Dans un précédent article d'Auto pour les nuls, nous expliquions la différence entre un moteur diesel et un moteur essence. Aujourd'hui, nous nous concentrons spécifiquement et en même temps généralement sur les fonctionnement du moteur à combustion interne dans ses parties principales. Ce type de moteur, utilisé sur les premières machines thermiques de la fin du XIXe siècle, permet d'appliquer une chaîne de transformation d'énergie à travers divers composants bien conçus en synergie les uns avec les autres.
Une des visions qui aident à comprendre le fonctionnement d'une voiture et son cœur battant, le moteur, est donnée en imaginant chaque composant comme un élément capable de jouer un rôle précis. Grâce à cette prémisse, il sera très facile de concevoir comment le moteur à combustion interne est capable de transformer l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique transmis aux roues.
Bloc moteur et cylindrée
Comme prévu dans l'introduction, avant de comprendre comment en pratique le moteur est capable de transformer le carburant, qu'il s'agisse de diesel ou d'essence, en mouvement, analysons les principaux éléments avec lesquels fonctionne le moteur à combustion interne. Le bloc moteur il représente la partie la plus massive et la plus robuste de ce qui se trouve sous chaque capot. Le fond de cette "boîte", en fonte ou en aluminium, présente des trous cylindriques évidents dans lesquels viennent se loger les pistons. Ces derniers sont libres de monter et de descendre, pour être plus précis que le mouvement alternatif, grâce à la chimie de la combustion dont nous parlerons plus loin. Mais ce qui régule le mouvement des pistons à l'intérieur de la soi-disant chambre de combustion?
Commençons par donner quelques définitions immédiates. Quand tu entends parler V6, V8 o V12 il fait référence au nombre de cylindres présents à l'intérieur du bloc moteur. Donc si on va analyser un moteur 4 cylindres, l'un des plus courants sur les voitures de tous les jours, on aura donc affaire à quatre trous couplés à quatre pistons en mouvement. Là déplacement au lieu de cela, il représente la taille, en litres ou en cm3, des trous cylindriques qui contiennent les pistons - pour être précis, ce serait le volume balayé par le piston à l'intérieur du cylindre le long de sa course mais nous nous limitons à en analyser les principaux concepts. Un quatre cylindres de 1000 cm3, correspondant à 1 litre, sera donc un moteur dans lequel chaque cylindre pourra contenir environ ¼ de litre, l'équivalent d'un verre plein d'eau, du mélange explosif d'air et de carburant. .
Analysons un seul piston pour plus de simplicité. Dans la partie supérieure du cylindre, il y a deux trous : un par où entre le mélange et un d'où sortent les gaz brûlés à la fin du cycle thermodynamique. C'est là que le vannes, des éléments mécaniques capables de fermer et d'ouvrir ces trous avec un timing fondamental. Dans la chambre de combustion d'un moteur à quatre temps, les phases de admission, compression, détente et échappement. Exactement dans la première et la dernière de ces phases, les soupapes, respectivement d'entrée et de sortie, s'ouvrent et se ferment permettant au mélange d'entrer et aux gaz d'échappement de s'échapper. Des techniques comme le calage de l'allumage permettent de tout optimiser.
L'arbre à cames et les soupapes
Vous comprenez bien que régler ces différentes phases pour tous les cylindres présents n'est pas du tout facile. Cette magie, en plus du réglage électronique, est régulée par learbre à cames: un long cylindre qui longe toute la tête du moteur et « tire » et pousse mécaniquement le vannes afin d'ouvrir et de fermer les orifices d'admission et d'échappement au bon moment. La rotation de cet arbre, petite par rapport au vilebrequin dont nous parlerons plus loin, est donnée par le ceinture . L'arbre à cames est mis en rotation par ce composant qui exploite le mouvement du moteur lui-même en rotation constante.
Cela semble compliqué, mais pensez-y comme ceci : le but du moteur est de faire tourner les roues. Les pistons génèrent un mouvement alternatif ("haut et bas") qui se transforme au moyen d'une cinématique appropriée (mot compliqué pour définir des éléments mécaniques en mouvement) en la rotation d'une "roue" (volant). Cette roue est reliée à l'arbre d'entraînement qui, en tournant sur lui-même, transmet le mouvement aux roues à travers l'ensemble diffuser dont nous ne parlerons pas dans cet article.
Une partie de la rotation est "volée" au mouvement des roues pour faire tourner l'arbre à cames à droite à travers une courroie, une chaîne ou un jeu d'engrenages. Vous savez maintenant comment notre moteur, une fois le mouvement "vertical" généré, porte la rotation auvilebrequin et en même temps ouvre et ferme les vannes qui régulent l'entrée et la sortie du mélange et des gaz d'échappement.
La partie thermique : comment est généré le mouvement
Mécaniquement, le moteur à combustion interne doit être bien conçu en termes de dimensions (géométrie) et de résistance des composants : chaque élément doit travailler en synergie. Mais comment se produit le mouvement alternatif du piston ? La question, toujours en partie mécanique en ce qui concerne le déplacement physique de ce composant, va plus loin sous un plan énergétique. Chaque cylindre est capable d'accueillir une quantité précise de mélange air-carburant et de le faire littéralement exploser immédiatement après la phase de compression. Le mouvement du piston est donné précisément par cette explosion qui en dilatant le mélange génère un effet de pression sur la tête du piston lui-même, le poussant vers le bas.
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Dans le cas d'un moteur à essence, l'explosion est générée par Bougies, composants petits et résistants capables de produire une étincelle et capables d'enflammer le mélange. Concernant un moteur a diesel, l'explosion est plutôt donnée par la compression elle-même à l'intérieur de la chambre de combustion. Pour plus de détails à ce sujet, nous vous renvoyons à un précédent article d'Auto pour les Nuls. Tout comme la poudre à canon pousse une balle dans le canon d'un fusil, l'explosion de carburant pousse le piston vers le bas. Mais comment remonte-t-il ensuite ? Ici un peu de mécanique et d'anticipation reviennent en jeu mécanisme bielle-manivelle (cinématique).
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Il faut savoir que les cylindres ne sont pas tous alignés; en d'autres termes, si l'on considère un moteur à quatre cylindres, dans le même instant deux sont encore au sommet dans la phase de compression tandis que les deux autres viennent d'atteindre le soi-disant point mort bas. L'inertie de ces éléments mobiles (avec une masse spécifique) et la position différente des pistons contribuent à ramener naturellement les pistons à leur point de départ. Le cycle thermodynamique quatre fois il peut ainsi recommencer en aspirant, comprimant, dilatant et refoulant tout ce qui entre dans les cylindres. Composants supplémentaires tels que les conduits d'admission et d'échappement, les injecteurs, le système de refroidissement et le turbocompression ce ne sont là que quelques-uns des autres composants synergiques du moteur à combustion.
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