le moteur 2 temps et le 4 temps, théorie sur la mécanique

[Millim 11]

LE MOTEUR

Dans le monde des moteurs à combustion interne (moteur à explosion), il existe deux types : le moteur 2 temps et le moteur 4 temps.

Le moteur à 4 temps

Son cycle se décompose en 4 temps moteur, et sur deux tours complet, soit 720o.
On retiendra, de manière générale, ce mode de fonctionnement. Il est devenu le standard. Ce type de moteur s'est généralisé sur plus de 95% de la production des motos de séries actuelles.

Le moteur 2 temps

Son cycle se décompose en 2 temps moteur, et ce sur un tour complet, soit 360o.
Ce moteur très répandu, s'utilise principalement sur les motos de course de haut niveau et paradoxalement sur beaucoup de scooters et de motos de faibles cylindrée.

Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur "4 temps" il faut connaître les pièces qui le compose.



1. CAME: (Rouge)Monté sur un arbre, cette pièce non circulaire sert à transformer un mouvement rotatif en mouvement de poussé.

2. SOUPAPE: (Orange)
Obturateur mobile maintenu en position fermée par un ressort. Elle s'ouvre momentanément sous la pression de la came.

3. BOUGIE: (Jaune)
Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au mélange air/essence, créant un explosion.

4. PISTON: (Bleu)
Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après l'explosion transforme un énergie thermique en énergie mécanique.

5. BIELLE: (Turquoise)
Tige rigide, articulée à ses deux extrémités. Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

6. VILEBREQUIN: (Vert)
Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement l'énergie mécanique à la boîte.

7. DISTRIBUTION: (Violet)
Mécanisme de régulation d'entré et de sortie des gaz à travers la chambre de combustion. Créant un parfaite coordination entre les arbre à came et le vilebrequin.

8. CHAMBRE DE COMBUSTION: (Gris)
Chambre hermétique où est injecté le mélange air/essence pour y être comprimé, enflammé, et créer un énergie mécanique.

9.LUBRIFICATION: (Marron)
Les pièces situées sous le piston baignent dans l'huile. Cette huile n'est jamais en contact avec le dessus du piston. Elle lubrifie: Vilebrequin, Bielle, Piston, et parfois c'est la même qui lubrifie la boîte de vitesse. (A la différence des 2 temps, ou la boite est séparée du moteur.)

Le cycle du moteur 4 temps




Ci-dessus un schéma qui décrit les étapes majeures d'un cycle d'un moteur 4 temps (La soupape d'admission est à droite et la soupape d'échappement à gauche).

Tout d'abord pourquoi est-ce un moteur 4 temps? Parce qu'un cycle se fait en quatre allés/retours de piston. Le cycle se décompose en 4 étapes :

*Admission

*Compression

*Détente/Explosion

*Echappement

Etape 1 : L'admission
Durant l'admission, la soupape d'échappement est fermée et la soupape d'admission est ouverte. Le piston descend donc créer une dépression permettant d'aspirer le mélange air/essence venant du carburateur.

Etape 2 : La compression
A cette étape, les deux soupapes sont fermées rendant la culasse hermétique. Le piston remonte et comprime le mélange air/essence. Cette simple compression va élever le mélange carburé à une température de 300°C environ. Si la température s'élève encore de 100°C supplémentaire, le mélange risque de s'enflammer spontanément. C'est ce qu'on appelle l'auto-allumage.

Etape 3 : La détente (ou explosion)
Le piston arrivé à son point le plus haut, une étincelle jaillit entre les électrodes de la bougie provoquant l'inflammation des gaz. Il en résulte une élévation de la pression et de la température poussant alors le piston qui redescend alors vers son point le plus bas. Lorsque que le piston arrive à ce point, les deux soupapes sont encore fermées.

Etape 4 : L'échappement
La soupape d'échappement s'ouvre et le piston en remontant va pousser devant lui les gaz brulés qui s'échappent par ce seul orifice.


cycle d'un monocycle 4 temps


Cycle d'un bicylindre en V 45°

Le cycle du moteur 2 temps

Les différences majeures de structure du cylindre d'un moteur "2 temps" par rapport à un moteur "4 temps":

*L'absence de soupape

*Une lumière de transfert

*Le piston peut être prolongé par une jupe

*Le cylindre est percé de plusieurs lumières




Pour les mêmes raisons qu'un moteur 4 temps, le moteur 2 temps s'appelle ainsi car le cycle se fait sur deux allés/retours du piston. Cependant les étapes sont les mêmes que celles du 4 temps comme l'illustre le schéma ci-dessus. Afin de bien illustrer pourquoi c'est un 2 temps on va décrire cela en deux étapes:

Etape 1 : Piston montant vers le point le plus haut
Au dessus du piston, le mélange air/essence est comprimé dans la culasse. Ainsi, on retrouve bien l'étape de compression du moteur 4 temps. Au-dessous du piston, en remontant il se créer une dépression dans le carter moteur. Le piston va alors dégager la lumière d'admission et grâce à la dépression qui règne alors, le mélange air/essence va pouvoir entrer à l'intérieur du moteur. Ceci correspond à l'étape d'admission du moteur 4 temps.

Etape 2 : Piston descendant vers le point le plus bas
Au dessus du piston, la bougie émet l'étincelle, l'inflammation du gaz se fait. La pression augmente et le piston est poussé vers le bas. C'est la détente. Arrivé à peu près au point le plus bas, le piston dégage la lumière d'échappement et les gaz d'échappement vont être poussés par le mélange frais qui arrive par la lumière de transfert qui est découvert peu après la lumière d'échappement. Ce mélange frais arrive d'autant plus vite qu'il se situe au dessous du piston et qu'il est comprimé par la descente du piston. Cette étape est appelé le balayage. Le gaz se retrouve alors au dessus du piston au moment où celui-ci remonte. Ainsi, la détente et l'échappement dans un moteur deux temps s'effectue dans le même temps.
Ainsi on voit bien qu'un moteur 2 temps effectue un cycle en effectuant un allé et un retour de piston soit un tour de vilebrequin.



Ici nous n'avons vu que le cycle d'un moteur deux temps avec un piston à jupe. C'est à dire que c'est le mouvement du piston qui ouvre et ferme les différentes lumières. Ce système n'est pratiquement plus utilisé. On le trouve encore dans les cyclomoteurs ou chez certaines MZ.

Pour les moteurs de compétition (et encore), il est plus souvent utilisé un moteur deux temps à admission par disque rotatif. Dans ce cas c'est un disque échancré, tournant à la même vitesse que le vilebrequin, qui règle l'admission et l'échappement.





Cycle d'un moteur 2 temps

Enfin, dans les années 70, Yamaha invente l'admission par clapet. Les clapets sont des lamelles flexibles. Ces clapets recouvrent la lumière d'admission et lorsque la dépression est assez forte pour vaincre l'élasticité des lamelles, elles s'ouvrent automatiquement et laissent alors passer le mélange carburé. Lorsque la pression augmente, les lamelles se referment.

Les différences majeures entre un moteur "2 temps" et un moteur "4 temps":

4 temps : L'huile et l'essence ne sont pas en contact. L'huile reste "sous" le piston, tandis que l'air et l'essence se trouvent "au-dessus". Le piston fait faire deux tour au vilebrequin (720°) pour accomplir un cycle complet.

2 temps : L'huile, l'air et l'essence sont mélangé. Le piston fait un seul tour vilebrequin (360°) pour accomplir un cycle complet. Un moteur deux temps s'use plus rapidement.

La distribution

Ce sont les différents systèmes permettant la régulation des échanges gazeux c'est à dire les étapes d'admission et d'échappement. Dans un moteur 2 temps, cette fonction est assurée par le piston. Sur un moteur quatre temps, la distribution se fait au niveau de la culasse par les soupapes et tous les systèmes qui permettent leurs ouvertures et fermetures. Avant d'exposer la plupart de ces différents systèmes, nous allons d'abord préciser certains termes qui vont nous permettre de définir le diagramme de distribution qu'on trouve dans certaine critique moto mais qu'on ne comprend pas nécessairement.

Le diagramme de distribution

Définissons d'abord les points caractéristiques du parcours d'un piston. C'est simple, ce sont le point le plus haut qu'il peut atteindre qu'on appelle point mort haut (PMH) et inversement le point le plus bas qu'on appelle point mort bas (PMB). Enfin, on appelle la course, la longueur du parcours entre le PMH et le PMB. L'alésage est le diamètre du cylindre. Ces données et le volume de la chambre de combustion permettent de calculer le taux de compression ou rapport volumétrique.



Recommençons par l'étape 1 : l'admission, la soupape d'admission est ouverte et la soupape d'échappement est fermée. Cependant, l'arrivée d'un gaz dans le cylindre et l'ouverture de la soupape d'admission ne sont pas instantanée donc il faut commencer à ouvrir la soupape d'admission un peu avant l'arrivée au PMH, c'est ce qu'on appelle l'avance d'ouverture d'admission (AOA). La soupape d'admission reste ouverte un peu plus tard après le PMH, c'est le retard à la fermeture d'admission(RFA). Ce retard est dû au fait que l'ouverture de la soupape d'admission doit être maximum à l'arrivée en PMB et comme la fermeture de la soupape n'est pas instantanée, la lumière d'admission reste ouverte un peu après le PMB.

Les deux étapes suivantes (compression et détente) ne font pas parties de la distribution car les deux soupapes sont fermées.

On arrive donc à l'étape 4 : l'échappement. Comme l'ouverture de la soupape d'échappement n'est pas instantanée, il faut ouvrir la soupape un peu avant le PMB afin d'avoir une section maximum pour l'échappement au moment de la remonté du piston. C'est l'avance à l'ouverture d'échappement (AOE). Il en va de même lors de la fermeture de la soupape d'échappement. Ainsi donc il y a un retard de fermeture d'échappement (RFE) par rapport au PMH.
Ainsi, on voit qu'entre le AOA et le RFE, la soupape d'admission et d'échappement sont ouvertes en même temps, c'est le croisement. Le croisement a une fonction importante. En effet, le mélange frais air/essence venant de l'admission va aider à l'évacuation des gaz brulés. C'est le système de balayage que nous avons déjà décrit dans les moteurs 2 temps.

Représentons un cercle qui représente le parcours du vilebrequin, et plaçons le PMH, le PMB, l'AOA, le RFA, l'AOE, et le RFE, on peut voir que AOA et le RFE font un angle bien défini avec le PMH alors que le AOE et le RFA font un angle fixe avec le PMB. Toutes ces valeurs vont composer le diagramme de distribution.
Vous vous demandez peut être à quoi ca sert tout ça, c'est déjà un premier pas vers l'estimation d'un caractère moteur. En effet, plus le croisement est élevé ainsi que le RFE, plus la moto risque d'avoir un moteur "pointu" (qui est fait pour fonctionner parfaitement à haut régime) comme le sont souvent les "sportives".



Le système de contrôle des soupapes

Au vue de la complexité d'un diagramme de distribution, il faut que les soupapes d'admission et d'échappement soient parfaitement synchronisées pour que le cycle s'exécute dans de bonnes conditions.
Depuis l'invention du moteur 4 temps, vous imaginez combien de système contrôlant l'abaissement et le retour à la position fermée des soupapes ont pu être inventé devenant de plus en plus compliqué avec l'augmentation du nombre de soupapes par cylindre. Nous ne parlerons que de la commande par arbre à came en tête (ACT) qui est maintenant la plus répandue et de loin.

*La came est l'objet qui permet la commande d'une ou de plusieurs soupapes. Son profil est calculé très précisément afin de :

*fixer la hauteur de la levée de soupape

*amortir le choc entre la came et le poussoir dû au jeu initial

*reposer doucement la soupape dans son siège lors de la fermeture par ressort.

La came peut commander la soupape directement avec un poussoir comme représenté ci-à droite mais elle peut également utiliser des basculeurs tels que le linget (ci contre en bas) ou le culbuteur (ci contre en haut).



Les soupapes peuvent être commandées par un simple arbre à cames en tête. Cela signifie que l'arbre à came s’est placé au dessus de la culasse et qu'il actionne les soupapes d'admission et d'échappement par l'intermédiaire de culbuteur. Ceci a été popularisé par Honda avec son légendaire CB750 en 1969. Il existe aussi le système de double arbre à cames en tête, où dans ce cas, il y a deux arbres à came, l'un commande les soupapes d'admission et l'autre les soupapes d'échappement. Ici les soupapes peuvent être actionnées par tous les systèmes possibles, poussoirs ou basculeurs



2 arbres à cames en tête

Entrainement des arbres de distribution

Comment tourne l'arbre à cames ?
Ce sont les vilebrequins qui en tournant transmettent leur position aux arbres à cames. Il faut bien comprendre que les vilebrequins sont dépendants les uns des autres : l'un ne peut pas tourner sans l'autre car ils sont reliés entre eux. Ceci est souvent appelé l'arbre moteur.



Arbres à cames en tête

Cette commande se fait le plus souvent par chaine comme présenté sur la photo ci dessous. C'est ce qu'on appelle la chaine de distribution qui a fait rappeler bien des motos.
On trouve également la commande par courroie crantée mais c'est très rare en moto.
Enfin on trouve la commande par pignon qui est très résistant mais cher à mettre en place. Cette commande est encore utilisée aujourd'hui pour le Honda VFR.



La chaine de distribution

Nombre de soupapes par cylindre

Bien sur l'augmentation du nombre de soupapes, vous vous en doutez, favorise le rendement de distribution. Mais ceci n'est pas la seule raison.

Commençons simplement par le nombre de soupapes le plus répandu dans les années 80 en moto, c'est à dire 2 soupapes par cylindre. Les culasses de ces motos ont une chambre de combustion hémisphérique pour favoriser le flux des gaz, un angle entre la soupape d'admission et d'échappement très élevé (proche de 90°) et enfin un taux de compression élevé. Cependant, malgré tous ces efforts pour favoriser la distribution, il est devenu difficile d'accroitre les performances du moteur. Pour cela il y avait une solution : augmenter le diamètre des soupapes mais cela est devenu vite impossible dû à l'encombrement... les soupapes auraient fini par se toucher...
Par ailleurs, l'utilisation du double arbre à cames en tête devenait difficile. En effet, imaginez la distance des arbres à cames pour commander des soupapes, donc l'encombrement moteur était important et surtout l'entrainement des 2 arbres à cames était difficile. Il a donc été utilisé des cascades de pignons, mais cela rendait la distribution très bruyante et les contraintes dues à l'échauffement étaient difficiles à gérer. En revanche, cette disposition à deux soupapes est mécaniquement simple et on peut facilement placer d'une part les vis de fixation de la culasse et d'autre part la bougie.


Ne pensez pas que cette architecture n'existe plus, on la trouve encore sur la Honda Goldwing 1200.

Au vue de la limitation des performances des 2 soupapes et la difficulté à adapter le double arbre à came en tête, le nombre de soupapes par cylindre a doublé pour arriver à 4 soupapes par cylindre. Les études ont en effet montré que la disposition de 4 petites soupapes à angle fermé offre un meilleur rendement que 2 grosses soupapes.



Mais attention, cette architecture n'a pas été inventée dans ces années. Elle était déjà largement utilisée en automobiles avant la première guerre mondiale...
Les angles entre les soupapes d'admission et d'échappement varient entre 35 et 50°. Cette technologie est aujourd'hui la plus utilisée dans le monde de la moto. En effet, la disposition du double arbre à cames en tête ne pose aucun problème mais il existe une proximité entre le ou les arbres à cames et les fixations de la culasse.

Au milieu des années 80, Yamaha invente une culasse à 5 soupapes sur le FZ 750 Genesis, encore utilisée aujourd'hui sur les sportives de la gamme. Ainsi, ce moteur comptant 3 soupapes d'admission et 2 soupapes d'échappement permet un meilleur remplissage de la chambre de combustion. La difficulté rencontrée est le logement des 5 soupapes. Les trois soupapes d'admission ont été placées sur des plans différents mais de façon à converger vers l'arbre à cames évitant le montage de culbuteurs. Cette architecture mécanique provoque une difficulté d'accessibilité mécanique.


Pour en finir, il existe également, inventée par Honda sur sa NR 750, une culasse à 8 soupapes. L'angle entre les soupapes est seulement de 29° favorisant l'admission. Mais dans ce cas, le cylindre est ovale et il y a 2 bougies par cylindre.

La carburation

Le rôle de la carburation

Un moteur à besoin de carburant pour fonctionner, tel que l'essence, le diesel ou le GPL.

Le rôle de la carburation est de fournir au moteur un mélange air/essence aux proportions appropriées. Quel que soit le régime moteur, l'ouverture des gaz, l'altitude, etc...


Carburateurs de 750 GSX-R Suzuki

Pour une carburation correcte on doit respecter trois conditions:

1. LE DOSAGE:

C'est à dire le respect d'une proportion air/essence de façon à obtenir une combustion rapide et complète du mélange carburé. Le dosage détermine ce que l'on appelle la richesse.

En théorie: On estime qu'il faut brûler une proportion air / essence de 15g / 1g.

En pratique: Pour obtenir une combustion aussi complète que possible et donc une économie de carburant, on brûle une proportion air / essence d'environ 18g / 1g.

Mélange riche: Si on à une proportion de - 18g / 1g. Il n'y a pas assez d'air pour brûler l'essence, les imbrûlés se traduiront par une fumée noire à l'échappement et par une consommation excessive. A l'extrême, le moteur risque de caller.

Mélange pauvre: Si on à une proportion de + 20g / 1g d'essence. C'est un mélange qui sera long à brûler, la combustion devenant trop longue les gaz continueront de brûler pendant tout la descente du piston, ce qui provoquera un échauffement du moteur préjudiciable à son rendement thermique. Et à l'extrême, on risque de brûler les soupapes et de détériorer les bougies.


Carburateurs de ZX7-R Kawasaki

2. L'HOMOGENEITE:

Le mélange gazeux résultant de l'air et de l'essence vaporisé doit être parfait. Son dosage doit être le même en tous points de la veine gazeuse.

3. L'AUTOMATICITE:

Elle permet une régulation du dosage quel que soit le régime. En effet, plus le régime augmente et plus l'essence se laisse facilement aspirer par rapport à l'air. On risque donc d'avoir un mélange trop riche. Pour remédier à cela on utilise des dispositifs d'automaticité comme une arrivée d'air additionnelle ou une régulation du débit d'essence.

Principe de base d'un carburateur


Carburateur: Appareil dans lequel un carburant vaporisé est mélangé à de l'air.

C'est en 1976 que Mr Gotteleib Daimler à mis au point le Carburateur tel que l'on le connait aujourd'hui

Principe de base: En accélérant, on soulève le boisseau (3), augmentant le volume d'air admis. Du même coup on soulève l'aguille (4) qui est solidaire du boisseau. L'air qui s'engouffre dans le moteur, aspire au passage de l'essence. En relâchant la poignée des gaz on crée l'effet inverse

Principe de base d'une injection

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Injecteur de GSXR-750 Suzuki

Injecteur: Dispositif assurant l'arrivée directe du carburant dans les cylindres d'un moteur, sans l'intermédiaire d'un carburateur.

Offrant de meilleurs résultats qu'un carburateur, un injecteur peut mieux contrôler le débit d'essence grâce à la gestion électronique qui gère un grand nombre de paramètres pour limiter la consommation et ajouter de la souplesse au moteur.

De plus, une essence injecté donne un mélange carburé beaucoup plus homogène que par un carburateur. Il en résulte donc une meilleure combustion. Donc on consomme moins d'essence à rendement égal, ou l'on obtient plus de performance pour un volume égal d'essence.

Une injection par rapport à une carburation: On notera un meilleur rendement et une pollution moindre.

Un injecteur se présente comme un électro-aimant dont le noyau est solidaire d'une aiguille qui (comme sur le carburateur) libère ou obture le passage de l'essence en fonction des impulsions électrique envoyées par le boitier électronique.Le boitier d'allumage et le boitier électronique sont reliés pour assurer l'injection en fonction du régime moteur.

[Haakon 0]

super sujet, super interessant.

J'y reviendrais, pas pris le temps de tout lire, il est 2h du mat', je rentre de chez un collègue chez qui j'ai passé la soirée après le taf, je suis HS, mais passage vite fait sur le forum voir ce qu'il se passe...

[Millim 11]

toujours présent le modo....cooooool.....