2. Admission d’air uniquement dans le cylindre ⇒ Injection du carburant directement dans la chambre de combustion. 4.4.2 - Les moteurs à allumage par compression (moteur diesel) SYSTEME D’INJECTION DIESEL Sa fonction est le dosage et la distribution, en fonction de la vitesse et de la charge du moteur. Mais aussi d'introduire, de pulvériser et de répartir le combustible dans les cylindres au meilleur moment. Il peut être décomposé en trois parties principales : - Le circuit d’alimentation ; - Le circuit d’injection ; - Le circuit de retour. Le circuit d’alimentation C’est un circuit « basse pression » et sa fonction est d'alimenter en carburant liquide le circuit d’injection 1. Réservoir 5. Régulateur (avance) 2. Pompe d’alimentation 6. Régulateur (débit) 3. Filtre à carburant 7. Porte-injecteur + injecteur à une pression déterminée. Il est constitué d’un réservoir, d’une pompe, d’un filtre et de tuyauterie. Le circuit de retour Il permet la récupération du carburant excédentaire ou des fuites des deux autres circuits. Le circuit d’INJECTION On distingue plusieurs catégories : A) SYSTEME D’INJECTION CLASSIQUE Utilisé dans les moteurs « ancienne génération », il utilise une pression comprise entre 100 et 200 bars. Il possède une commande d’injection mécanique ou électronique. 4. Pompe d’injection 8. Conduite de retour Ex : Système d’injection mécanique Classique
  • 15. Moteurs thermiques alternatifs page 15 B) INJECTION HAUTE PRESSION A RAMPE COMMUNE Par rapport à l’injection classique, la pompe d’injection est remplacée par une pompe haute pression (1300-1800 bars). De ce fait, la pression d’injection est indépendante de la vitesse de rotation du moteur et demeure constante pendant la phase d’injection. Le pilotage de l’injection se fait individuellement par un calculateur électronique et laisse une grande latitude de programmation aux motoristes. C) INJECTEUR POMPE Troisième évolution de l’injection directe, l'injecteur pompe, comme son appellation l'indique, assure au sein du corps d’injection les fonctions de pompe et d'injecteur. Cet élément est donc autonome et est indépendant pour chaque cylindre. La partie pompe est placée au dessus de 1 : injecteur ; 2 : tuyauterie haute pression ; 3 : rampe commune ; 4 : pompe haute pression ; 5 : boitier électronique de commande ; 6 : courroie d’entraînement (distribution) ; 7 : liaisons entrées- sorties l'injecteur qui se situe dans la culasse. Les tuyauteries sont de ce fait supprimées et la haute pression est produite uniquement dans un très petit volume. L'injecteur pompe permet de très hautes pressions, de l'ordre de 2000 bars. L'élément pompe implanté directement au dessus de l'injecteur (voir schéma) est actionné par une came supplémentaire rapportée sur l'arbre à cames par l'intermédiaire d’un "culbuteur" à galet tourillonnant sur un axe spécifique. 5 – Quelques dispositifs d’amélioration des performances 5.1 – Les systèmes à distribution variable Pour chaque distribution, les valeurs temporelles choisies pour l'ouverture et la fermeture des soupapes conviennent uniquement à une vitesse donnée des gaz dans les conduits et, par conséquent, pour une vitesse donnée du moteur. Par exemple, le retard à la fermeture des soupapes d'admission, qui se produit souvent entre 45°et 70°après le P.M.B., e st calculé de façon â récupérer l'énergie cinétique des gaz à 5 000 tr/mn, mais provoque un rejet du mélange à 1 000 tr/mn lorsque cette énergie est faible par suite de la vitesse réduite des gaz frais. Pour ces raisons, les motoristes ont mis en place des systèmes de distribution à calage variable, c'est à dire susceptibles de changer, suivant le régime moteur, la levée et le temps d'ouverture des soupapes. Les dispositifs se déclinent en deux familles parfois imbriquées : Le déphasage des profils de cames La levée de soupape variable Ces deux systèmes peuvent cohabiter et assurer à la fois le déphasage et la levée variables. LEVÉE DE SOUPAPE VARIABLE : Système Valvetronic Il permet la levée des soupapes variable. Dans les systèmes d'admission en air des véhicules essences classiques, le papillon des gaz provoque (au ralenti, charge transitoire, et mi charge) une dépression importante dans la tubulure d'admission ce qui détériore le rendement du moteur. Le dispositif « Valvetronic » permet une commande variable de l'ouverture et le point de fermeture des soupapes d'admissions. Grâce à ce mode de fonctionnement, le papillon reste ouvert : Le remplissage des chambres de combustion est améliorée ; Le mélange air/carburant est plus homogène à bas régime.
  • 16. Moteurs thermiques alternatifs page 16 La came, liée à l’arbre à came, entraîne en rotation le basculeur suivant le sens représenté sur les trois dessins. En A, B et C, le basculeur est en position extrême. En A, l’excentrique n’agit pas sur le basculeur ⇒ la came (arbre à came) n’a aucun effet sur le levier, donc sur la soupape qui reste fermée. En B, la roue dentée entraîne l’excentrique qui agit sur le basculeur. Celui-ci actionne le levier qui pousse la soupape ⇒ la soupape s’ouvre légèrement. En C, l’excentrique est en position extrême : le basculeur est également en position maxi ce qui donne une ouverture de soupape en pleine ouverture. Une infinité de position sont possibles avec une levée de soupape comprise entre 0 et 10 mm. DEPHASAGE DES PROFILS DE CAMES Système Vanos Dans ce dispositif, les deux arbres à cames ne sont pas entraînés directement par le vilebrequin, mais par déphaseur hydraulique qui crée un déphasage angulaire entre arbre à came et chaîne de distribution. Ce déphasage atteint environ ± 35°et la commande s’effectue en fonction des paramètres vitesse rotation moteur et position accélération. A bas régime moteur, les soupapes d’admission seront ouvertes plus tard (léger retard). A régime modéré, les soupapes d’admission seront ouvertes plus tôt (avance). A plein régime, l’ouverture des soupapes sera à nouveau retardée Système VTEC L’arbre à came possède 3 cames pour 2 soupapes. A bas régimes (jusqu’à 5000 tr/min), les soupapes sont actionnées par les deux profils standards extérieurs par l’intermédiaire de deux basculeurs. A haut régimes (> 5000 tr/min), les trois basculeurs sont liés (dispositifs hydraulique commandé électroniquement) et le profil de came central plus pointu et déphasé actionne les soupapes. Excentrique Basculeur Came Levier Soupape Roue dentéeMvt de rotation du basculeur Basculeur Profil de came pointu Profil de came standard Basculeurs
  • 17. Moteurs thermiques alternatifs page 17 5.2 – Les dispositifs de rapport de compression variable (VCR) Le rendement maximal d’un moteur à allumage commandé qui est d’environ 30%, ne dépasse pas 10 à 15 % aux faibles charges partielles. C’est ce que l’on rencontre 80 à 90 % du temps en utilisation urbaine avec un véhicule [1]. Pour augmenter le rendement sur cette plage de fonctionnement, une des solutions constructives consiste à faire varier le rapport de compression volumétrique. Dans le moteur à allumage commandé, la régulation de la charge est réalisée principalement par le vannage de la quantité d'air admise (avec un papillon de gaz). Ce moyen de régulation engendre non seulement des pertes par pompage, mais également la baisse du rapport réel de compression. Quand la charge admise décroit, la masse admise décroit donc la pression de fin de compression baisse. C’est l’inconvénient principal des moteurs à allumage commandé : un rapport réel de compression variable. Le moteur à allumage commandé idéal devrait avoir un rapport de compression élevé aux faibles charges partielles et un rapport plus faible aux charges élevé. La technique VCR (Variable Compression Ratio) sert notamment à adapter le volume de la chambre de combustion à la masse de gaz qu’on y introduit. Le premier brevet de cette technique est apparu en 1932 et on assiste depuis quelques années à une explosion de solutions de moteurs à rapport de compression volumétrique variable. DISPOSITIF MCE-5 En prenant appui sur la crémaillère du piston de réglage (2), le pignon basculeur (4) se comporte comme un levier qui amplifie le déplacement du piston moteur (1) par rapport à celui de l’axe supérieur de la bielle (5) réalisant la liaison pivot avec le pignon (4). Le déplacement du piston de réglage (2) modifie la position du point d’appui du pignon basculeur (4), ce qui a pour résultat de déplacer la course du piston moteur (1) par rapport au carter (0), en ne modifiant ni son amplitude, ni sa loi cinématique. Seuls changent les valeurs mini et maxi du volume de la chambre de combustion, donc le rapport volumétrique.- Du fait de l’amplitude limitée de sa rotation, le pignon basculeur (4) ne comporte que 4 dents coté piston moteur (1), et 4 dents coté piston de réglage (2). Carter cylindre (0) Piston (1) + tige avec crémaillère Piston de réglage (2) Guidage (3) en translation du piston Vilebrequin (6) Pignon Basculeur (4) Bielle (5) (1) (0) (2) (4) (5) (6) (3) (1) (4)
  • 18. Moteurs thermiques alternatifs page 18 5.3 – Les moteurs 2T L’OPOC OPOC est l'abbréviation de Opposed Piston Opposed Cylinder. Pistons et cylindres opposés, une architecture originale, mais qui n'a rien de nouvelle, elle existait déjà il y a 100 ans. Cela n'a rien à voir avec l'architecture d'un 6 cylindres Porsche, puisque dans ce moteur OPOC, il y a en fait 2 pistons par cylindre. Ils sont opposés l'un à l'autre, et fonctionnent au même rythme. Quand un piston est au point mort haut, l'autre est au point mort bas, et vice-versa. Le cycle est à 2 temps, et cela fonctionne avec un allumage par compression. Cela marche parfaitement bien, on l'avait constaté dés les débuts du XX° siècle... A la condition que le moteur tourne à un régime stationnaire très lent, par exemple 300 tr/mn. 2-TEMPS DIESEL Daihatsu a proposé récemment un moteur 2 temps diesel bicylindre de 1200 cm3 sous le nom 2CDDI-II. Son mode d’admission utilise un système hybride de balayage associant un turbocompresseur et un compresseur volumétrique. L’injection est assurée par un système Common rail. Un circuit EGR réduit le niveau d’émission, le constructeur annonce par ailleurs un niveau particulièrement bas de NOx ( ?). Sa puissance est de 65 kW (88 ch) et son couple de 230 Nm. Le moteur 2CDDI-II comporte aussi un arbre équilibré supprimant les vibrations de rotation du moteur. [1] P. Podevin, G. Descombes, A. Clenchi, V. Hara, C. Zahaaria - Amélioration du rendement, aux charges partielles, des moteurs à allumage commandé par l’augmentation du taux de compression – COFRET’04, Energie-Environnement-Economie et Thermodynamique ; Nancy, France, Avril 2004. ;