Pour un article plus général, voirMoteur à combustion et explosion.
Unmoteur à allumage commandé, plus communément appelémoteur àessence[N 1] en raison du type de carburant le plus fréquemment utilisé, est une famille demoteurs à explosion, pouvant être à mouvement alternatif (àdeux ouquatre temps) ou plus rarement àmouvement rotatif (comme lemoteur Wankel).
Contrairement aumoteur Diesel, le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé n'est pas censé s'enflammer spontanément[N 2] lors du fonctionnement, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par labougie d'allumage. Il est donc équipé d'un système complet d'allumage, composé d'une bougie, qui provoque l'arc électrique enflammant les gaz dans lachambre de combustion, d'unebobine dited'allumage servant à produire les hautes tensions nécessaires à la création de l'étincelle, et d'un système de commande de l'allumage (rupteur ousystème électronique).
L'ingénieur belgeÉtienne Lenoir fabrique en 1860 le premier moteur à allumage commandé. C'est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu'il fabriquera à quelque quatre cents exemplaires, ce qui fera de lui le premier industriel de cette technique. Le physicienBeau de Rochas décrit en 1862 le fonctionnement des moteurs à quatre temps, mais il faut attendre 1872 pour que l'AllemandNikolaus Otto en fabrique un, commençant ainsi une longue série d'innovations.
C'est en1860, approximativement à la même période enFrance et enAllemagne, que naît le « moteurdit à explosion ». Le 24 janvier,Étienne Lenoir dépose lebrevet d'un« système de moteur à airdeux temps dilaté par la combustion des gaz enflammés par l'électricité ». En raison de l'absence de compression des gaz préalablement à l'allumage, le moteur Lenoir souffre d'un rendement médiocre[1].
Il faut attendre le pour que le physicienAlphonse Beau de Rochas théorise lecycle thermodynamique d'un moteur à allumage commandé à quatre temps. C'est sur ce principe que fonctionne l'ensemble des moteurs à essence actuels. Néanmoins, Beau de Rochas est un théoricien et non un praticien, si bien que le premier moteur à allumage commandé, exploitant ce cycle thermodynamique, est mis au point parNikolaus Otto en 1864.
Dans les débuts du moteur à combustion interne à allumage commandé, seule la variation de l'avance à allumage permettait de moduler la puissance du moteur. Bien qu'assez efficace, ce procédé est limité par le phénomène decliquetis et a l'inconvénient majeur d'une consommation élevée de carburant, quelle que soit la puissance demandée au moteur. Ce système de régulation a été avantageusement remplacé par un réglage du débit du mélange air/carburant, tout en conservant l'avance à l'allumage variable, au début toujours commandée par le conducteur, puis automatiquement asservie à certains paramètres de fonctionnement du moteur.
Une fois conçus, les moteurs à allumage commandé ont très rapidement été utilisés et installés sur des automobiles par les constructeurs naissants (Daimler,Benz,Peugeot,Renault,Panhard & Levassor, etc[1].) ainsi que sur des motos (Harley-Davidson,Indian,Triumph, etc.).
Développant un temps moteur par tour, lesmoteurs deux temps ont, en théorie, un avantage sur lesquatre temps (un temps moteur tous les deux tours). Néanmoins, leur développement stagne jusqu'au début duXXe siècle tandis que les performances des moteurs quatre temps ne cessent de s'accroître. Les applications du moteur deux temps se multiplient alors sur lesmotocyclettes, ainsi que sur leshors-bord et sur le matériel destiné à l'agriculture, en raison de leur légèreté et de la possibilité de fonctionner dans n'importe quelle position. Les automobiles quant à elles sont généralement mues par des quatre cylindres en ligne à quatre temps[2].
Durant près d'un siècle, l'architecture des moteurs va considérablement évoluer. Les quatre cylindres« en V » font leur apparition dans les années1900 en course automobile, sur des modèlesMors etAder. Par la suite, le nombre de cylindres ne cessera d'augmenter, de même que se multiplieront les cylindrées et les architectures alternatives. En1896,Carl Benz met au point le« Kontra », premiermoteur de type boxer. Il s'agit d'un moteur à deux cylindres opposés qui connaitra une large diffusion. Par la suite, les moteurs boxer trouvent de multiples applications dans le domaine automobile et seront notamment popularisés par laVolkswagen Coccinelle ou encore par les motosBMW. En effet, en raison de leur architecture à cylindres opposés, ces moteurs offrent, mieux que les moteurs en ligne ou en V, la possibilité d'abaisser fortement le centre de gravité et d'améliorer ainsi le comportement dynamique du véhicule[3]. Une autre disposition, bien adaptée à l'aviation et à un grand nombre de cylindres, est le moteur en étoile.
Dans les années1890 apparaît pour la première fois, sur des quadricycles et des motocyclettes, unmoteur rotatif, dont le vilebrequin est fixe et le bloc-cylindres mobile.Gnome et Rhône, un des plus célèbres constructeurs, équipera les premiers avions de cette technique avant d'en fabriquer en très grande série pour les avions de combat de laPremière Guerre mondiale. Des moteurs rotatifs équiperont également quelques motos, placés dans une des roues, sans grand succès[4].
Ces moteurs fonctionnent sur le principe du mouvement alternatif des pistons et ce n'est que bien plus tard qu'un moteur à piston rotatif est inventé. Cette dernière innovation est le fruit des réflexions deFelix Wankel qui en dessine le principe en1927. Le, Wankel etNSU signent un contrat d'association qui a pour objet le moteur à piston rotatif, dénommémoteur Wankel[5]. En 2016, seul le constructeurMazda produit en série des véhicules équipés d'un tel moteur, mais ce type de moteur a parfois été utilisé sur des motos, comme laSuzuki RE-5 ou laHercules W-2000 au milieu des années 1970.
Le principe d'allumage par une bougie étant fixé, deux aspects concentreront des évolutions spécifiques aux moteurs à allumage commandé : l'allumage, et la façon d'amener le carburant et le comburant (oxygène) jusqu'à la chambre.
L'évolution de l'allumage est liée à celle de l'électricité et de l'électronique. Après l'invention duDelco, industrialisée en1908, les seules évolutions notables sont le remplacement durupteur par un transistor vers1970[N 3], et le passage à l'allumage électronique, vers1980[6].
Du côté de l'alimentation en carburant, le système qui fut majoritaire pendant plus d'un siècle est lecarburateur. Inventé vers1885, mais à lapaternité peu claire, il fut en situation de quasi-monopole jusque vers1990. Cet organe réalise le mélange comburant/carburant et après introduction de ce mélange homogène dans la chambre de combustion, son inflammation est initiée par une étincelle commandée. La combustion se traduit par la propagation d'un front de flamme qui balaye toute la chambre.
Le carburateur est désormais supplanté par l'injection indirecte, qui se répand à partir de1960, car c'est une des rares techniques permettant de respecter lesnormes d'émissions polluantes de plus en plus strictes. Ces deux techniques préparent le mélangecomburant-carburant en amont de la chambre avant son admission. Les moteurs à essence à injection indirecte fonctionnent en grande majorité à lastœchiométrie de la même manière que les carburateurs.
Avec la technique d'injection directe d'essence, qui fut utilisée en aviation pendant laSeconde Guerre mondiale et dès1952 sur des automobiles àmoteur à deux temps, le carburant est injecté seul dans la chambre de combustion, à proximité de la bougie, avant la fin de compression de l'air précédemment admis[7]. Il n’y a plus de pré-mélange air-carburant, il s’agit alors d’un mélange dit stratifié ou hétérogène. La combustion est toujours initiée par une étincelle commandée. Cela présente des avantages en termes derendement. Grâce aux progrès de l'électronique de contrôle et des systèmes d'injection, associés à l'allumage commandé, cette technique est de plus en plus utilisée et est développée depuis les années 2000 par les différents concepteurs de moteurs[8],[9],[10],[11].
Les moteurs Diesel fonctionnent avec un excès d'air. Le gazole est injecté sous pression dans une masse d'air préalablement comprimée. La combustion s'initie par auto-inflammation (allumage par compression). La combustion est dite stratifiée ou hétérogène car elle a lieu dans un milieu constitué à la fois de zones très riches en carburant (situées notamment près du nez d'injecteur) et de zones très pauvres (près de la paroi du cylindre).
Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient dessoupapes latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement dupiston. Cette technique utilise un ou deuxarbres à cames et permet une grande proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre levilebrequin et les soupapes, elle connut son heure de gloire entre1910 et1940.
Pour la compétition, et par la suite en grande série, afin de rapprocher l'arrivée du mélange et le point d'étincelle, les soupapes migrent dans laculasse, en tête de cylindre — technique OHV, pour« Overhead Valves ». Leur commande utilise des tiges et desculbuteurs conservant un unique arbre à cames proche du vilebrequin.
Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente sur les véhicules sportifs, l'arbre à cames est rapproché des queues de soupapes, et passe lui aussi dans la culasse, en tête de cylindre. Cette technique de l'ACT (arbre à cames en tête, ouOHC, pour« Overhead Camshaft »), grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, permet de mieux maîtriser le problème qu'est l'affolement des soupapes à haut régime. L'Isotta Fraschini Tipo KM (it), construite en Italie de 1910 à 1914, a été l'une des premières voitures de série à utiliser un moteur 1ACT[12].
Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser la combustion, les systèmes, comme le double arbre à cames en tête (DOHC), qui laissent cet espace central libre, sont depuis1990 très répandus[13]. L'Alfa Romeo 1900 utilise dès 1950 un moteur à double arbre à cames en tête de 1 884 cm3 pour90 ch.
La multiplication du nombre des soupapes est due elle aussi aux impératifs de rendement. De deux soupapes par cylindre on est souvent passé à quatre, voire 5, 6 ou 8, afin d'améliorer le remplissage (admission) et le dégazage (échappement) de la chambre de combustion.
Au début duXXIe siècle, en raison de la raréfaction des ressources enpétrole et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions deCO2, la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de motorisation est ledownsizing. Après avoir été lancée par des constructeurs généralistes, en particulier avec les moteurs TSI deVolkswagen, recourant simultanément à un compresseur, un turbocompresseur et à l'injection directe, cette tendance s'étend aux modèles sportifs, par exemple pour l'Audi S4, qui abandonne lemoteur V8 au profit d'unV6 compressé. Il s'agit de réduire la cylindrée des moteurs, tout en obtenant la même puissance qu'un moteur de plus forte cylindrée au moyen d'une suralimentation. En associant ledownsizing à une injection directe, la consommation de carburant est considérablement réduite et les émissions deCO2 sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'uncompresseur ; en effet, afin d'éviter le phénomène decliquetis, le rendement à très hauts régimes est dégradé[14].
Depuis peu, l'hybridation des automobiles, c'est-à-dire l'association d'un moteur thermique et d'un moteur électrique dans la majorité des cas, se généralise. L'énergie reste issue de la combustion du carburant mais la transmission de la puissance par un système électrique couplé à desbatteries permet de récupérer l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage, ou une partie de son énergie potentielle dans les descentes. Le gain en consommation d'essence par rapport à une automobile de même puissance, est de l'ordre de 30 %. Les sources de ce gain sont :
La réalisation pratique de tels véhicules conduit en revanche à introduire d'autres sources d'utilisations non optimales de l'énergie :
Les sources de gain compensent cependant largement les sources de pertes, qui peuvent par ailleurs être encore l'objet d'optimisation.Les moteurs à allumage commandé étaient, jusqu'en 2011 (commercialisation desPeugeot HYbrid4), les seules motorisations capables de supporter l'hybridation. Les moteurs thermiques et électriques peuvent fonctionner en concert ou indépendamment l'un de l'autre, ce qui implique des arrêts et démarrages fréquents du moteur thermique, ce à quoi le moteur Diesel est moins bien adapté[15].Par ailleurs, le choix de certains fabricants de véhicules hybrides est de réaliser un moteur thermique à pseudo-cycle d'Atkinson. En jouant sur un décalage de l'ouverture des soupapes, commandées électriquement, il est possible d'obtenir artificiellement un taux de détente de l'ordre de 1:13, tout en gardant un taux de compression compatible avec le carburant utilisé sans provoquer d'auto-allumage (le taux de compression par construction du moteur est de 1:13 mais la soupape d'admission reste ouverte en début de compression, de façon à limiter la compression de l'air admis à 1:8). L'allongement de la détente permet de récupérer plus d'énergie que sur un moteur à essence classique. L'avantage comparatif du Diesel est donc relativement moindre.
L'une des évolutions majeures des moteurs à allumage commandé réside dans l'utilisation d'un taux de compression variable. La société MCE-5 est à l'origine de cette technologie, qui équipe sesmoteurs VCR MCE-5. Le principe du système est d'augmenter la pression pour accroître lerendement. Néanmoins, en raison du cliquetis, la pression est nécessairement limitée et calculée à pleine charge dans les hauts régimes, pour ne pas atteindre le « point de cliquetis ». Ceci implique donc un faible rendement à bas régime. Le MCE-5 résout ce problème en réduisant le volume de la chambre de combustion à bas régime. Ce volume varie continûment en fonction durégime moteur[16].
« Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et des engrenages à longue durée de vie »[17]. Hormis le principe même de variation de volume de la chambre de combustion, l'idée fondamentale du système réside justement dans cet agencement qui permet de réaliser un piston à lacinématique parfaitement verticale, débarrassée des contraintes radiales, principale source defrottements[16],[17].
Autre option technique permettant une réduction des émissions polluantes, les moteurs à cylindrée modulable – dont le nombre de cylindres en fonctionnement varie selon la charge – sont actuellement peu utilisés mais pourraient se généraliser dans le futur.
Le moteur à allumage commandé représente actuellement entre le tiers et la moitié du marché mondial. En2007, la part des voitures à essence en Europe de l'Ouest était de 46,7 % en moyenne. Néanmoins, selon de récentes études, la proportion de l'essence aurait tendance à s'accroître en raison de l'hybridation électrique-essence, des motorisations essences plus performantes, d'une désaffection croissante des moteurs Diesel polluants, etc[18]. Dans les transports maritimes, la part des moteurs essence est de l'ordre de 20 % contre près de 50 % pour les moteurs Diesel léger[19].
La combustion du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne est une transformation chimique, uneoxydationexothermique vive du carburant et du dioxygène (20,95 % de O2 dans l'air). L'octane est généralement utilisé comme molécule permettant de décrire une combustion de ce type. L'équation générale en tout point de l'espace de la combustion est alors fournie par la formule suivante :
Pour être plus précis dans l'estimation de la réaction réelle, on prend les nombres molaires réels de l'analyse chimique du carburant. Le rapport théorique massique idéal air/octane pour lemoteur à combustion interne est de 14,7:1, soit 14,7 g d'air pour 1 g de carburant. On parle alors demélange stoœchiométrique[N 4].
Spécificité de l'éthanol : Le rapport stœchiométrique est différent : 1/9.8, il est donc nécessaire d'injecter 1,5 fois plus de carburant par rapport à l'octane.
Il est important de préciser que cette équation suppose que lefluide est homogène en tout point de l'espace, ce qui n'est pas le cas dans la pratique. Il est difficile de modéliser intégralement la réaction de combustion qui se déroule dans lachambre, puisqu'il s'agit d'une combustion anarchique qui dépend du temps, de la température et de laturbulence du phénomène. Une analyse informatique découpant le problème en périodes d'une microseconde est néanmoins capable de tenir compte de la température et du temps, mais ne peut rendre compte du phénomène de turbulence car le fluide s'en trouve modifié en tout point de l'espace[20].
Comme lepoint d'auto-inflammation de l'essence – c'est-à-dire la température à laquelle l'essence s'enflamme spontanément sans l'apport d'une étincelle – est supérieur à la température de vaporisation et qu'il s'agit d'un liquidevolatil, l'essence peut être aisément injectée à l'air pour former un« mélange pratiquement homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné »[21]. Pour réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation, proche de380 °C[22]. Les pressions dans le mélange atteignent des niveaux supérieurs à30 bars.
Un délai d'auto-inflammation, c'est-à-dire la durée durant laquelle les conditions de combustion sont optimales avant d'atteindre l'auto-inflammation, est généralement prédéfini. Il est important que le point mort haut ouPMH soit atteint durant ce délai, engendrant dans le cas contraire un phénomène decliquetis. Une étude sur une machine à compression rapide permet d'obtenir le délai en fonction de la pression, de la température, et de constantes, et dépendant de la composition de l'essence[23].
Lors d'un phénomène de cliquetis, le mélange comprimé et chauffé parrayonnement peut s'enflammer sans avoir été atteint par le front de flamme, provoquant une combustion beaucoup plus rapide qu'à la normale. Ce phénomène a pour conséquence des pics de pression dans la chambre, synonyme de bruit et de contraintes élevées dans le moteur. Le cliquetis est principalement dû à l'avance à l'allumage[24].
Les choix technologiques utilisés pour laconception du moteur à allumage commandé, tels que l'injection directe et les charges stratifiées ou homogènes, influent de façon significative sur la loi de combustion du mélange. Certains modèles se basent sur deslois empiriques, permettant d'établir facilement des relations de combustion, mais ne sont pas très exploitables par la suite, tandis que d'autres modèles font appel à des connaissances physiques de combustion[25]. L'objectif de la modélisation est de définir la fraction brûlée de carburant en fonction de paramètres physiques (expérimentaux ou théoriques). Certains logiciels informatiques, tel que « Thermoptim[26] », permettent de réaliser une modélisation assez réaliste.
L'une des premières modélisations de la combustion consiste à considérer les lois empiriques de dégagement de chaleur, en supposant le gaz homogène dans toute la chambre de combustion. Lepremier principe de la thermodynamique établit que l'énergie interne d'un gaz est la somme du travail et de la chaleur échangés. En considérant le temps, on peut donc aisément établir la relation suivante de dégagement d'énergie, où est la capacité calorifique à volume constant, la pression et le volume de la chambre[28] :
Unecourbe de Wiebe – voir illustration ci-contre – permet de formaliser le taux de dégagement d'énergie par la fraction de carburant brûlée en fonction de l'angle de rotation duvilebrequin, de l'angle de début d'allumage, de la durée de combustion, ainsi que de paramètres et sur lesquels il est possible de jouer suivant les lois de combustion[28],[22].
La valeur désigne lepourcentage de masse de carburant brûlée par rapport à la masse introduite. Lorsque 99,9 % du carburant introduit est brûlé,. Plus la valeur de est importante, plus la combustion est rapide et le pic de combustion important. La valeur de influence quant à elle le dégagement de chaleur. En effet, lorsque augmente, le pic de combustion est décalé et la combustion tardive. La loi de dégagement d'énergie est définie par deux indices : le, angle du vilebrequin où 50 % de la masse est brûlée, et le, hauteur de la loi de combustion[N 5]. Ces indices sont déduits des valeursempiriques de et.
Une approche plus physique de la combustion consiste à prendre en compte la propagation d'un front de flamme sphérique dans la chambre de combustion lors de l'allumage, ainsi que les phénomènes deturbulence. Le front de flamme se propage dans la chambre de combustion avec unevitesse de propagation, dénommée« vitesse de flammelaminaire » dans le cas d'un mélange homogène, perpendiculaire au front de flamme. Cette vitesse dépend des propriétés du carburant ainsi que des phénomènes dediffusion de la chaleur. Une épaisseur de flamme, qui dépend de temps de combustion et du coefficient de diffusion thermique, est généralement définie[29] :
Dans le cas d'un écoulement turbulent,i.e. non laminaire, la vitesse fluctue selon lechamp turbulent, défini par lenombre de Reynolds (a fortiori de laviscosité) et la longueur de la turbulence[29] :
La combustion des gaz frais lors de la propagation du front de flamme est alors donnée par la formule suivante, définissant la masse de gaz brûlée en fonction de la surface du front, de la masse volumique des gaz frais et d'une masse imbrûlée de gaz entraînée par la flamme[30],[31] :
Le modèle de propagation dufront de flamme développé par McCuiston et Lavoie considère que la propagation du front dans la chambre est définie par deux temps caractéristiques : un temps lié à la combustion et un temps lié à l'entraînement des gaz frais dans la zone de combustion. Lorsque l'étincelle surgit de labougie d'allumage, elle enflamme le mélange. Dès lors, une masse de gaz frais est entraînée dans la zone de combustion selon une vitesse, et est enflammée. Le présent modèle pose l'hypothèse que la distribution des fractions brûlées des masses entraînées estexponentielle[32] :
avec, la surface du front de flamme et, masse volumique des gaz frais.
Lorsque la réaction du mélange air-essence est totale, les produits de combustion sont uniquement de l'eau et dudioxyde de carbone (CO2). En pratique la combustion n'étant jamais complète, de nombreuxhydrocarbures sont émis : des hydrocarbures partiellement brûlés tels que lesaldéhydes, lescétones, lesacides carboxyliques, lemonoxyde de carbone (CO), mais également des produits decraquage thermique comme lasuie, l'acétylène ou l'éthylène. Des polluants particulièrement nocifs pour la santé sont également émis, dont les plus connus sont les oxydes d'azote (NOx). À la suite d'une exposition au rayonnement solaire, des oxydants (peroxydes organiques,ozone, etc.) se forment après la sortie du pot d'échappement[33].
Même si les produits de la combustion de l'essence sont nombreux, l'eau, le dioxyde de carbone et l'azote sont largement majoritaires. Ces gaz ne sont pas dangereux – sauf l'azote lorsqu'il est oxydé enNOx – mais le CO2 est particulièrement gênant en raison de sa contribution au phénomène d'effet de serre[33].
Afin de diminuer les émissions de polluants, un pot catalytique est placé en sortie d'échappement du moteur. Comme son nom l'indique, il s'agit d'uncatalyseur ayant pour but de traiter chimiquement les gaz d'échappement afin de les rendre moins nocifs. Deux types de catalyseurs existent et ont des rôles différents. Lescatalyseurs d'oxydation, qui facilitent l'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, et nécessitent, de ce fait, un excès d'air pour fonctionner, ce qui induit un mélange pauvre ou implique l'insufflation d'air secondaire ; lescatalyseurs de réduction facilitent, quant à eux, laréduction des oxydes d'azote par déficit d'air[34].
L'ajout en série de ces deux types de catalyseurs se nomme« catalyseur à double lit ». Il permet de traiter efficacement l'ensemble des polluants émis par le moteur à allumage commandé. Les catalyseurs à double lit présentent l'inconvénient d'être onéreux, en raison d'un fonctionnement en mélange riche et de l'ajout d'un dispositif d'insufflation d'air secondaire. Une solution à ce problème réside dans l'utilisation d'uncatalyseur à trois voies, régulé enboucle fermée en fonction de la richesse du mélange[34].
Le système d'allumage permet d'obtenir l'étincelle, ordonnancée selon l'ordre d'allumage du moteur, qui provoque la combustion du mélange air-carburant.
L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'unrupteur réalisant des coupures intermittentes decourant dans l'alimentation du primaire d'unebobine alimentant par son secondaire en haute tension à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeurDelco. L'ensemble rupteur-distributeur est appeléallumeur. Le rupteur et le distributeur sont entraînés par un rotor, lui-même lié à l'arbre à cames[35].
Dans lesannées 1970, le rupteur a été associé à untransistor, puis remplacé par uncapteur à effet Hall, augmentant la fiabilité et la qualité de l'allumage[36].
L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'unedynamo ou d'unalternateur, entraîné par le moteur, charge unebatterie permettant de fournir de façon continue unetension de 12 volts. Lecourant continu du primaire de labobine d'allumage est commandé par lerupteur. Lors de son ouverture la bobine transforme cette interruption de courant au primaire en une impulsion haute tension au secondaire, allant de6 000 à25 000 V[37]. Placé en parallèle sur le rupteur, uncondensateur permet de réduire lesarcs électriques destructeurs pour le rupteur, et offre une rupture franche, augmentant ainsi la tension dans le circuit secondaire alimentant labougie d'allumage, équipée d'électrodes entre lesquelles l'étincelle jaillit[35].
L'allumage électronique est actuellement la solution technique la plus utilisée, car elle est plus performante. Un calculateur moteur dispose d'une bobine par bougie ou pour deux bougies ; l'allumage ne se fait que lorsque cela est nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard dedents sur le pourtour duvolant moteur permet de déterminer le régime moteur ainsi que le point mort haut de chaque piston. La charge est, quant à elle, calculée en fonction de la pression régnant dans la tubulure d'admission, comparé à la pression atmosphérique (mesurée par uncapteur piézo-résistif). Les données de régime et de charge sont traitées par le calculateur, qui définit la bobine à commander et l'angle d'allumage optimal grâce à unecartographie stockée dans sa mémoire[38].
Sur les automobiles, il était habituel d'utiliser une seulebobine pour tous les cylindres et de distribuer la haute tension nécessaire pour générer les étincelles dans les bougies, au moyen d'unDelco. Ce « distributeur rotatif », dont chacun des plots correspond à une bougie, est inventé en1899 par le Français Léon Lefebvre[39], mais il n'est industrialisé qu'en1908 par les AméricainsEdward Deeds etCharles F. Kettering, qui fondent la Delco Company et commercialisent le distributeur sous le nom deDelco[40].
Sur les motocyclettes et désormais sur les automobiles, pour des raisons d'encombrement, le Delco est rarement utilisé. Unsystème à étincelle perdue est préféré, dans lequel une bobine est utilisée pour deux bougies. Les deux bougies sont montées en parallèle, et installées sur des cylindres dont les pistons sont décalés de 360°. Pour des cylindres décalés de toutes autres valeurs, une deuxième bobine est nécessaire.
À chaque fois que les pistons atteignent leur point mort haut, les deux bougies font une étincelle. Celle qui se produit dans le cylindre rempli de gaz frais enflamme le mélange, tandis que celle qui se produit dans le cylindre en fin d'échappement n'a aucun effet. De cette manière, un moteur à quatre cylindres peut n'être équipé que de deux bobines et deux rupteurs.
Lors du déclenchement de l'étincelle par la bougie d'allumage, seule une petite fraction du carburant est immédiatement brûlée. La combustion, qui se propage ensuite enfront de flamme par couches concentriques, grâce à laconductivité thermique du mélange, possède une vitesse de propagation et met un certain temps à parcourir la chambre de combustion. La vitesse de propagation dépend de l'enceinte de combustion et des caractéristiques physiques du mélange. Elle croit avec la température du carburant mais diminue lorsque la pression augmente[41],[22].
Il est ainsi important de déclencher l'étincelle avant que le piston n'atteigne lepoint mort haut (PMH) sous peine de passer le PMH avant la combustion complète du mélange, et de perdre une part importante du rendement. En revanche un allumage trop précoce risque de provoquer la rupture d'éléments mécaniques[41]. L'avance à l'allumage est donc la différence entre le moment où l'étincelle est déclenchée et celui où le piston atteint son PMH. Cette avance peut être quantifiée en termes de temps, mais il est plus pertinent de mesurer l'angle que forme la bielle par rapport à l'axe dupiston, angle facile à reporter sur la tranche du volant moteur afin de faciliter le contrôle et le réglage du point d'allumage[42]. L'avance à l'allumage de base sur les automobiles est d'environ 10°.
Les avances à l'allumage les plus favorables, dénommées généralement« avances optimales »[43], sont celles pour lesquelles lecouple et/ou lerendement sont les meilleurs. Plus le moteur tourne vite, plus il faut augmenter l'avance. Lorsque l'avance est trop faible, le moteur ne fonctionne pas correctement, l'accélération est« creuse » et faible ; on parle alors de« retard à l'allumage »[N 6]. En cas de forte charge demandée au moteur, l'allumage doit être, à l'inverse, déclenché plus tard. C'est pourquoi il est fréquent d'ajouter un système à dépression pour modifier l'avance, avec ici désignant l'avance à l'allumage et le nombre de tours par minute.
Historiquement, la commande d'avance était manuelle (levier au guidon des motocyclettesNorton ou au tableau de bord desBugatti, etc.). Par la suite, elle fut généralement assurée par leDelco incuant un mécanisme centrifuge et à depression. De nos jours, c'est uncalculateur électronique qui gère l'allumage et donc l'avance, à l'aide d'uncapteur dePMH et d'un dispositif indiquant la charge instantanée du moteur.
Afin de vérifier les valeurs de l'avance à l'allumage moteur tournant, unelampe stroboscopique est connectée, à l'aide d'unepince àinduction, sur le câble haute tension de la bougie du cylindre numéro un ; la lampe émet alors unflash lumineux lors de la commande de la bougie numéro un. En dirigeant le faisceau lumineux dustroboscope sur la fenêtre du carter d'embrayage, on peut visualiser le repère depoint mort haut du cylindreno 1 gravé sur le volant moteur en regard desgraduations d'avance inscrites en bordure du carter[44].
L'avance à l'allumage, en raison d'une combustion provoquée plus tôt dans lecycle thermodynamique, favorise les émissions d'oxyde d'azote (NO). Lorsque le piston atteint son PMH, une plus grande fraction de carburant est déjà brûlée lors de l'avance, augmentant le pic de pression ainsi que le temps de séjour des gaz brûlés à haute température dans la chambre, deux conditions propices à la formation de NO[45].
L'injection de carburant dans lesmoteurs à combustion interne peut être réalisée de deux manières : parinjection indirecte, dans laquelle le mélange air-essence est réalisé en amont de la soupape d'admission, ou parinjection directe, où l'essence est pulvérisée sous haute pression directement dans la chambre de combustion. Associée à unpapillon, l'injection directe permet de réaliser descharges stratifiées, qui ont pour but de créer un mélange riche autour du point d'allumage de la bougie, ce qui limite les pertes d'énergie en chaleur[46].
À partir desannées 1960, l'injection directe remplace progressivement l'indirecte, car elle permet de mieux contrôler la quantité de carburant et de réaliser des combustions plus performantes, en raison d'une diffusion plus fine de l'essence. En effet, étant donné que la combustion est réalisée par une bougie d'allumage, l'injection directe permet d'obtenir un mélange plus homogène[47].
Seuls les gaz et les mélanges gazeux ont une« structure parfaitement homogène »[48] si bien que l'essence doit être injectée sous forme de gouttelettes afin d'obtenir unmélange vaporisé. Lorsque les températures sont trop basses, notamment lors d'un démarrage à froid, le mélange est généralement enrichi en essence de telle sorte que le pourcentage de carburant« vaporisable » soit suffisant à l'allumage. On parle alors d'« enrichissement de démarrage à froid »[48].
L'injection directe, accouplée à d'autres systèmes mécaniques, permet par ailleurs de réaliser différentes combustions. L'injection de carburant sur une forme particulière de tête depistons augmente, par exemple, le niveau deturbulence (injectionswirl) dans la chambre de combustion et permeta fortiori d'améliorer l'homogénéité du mélange. L'injection directe, tout comme l'injection indirecte, peut permettre d'effectuer une charge stratifiée (injectiontumble)[46].
Hormis lorsqu'ils sont destinés à une utilisation en hautes performances (par exemple en compétition automobile ou sur des modèles de prestige), les moteurs à allumage commandé ne sont pas exigeants en termes delubrification. En règle générale, cette dernière est assurée par unepompe à engrenages interne, entrainée mécaniquement par le moteur, un filtre permettant de retirer les impuretés de l'huile, et une série de canalisations permettant d'amener l'huile aux endroits à lubrifier. La pompe aspire l'huile située dans lecarter avant de la distribuer. Les cylindres sont quant à eux lubrifiés par projection, c'est-à-dire que l'huile est projetée dans l'espace moteur grâce aux rotations rapides duvilebrequin. Certains moteurs s'équipent d'échangeurs eau-huile permettant de limiter l'échauffement de l'huile[49].
Sur les moteurs àrefroidissement liquide, lecircuit de refroidissement, particulièrement nécessaire pour laculasse et lebloc-cylindres, est quant à lui assuré par la circulation d'un fluide absorbant de façon optimale lachaleur, généralement un mélange d'eau et d'éthylène glycol[49].
Sur les moteurs à refroidissement à air, les culasses et leur disposition doivent être optimisées pour assurer l'échange thermique entre la culasse et l'air.
Le but de la suralimentation dans unmoteur à combustion interne est d'augmenter le remplissage du moteur afin d'en accroître la puissance sans augmenter sa cylindrée. En améliorant le remplissage, on augmente la puissance spécifique. Le taux de suralimentation désigne l'augmentation de densité de l'air admis dans la chambre de combustion par comparaison avec celle d'un moteur atmosphérique,c'est-à-dire non suralimenté. Puisque le taux de compression de tout moteur à allumage commandé est limité par le phénomène decliquetis, ce taux est généralement inférieur à celui d'un moteur atmosphérique[50] afin que l'augmentation de la compression due à la suralimentation n'engendre pas de cliquetis.
Prenons l'exemple d'un moteur théoriquement parfait, monocylindre, d'un litre de cylindrée. Ce moteur va aspirer et comprimer un litre de mélange air-essence dans sa culasse qui aura été calculée en volume de manière à tirer le meilleur parti du carburant sans atteindre le point critique de cliquetis. Imaginons ce même moteur gavé par un turbo ; il ne va plus aspirer et comprimer un litre, mais davantage. Grossissons le trait et imaginons que le turbo compresseur parvienne à faire entrer2 litres de mélange air-essence dans le cylindre (taux de suralimentation de 2), les volumes de la culasse et celui du cylindre étant inchangés, le rapport volumétrique entre la cylindrée et le volume de la culasse du moteur reste le même mais la quantité de mélange air-essence comprimé ayant doublé le taux de compression a donc suivi : on aurait alors atteint et même largement dépassé les conditions d'apparition de cliquetis.
Un moteur turbo-compressé verra donc son taux de compression revu à la baisse de telle manière que lorsque le turbo gavera le moteur, la compression résultante n'atteigne jamais la valeur à laquelle les phénomènes de cliquetis apparaîtraient inexorablement. Notre moteur théorique de 1 000 cm3 va donc avec la suralimentation avoir des performances proches de celles d'un moteur qui ferait 2 litres de cylindrée, sans en avoir les inconvénients en matière de masses mobiles, de frottements internes, de poids et de dimension générales. Les accessoires (démarreur, batterie, etc.) seront également de puissances et de dimensions plus réduites, permettant un gain de poids substantiel sur l'ensemble du véhicule. Lancer un petit moteur à taux de compression modéré demande en effet beaucoup moins d'énergie que lancer un gros moteur ayant des taux de compression optimums.
Parmi les différentes techniques de suralimentions, deux grandes catégories sont généralement distinguées : les compresseurs, parfois dits volumétriques ou mécaniques, et lesturbocompresseurs. Un turbocompresseur est, comme son nom l'indique, un compresseur entraîné par une turbine, qui utilise l'énergie cinétique des gaz d'échappement, ce qui permet de ne pas « consommer » de couple efficace, tandis qu'uncompresseur volumétrique est entraîné mécaniquement par le vilebrequin. Les technologies utilisées pour l'étage de compression sont différentes, car les régimes de rotation obtenus diffèrent d'un ordre de grandeur. Les compresseurs volumétriques ont néanmoins l'avantage d'être efficaces dès les bas régimes, sans temps de réponse, mais leur régime reste proportionnel à celui du moteur, ce qui limite les possibilités d'optimisation[50]. La compression d'un gaz s'accompagnant d'une élévation de sa température nuisible au rendement de la combustion, ces systèmes sont souvent associés à unéchangeur air-air.
D'autres solutions, moins mécaniques, existent également comme la suralimentation naturelle — liée à la géométrique des tubulures d'admission —, la suralimentation parrésonance obtenue grâce au phénomène derésonance de Helmholtz ou encore la suralimentation par systèmes d'admission à géométrie variable[50].
En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de comparer les moteurs à allumage commandé auxmoteurs Diesel. Les avantages de l'un correspondent naturellement aux inconvénients de l'autre et vice-versa.
Le moteur à allumage commandé est relativement plus léger ; la conception même des moteurs Diesel nécessitant de surdimensionner leurs pièces. Il est donc relativement plus silencieux, puisque la déflagration du gazole, par auto-inflammation, provoque une onde de choc importante dont le bruit – une sorte de claquement – est caractéristique des Diesel. Généralement, le moteur à allumage commandé est plus vif dans les bas régimes et lorsqu'il est froid, car l'allumage se fait par l'intermédiaire d'unebougie. Les régimes moteurs étant de surcroît plus élevés, les véhicules de prestige ou à vocation sportive sont généralement munis de moteurs à allumage commandé[51].
Néanmoins, lerendement thermodynamique théorique du moteur essence est plus faible que celui du Diesel, de l'ordre de 30 % à 35 % pour l'essence contre 40 % à 45 % pour le Diesel en moyenne, en raison des taux de compression plus faibles. Le logiciel de simulation Thermoptim fournit, à conditions identiques, un rendement de 33,9 %[52] pour le moteur à allumage commandé et 40,1%[53] pour le moteur Diesel.
Plus le taux de compression est élevé, plus la combustion est complète et la consommation spécifique réduite. Les consommations de carburant sont plus élevées dans les moteurs à allumage commandé, car outre la question du rendement déjà évoquée, le contenu énergétique de l'essence est plus faible que celui du gazole. Sans recours aux technologies dudownsizing, lecouple obtenu est plus faible à bas régime et les émissions deCO2 plus élevées que pour un moteur Diesel équivalent. Il est cependant plus facile d'obtenir unepuissance plus importante en raison d'un régime moteur maximal environ une fois et demie supérieur à celui des moteurs Diesel pour les moteurs d'automobiles courants[51],[N 7].
Si on compare les émissions polluantes entre un moteur Diesel et un moteur essence, l'avantage va à l'essence sur la question de l'empreinte écologique à long terme[pourquoi ?]. Les moteurs Diesel émettent moins dedioxyde de carbone (CO2), à puissance égal qu'un moteur à essence, en moyenne 15 % de moins[54], car la consommation est inférieure à celle d'un moteur essence. Toutefois le CO2 n'est pas considéré comme un polluant mais participe auréchauffement climatique[54].
Les moteurs Diesel génèrent detrois à huit fois plus deNOx[N 8] (oxydes d'azote) et de huit à dix fois plus de particules fines[55]. Ce surcroit de pollution reste vrai malgré les gros progrès apportés par l'injection directe haute pression. Obligatoires en Europe sur les véhicules mis en service depuis 2011 (norme Euro 5), les filtres à particules permettent de limiter les rejets des particules fines durant l'utilisation, mais ne filtrent pas les NOx sans catalyseur De NOx[55] et n'offrent pas la solution optimale faute de procédés de retraitement en fin de vie. La norme Euro 6 restreint encore les motoristes sur les niveaux d'émission de particules fines et d'oxydes d'azote. Ainsi depuis 2000, la limite maximale de rejet est passée de 500 à 80 mg/km en 2014 pour les nouveaux véhicules (poids lourds et automobiles), donc le parc ancien reste la source principale de pollution[54].
Sur les autres projets Wikimedia :
EmmanuelleFaure et Jean-ClaudeGuibet,Carburants et moteurs, Éditions Technip,(ISBN 978-2-7108-0705-6,lire en ligne)RaymondBrun,Science et technique du moteur diesel industriel et de transport,vol. 1, Éditions Technip,(ISBN 978-2-7108-0412-3,lire en ligne),chap. III (« Combustion »)RobertBosch,Mémento de technologie automobile, Éditions Technip,, 1231 p.(ISBN 978-3-934584-80-8)PhilippeGuibert,Modélisation du cycle moteur : Approche zérodimensionnelle,Les Techniques de l'Ingénieur,
:| Fournissant un couple sur unarbre | *Moteur à explosion :à allumage commandé,à gaz,à deux temps,à quatre temps et leurs cycles (Beau de Rochas/OttoDiesel),à pistons rotatifs (Wankel) |
|---|---|
| Moteur à réaction | *Aérobie :Moteur à ondes de détonation pulsées,Moteur à détonation rotative,Pulsoréacteur,Turboréacteur,Statoréacteur etSuperstatoréacteur |
