Analyse complète du moteur : du fonctionnement aux schémas de construction
Cet article, bien que peu approfondi, vise à révéler les mystères du moteur et à servir de référence utile pour le choix d'une moto. Le moteur, élément central du véhicule, fournit la propulsion nécessaire au mouvement, permettant aux pilotes de profiter de la liberté et de l'adrénaline de la conduite. Cependant, il est regrettable que les informations sur les moteurs disponibles en ligne soient souvent incomplètes ou difficiles à comprendre. Après des recherches et une organisation minutieuses, j'ai enfin réussi à interpréter plus clairement les paramètres fondamentaux des motos et à expliquer le principe de fonctionnement du moteur en termes simples. Afin de partager ces connaissances plus largement, j'ai décidé de structurer mes connaissances dans un article destiné aux lecteurs. Pour le décrire, j'ai évité les termes techniques complexes, m'efforçant de présenter les mystères du moteur de manière accessible. Si vous constatez des erreurs ou des omissions lors de votre lecture, n'hésitez pas à me les signaler dans les commentaires ; je les corrigerai dès que possible.
A. Démonstration du processus de fonctionnement du moteur
Ensuite, nous examinons en détail le processus de fonctionnement d'un moteur Ducati bicylindre à quatre temps à travers une vidéo.
Ce moteur, apprécié pour ses performances exceptionnelles et son fonctionnement stable, a conquis de nombreux passionnés de moto.
Grâce à la vidéo, vous pouvez clairement voir le travail coordonné des différents composants du moteur et ressentir la puissance qu'il donne à la moto.
B. Classification des moteurs
Un moteur, également appelé hélice, est un dispositif capable de convertir diverses formes d'énergie en énergie mécanique. Il en existe de nombreux types, notamment les moteurs à combustion interne, les moteurs électriques, les moteurs à vapeur, les turbines et les éoliennes. Parmi ceux-ci, les moteurs thermiques et les moteurs électriques sont deux types courants. Les moteurs thermiques convertissent principalement l'énergie thermique (provenant de l'essence, du diesel, etc.) en énergie cinétique, tandis que les moteurs électriques convertissent l'énergie électrique en énergie cinétique. Actuellement, les moteurs thermiques, qui brûlent de l'essence pour propulser la moto, sont largement utilisés sur le marché de la moto.
Les moteurs utilisés dans les motos sont principalement des moteurs à combustion interne. Leur principe de fonctionnement repose sur la production d'énergie par expansion du carburant en combustion dans un espace confiné. Plus précisément, le mélange air-carburant (avec l'ajout d'une petite quantité d'huile dans les moteurs deux temps pour lubrifier le piston) est enflammé par la bougie ; la chaleur générée par la combustion provoque la dilatation des gaz. Cette force d'expansion est finalement convertie en énergie mécanique et libérée sous forme de puissance par un dispositif mécanique (comme un moteur alternatif).
Le moteur alternatif est la forme la plus courante de moteur à combustion interne. Dans ce type de moteur, les gaz de combustion poussent le piston dans un mouvement alternatif (de haut en bas) ; le piston transmet ensuite ce mouvement linéaire alternatif au vilebrequin, qui le convertit en mouvement rotatif, fournissant ainsi la puissance à la moto.
C. Analyse détaillée de la construction du moteur et glossaire des termes
Examinons maintenant de plus près la structure interne du moteur. Prenons l'exemple d'un moteur à quatre temps : son principe de fonctionnement et les noms de ses composants sont illustrés dans la figure.
En comprenant ces détails de construction, nous pouvons mieux comprendre comment le moteur convertit efficacement la chaleur en mouvement.
1. E : Arbre à cames d'échappement
2. I : Arbre à cames d'admission
3. S : Bougie
La bougie d'allumage est responsable de la génération de l'étincelle électrique qui enflamme le mélange comprimé et atomisé d'essence et d'air.
4. V : Valve
La soupape contrôle l'entrée du mélange air-carburant dans la chambre de combustion et l'expulsion des gaz d'échappement après la combustion.
5. P : Piston
Le piston est appelé le « composant central » du moteur.
Il est responsable de la conversion de l'énergie de combustion dans le cylindre en énergie mécanique et de la transmission de la puissance au vilebrequin via la bielle.
Il remplit également la tâche cruciale de résister à l'environnement de combustion à haute température et haute pression et, avec la culasse et les parois du cylindre, forme la chambre de combustion.
Sa partie supérieure est généralement équipée de deux bagues d'étanchéité (bagues d'huile) et d'une bague racleur d'huile (bague racleur d'huile) pour empêcher le mélange frais et les gaz d'échappement de pénétrer dans le carter et pour empêcher l'huile du carter de pénétrer dans la chambre de combustion.
6. R : Bielle du moteur
La bielle, dispositif clé de transmission de puissance, est responsable de la transmission de la force générée par le piston au vilebrequin, entraînant ainsi l'ensemble du système moteur.
7. C : Vilebrequin
Le vilebrequin, ce long arbre rotatif, est un composant indispensable. Il convertit habilement l'énergie cinétique du mouvement linéaire alternatif du piston en énergie cinétique de rotation, assurant ainsi le fonctionnement normal du système moteur. Cependant, en fonctionnement, le vilebrequin est soumis à des frottements importants, ce qui entraîne son usure. C'est pourquoi les concepteurs ont spécialement créé des orifices d'huile à la surface du vilebrequin afin de garantir une lubrification optimale de chaque recoin, réduisant ainsi efficacement les pertes par frottement et prolongeant la durée de vie du vilebrequin.
8. W : Chemise d'eau (pour le refroidissement liquide)
La chemise d'eau, élément essentiel du système de refroidissement du moteur, refroidit la chambre de combustion à haute température, préservant ainsi la durée de vie du moteur d'une chaleur continue. Grâce à ce refroidissement, le moteur peut maintenir une température de fonctionnement adéquate, garantissant ainsi un fonctionnement stable à long terme.
9. Course (Temps)
La course, indicateur clé du cycle de fonctionnement d'un moteur, englobe l'ensemble du processus par lequel le piston passe du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) et revient au PMH. Elle décrit un cycle de fonctionnement complet, comprenant les quatre phases fondamentales : admission, compression, combustion (détente) et échappement. Dans les moteurs deux temps, à chaque tour complet du vilebrequin, le piston effectue un mouvement du PMH au PMB et revient au PMH, constituant ainsi une course complète.
Le fonctionnement d'un moteur à quatre temps est différent. Dans un moteur à quatre temps, un cycle complet nécessite deux tours complets du vilebrequin, au cours desquels le piston entre en contact deux fois avec le PMH et le PMB. Ce processus comprend toujours les quatre phases clés que sont l'admission, la compression, la combustion et l'échappement, mais il est plus complexe que celui d'un moteur à deux temps.
10. Déplacement
La cylindrée est déterminée par la taille (volume) du cylindre. Une cylindrée plus importante permet d'aspirer davantage de mélange air-carburant, libérant ainsi une énergie explosive plus importante par cycle. Elle se calcule selon la formule : (Rayon du cylindre)² x π (Pi) x Course x Nombre de cylindres. Prenons l'exemple d'un moteur quatre cylindres d'alésage 80 mm et de course 90 mm :
(40)² (rayon au carré) x 3,14 (π) x 90 (course) x 4 (nombre de cylindres) = 1,8 litre. La section du cylindre étant circulaire et π étant un nombre irrationnel, il est impossible d'obtenir un résultat entier lors du calcul. Par conséquent, la cylindrée déclarée pour les motos est souvent légèrement supérieure à la cylindrée réelle. Par exemple, si la cylindrée déclarée est de 150 ml, la cylindrée réelle pourrait être de 149 ml.
11. Course
La course, ou la distance parcourue par le piston du PMH au PMB, est un paramètre moteur important. Sa longueur affecte directement les performances du moteur. Une course plus longue augmente la course de va-et-vient du piston et l'amplitude de la bielle. Cela augmente la longueur du vilebrequin, augmentant ainsi le couple moteur, mais réduisant le régime maximal. Par conséquent, les moteurs à longue course sont mieux adaptés aux environnements exigeant une faible vitesse et des conditions routières difficiles, comme ceux utilisés sur les motos tout-terrain. À l'inverse, les moteurs à course courte sont davantage orientés vers les hauts régimes et une puissance élevée.
12. Taux de compression
Le taux de compression indique le degré de compression du mélange air-carburant. Il est calculé en divisant le volume de la chambre de combustion par le volume total du cylindre. Après la course d'admission, le piston remonte, comprimant le mélange. Lorsque l'étincelle électrique enflamme ce mélange comprimé, elle libère de l'énergie, poussant le piston vers le bas et générant ainsi de la puissance. Un taux de compression élevé augmente la puissance du moteur. Cependant, il ne peut être augmenté indéfiniment. Un taux trop élevé peut provoquer des détonations (cliquetis) lors de la combustion du mélange, ce qui compromet les performances de conduite et réduit le confort de conduite.
13. Efficacité du moteur
Dans les moteurs à combustion interne, le rendement est un indicateur clé qui mesure le rapport entre l'entrée et la sortie. Il représente le rapport entre la puissance délivrée par le moteur et celle générée par la combustion du carburant. Le rendement du moteur comprend deux indicateurs clés : le rendement mécanique et le rendement thermique.
La cylindrée est déterminée par la taille (volume) du cylindre. Une cylindrée plus importante permet d'aspirer davantage de mélange air-carburant, libérant ainsi une énergie explosive plus importante par cycle. Elle se calcule selon la formule : (Rayon du cylindre)² x π (Pi) x Course x Nombre de cylindres. Prenons l'exemple d'un moteur quatre cylindres d'alésage 80 mm et de course 90 mm :
(40)² (rayon au carré) x 3,14 (π) x 90 (course) x 4 (nombre de cylindres) = 1,8 litre. La section du cylindre étant circulaire et π étant un nombre irrationnel, il est impossible d'obtenir un résultat entier lors du calcul. Par conséquent, la cylindrée déclarée pour les motos est souvent légèrement supérieure à la cylindrée réelle. Par exemple, si la cylindrée déclarée est de 150 ml, la cylindrée réelle pourrait être de 149 ml.
14. Puissance du moteur
Le travail effectué par le moteur par unité de temps est appelé puissance moteur et reflète la vitesse à laquelle le moteur effectue son travail. Correspondant au travail indiqué et au travail effectif, la puissance moteur peut être divisée en puissance indiquée et puissance effective (ou puissance à l'arbre). La différence entre ces deux représente la puissance perdue par frottement mécanique. Dans le Système international (SI), l'unité de mesure de la puissance moteur est le watt (W), mais l'unité couramment utilisée est le cheval-vapeur (ch), où 1 ch = 735 W. Il est important de noter qu'une augmentation du poids et de l'épaisseur de la carrosserie pour des raisons de sécurité peut affecter la puissance perçue du moteur. Par conséquent, les motos équipées de moteurs de petite cylindrée ne sont pas toujours plus lentes ou moins performantes que celles équipées de moteurs plus puissants.
15. Couple moteur
En physique, le couple est défini comme la tendance d'une force à faire tourner un objet autour d'un axe ou d'un point d'appui. Il reflète l'effet de torsion exercé par la force sur l'axe ou le point d'appui. Dans un moteur de moto, le couple désigne la force de rotation transmise du vilebrequin à l'arbre de sortie pour entraîner les autres composants. Cette force est la source fondamentale de la force propulsive de la moto : plus le couple est élevé, plus la force de traction de la moto est importante.
16. Dépôts de carbone dans le moteur
L'accumulation de dépôts de carbone dans le moteur d'une moto peut entraîner divers problèmes, tels que des soupapes qui ne ferment pas correctement ou qui se bloquent, entraînant une baisse de puissance, une surchauffe et une augmentation de la consommation de carburant. Les dépôts de carbone se divisent principalement en deux catégories : les dépôts d'huile et les dépôts de carbone. Les dépôts d'huile sont causés par la décomposition de l'huile de lubrification sous haute température et pression. Les dépôts de carbone, quant à eux, résultent d'une combustion incomplète de l'essence, laissant des dépôts de particules de carbone et d'impuretés sur de nombreuses pièces du moteur, comme la surface de la chambre de combustion, la tête du piston, les gorges des segments, les orifices d'échappement et les bougies.
D. Comparaison entre un moteur à deux temps et un moteur à quatre temps
Alors que les moteurs à quatre temps dominent le marché et sont largement utilisés en moto, les moteurs à deux temps présentent des avantages considérables en compétition. Nous allons explorer en détail les différences entre ces deux types de moteurs, ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs.
1. Principe de fonctionnement du moteur à deux temps
Le cycle de fonctionnement d'un moteur deux temps comprend deux phases principales. Première phase : admission et compression. Le piston monte, créant une dépression qui aspire le mélange d'essence et d'air (avec une petite quantité d'huile) dans le carter. Ensuite, il descend, comprimant le mélange frais présent dans le carter. Le mélange précomprimé s'écoule alors dans le cylindre au-dessus du piston. Deuxième phase : combustion et échappement. Le mélange au-dessus du piston est comprimé lorsque celui-ci monte vers le PMH. Lorsque le piston est proche du PMH, la bougie enflamme le mélange. La dilatation des gaz brûlés pousse violemment le piston vers le bas (PMB). En descendant, le piston ouvre d'abord l'orifice d'échappement, permettant aux gaz brûlés de s'échapper. Ensuite, il ouvre l'orifice de transfert (ou d'admission), permettant au mélange frais précomprimé présent dans le carter de pénétrer dans le cylindre, contribuant ainsi à l'expulsion des gaz d'échappement résiduels.
Avantages
À régime identique, un moteur deux temps effectue deux fois plus de combustions qu'un moteur quatre temps, ce qui lui confère une puissance spécifique supérieure. De plus, sa conception est plus compacte et plus légère, avec un nombre de pièces considérablement réduit. Cela confère aux motos deux temps un avantage significatif en termes de performances (puissance/poids).
Inconvénients
Cependant, les moteurs deux temps présentent également des inconvénients. Comme les phases d'admission et d'échappement se déroulent partiellement simultanément et se chevauchent, la lumière d'échappement reste ouverte trop longtemps à bas régime. Une partie du mélange frais s'échappe alors directement par l'échappement avec les gaz brûlés (« perte de charge fraîche »), réduisant ainsi la puissance à bas régime. Plus grave encore, ce mélange frais non brûlé est rejeté directement dans l'atmosphère, entraînant un gaspillage de carburant et une pollution environnementale.
De plus, les moteurs deux temps s'usent plus rapidement. En raison des dépôts de carbone provenant de la combustion de l'huile de lubrification et de la présence d'orifices d'admission et d'échappement sur les parois des cylindres, l'usure est nettement plus importante que celle des moteurs quatre temps. En général, un moteur deux temps doit être remplacé après environ 10 ans, tandis qu'un moteur quatre temps, avec un entretien approprié, peut durer plus de 20 ans.
2. Principe de fonctionnement du moteur à quatre temps
(1) Phase d'admission : le piston passe du PMH au PMB. La soupape d'admission s'ouvre, permettant au mélange air-carburant d'entrer dans le cylindre.
(2) Course de compression : le piston passe du PMB au PMH, comprimant le mélange air-carburant dans le cylindre. Les deux soupapes sont fermées.
(3) Phase de combustion (ou de détente) : Lorsque le piston est proche du PMH en fin de compression, la bougie enflamme le mélange comprimé. La détente rapide des gaz brûlés pousse violemment le piston du PMH au PMB.
(4) Phase d'échappement : le piston passe du PMB au PMH. La soupape d'échappement s'ouvre, permettant aux gaz brûlés d'être expulsés du cylindre.
Avantages
Les moteurs quatre temps offrent de nombreux avantages. Tout d'abord, les processus d'admission, de compression, de détente (combustion) et d'échappement sont clairement séparés et distincts, ce qui garantit stabilité et rendement élevé. Ce moteur peut fonctionner sur une large plage de régimes, de bas à très haut (plus de 500 à 1 000 tr/min). De plus, il évite le problème de perte de charge fraîche typique des moteurs deux temps, réduisant ainsi la consommation spécifique de carburant. À bas régime, il fonctionne plus régulièrement et, grâce à la lubrification à l'huile, est moins sujet à la surchauffe. Les processus d'admission et de compression durent plus longtemps, ce qui améliore le rendement volumétrique et la pression effective moyenne. Comparés aux moteurs deux temps, les charges thermiques sont plus faibles, ce qui réduit les risques de gauchissement et de fusion. Grâce à leur course généralement plus longue, ils sont parfaitement adaptés aux applications nécessitant un couple élevé.
Inconvénients
Cependant, les moteurs à quatre temps présentent également certains inconvénients. La commande des soupapes est relativement complexe et comporte de nombreuses pièces, ce qui rend l'entretien plus difficile. De plus, ce moteur a tendance à générer davantage de bruit mécanique en fonctionnement. Il est important de noter que, la phase de combustion (puissance) n'ayant lieu qu'une fois tous les deux tours du vilebrequin, la rotation est moins équilibrée qu'un moteur à deux temps (balourd de torsion).
E. Configurations de moteur courantes
Les moteurs à quatre temps peuvent être configurés selon diverses configurations, ce qui influence considérablement leurs performances et leur applicabilité. Les configurations courantes incluent les moteurs en ligne, en V, en W et boxer (opposés). Les moteurs en ligne ont une structure simple et conviennent aux petites cylindrées ; les moteurs en V sont souvent utilisés sur les modèles hautes performances, offrant une puissance supérieure. Le moteur en W combine les avantages du moteur en V avec une meilleure efficacité de combustion (bien que rare sur les motos). Les moteurs boxer sont appréciés pour leurs performances équilibrées et leur compacité.
1. Caractéristiques structurelles du moteur en V
Le concept du moteur en V consiste à diviser tous les cylindres en deux groupes et à les disposer en deux rangées inclinées, formant ainsi deux plans inclinés. Vus de côté, les cylindres forment un V, d'où leur nom. Cette conception respecte non seulement les principes aérodynamiques, mais réduit également efficacement la hauteur et la longueur totales du moteur, permettant ainsi d'abaisser le capot et de libérer ainsi de l'espace dans l'habitacle. De plus, l'angle entre les rangées de cylindres contribue à équilibrer les vibrations du moteur.
Cependant, le moteur en V présente également quelques inconvénients. Nécessitant deux culasses, sa structure est plus complexe que celle des autres types de moteurs. Bien que sa hauteur soit réduite, sa largeur est augmentée, ce qui limite l'espace latéral et complique l'installation d'autres composants.
2. Caractéristiques structurelles du moteur W
Le moteur W peut être considéré comme une variante du moteur en V. Sa particularité réside dans le léger décalage des cylindres de chaque rangée du V. Cette conception accroît la complexité du moteur tout en optimisant l'espace, contrôlant efficacement la hauteur et la largeur. Il est toutefois important de noter qu'en raison de cette structure unique, le moteur W est rarement utilisé sur les motos.
3. Moteur Boxer (opposés horizontalement)
La particularité du moteur boxer réside dans le déplacement horizontal de ses pistons, l'un vers l'autre. Cette conception compense partiellement les vibrations primaires, améliorant ainsi la fluidité du moteur. De plus, l'angle de mouvement des pistons assure un bon équilibre, réduisant ainsi le recours à des contrepoids sur le vilebrequin et donc son poids. Cet avantage contribue à réduire le poids total du moteur et à améliorer sa réactivité à haut régime.
Cependant, le moteur boxer présente également des inconvénients. Premièrement, son processus de fabrication est plus complexe et plus long, ce qui entraîne des coûts de production plus élevés. Deuxièmement, cette configuration est particulièrement adaptée aux véhicules à propulsion ou à traction intégrale, ce qui limite son application sur d'autres types de véhicules.
4. Moteur en ligne
La caractéristique du moteur en ligne est que tous les cylindres sont disposés côte à côte dans un même plan. Cette conception simplifie la structure du carter et du vilebrequin. Il utilise généralement une culasse unique, ce qui réduit les coûts de production. De plus, ce moteur offre une grande stabilité, un excellent couple à bas régime et une faible consommation de carburant. Sa compacité permet une large application dans de nombreux véhicules. Cependant, le principal inconvénient du moteur en ligne est que sa puissance spécifique (puissance par cylindrée/litre) est généralement inférieure à celle des configurations en V ou boxer, notamment avec un nombre élevé de cylindres, en raison de sa longueur plus importante.
