Le moteur des voitures : présentation du moteur à quatre temps

Le moteur à quatre temps est maintenant utilisé dans toutes les voitures. Cependant, le fonctionnement devient de plus en plus agréable avec le nombre de cylindre qui augmente car l'enchaînement des étapes se fera de façon plus fluide et circulaire.

Le cycle de Beau de Rochas, encore appelé cycle à quatre temps ou cycle d'Otto, représente un cycle thermodynamique théorique. Il est très répandu, notamment dans l'automobile. En effet, puisque les moteurs à combustion interne à allumage commandé, plus généralement les moteurs à essence, possède un cycle thermodynamique pratique qui peut donc être représenté de façon approchée par le cycle de Beau de Rochas.

Ce sera l'Allemand Christian Reithmann qui déposera le brevet du cycle de Beau de Rochas le 26 Octobre 1860 grâce à son inspiration du moteur à deux temps d'Etienne Lenoir. Mais il sera à nouveau breveté par Beau de Rochas, d'où le nom de ce cycle, en 1862 puisqu'en effet le brevet de Reithmann devait expirer en 1861. Il sera mis en oeuvre un an plus tard par Etienne Lenoir. Mais, initialement, ce sera Nikolaus Otto qui décrira en premier, en 1876, la course d'un piston avec un mouvement de haut en bas dans un cylindre. Cependant, le brevet d'Otto sera infirmé en 1886 lorsqu'il sera découvert que Beau de Rochas avait déjà décrit le principe du cycle à quatre temps, rappelons-le en 1862, dans une brochure qui devait être diffusée de façon privée, même si celui-ci avait tout de même déposé le brevet.

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Principe du cycle à quatre temps

Cycle théorique

Ce cycle est caractérisé par les quatre temps ou encore les quatre mouvements linéaires du piston suivant :

  1. Début du cycle, point mort en position haute
  2. L'admission : la soupape d'échappement est fermée tandis que la soupape d'admission est ouverte. Le piston se met en mouvement et descend ce qui permet l'aspiration et donc l'entrée dans le cylindre d'un mélange d'air et de carburant en provenance du carburateur ou encore de l'injection.
  3. La compression : la soupape d'échappement est toujours fermée et la soupape d'admission se referme. Le piston remonte provoquant la compression du mélange air-carburant.
  4. La combustion-détente : les deux soupapes restent fermées et permettent, lorsque le piston arrive au niveau du deuxième point mort en position haute, l'enflammement du mélange air-carburant, souvent grâce à l'action de la bougie d'allumage. Ainsi, la forte augmentation de pression dans le cylindre, produite grâce à la combustion du mélange d'air et de carburant, provoque une expansion des gaz qui va forcer le piston à redescendre.
  5. L'échappement : La soupape d'échappement va ensuite s'ouvrir afin de permettre l'évacuation des gaz brûlés qui seront poussés par la remontée du piston.
Les gaz d'échappement son considérés comme des gaz hautement polluant. Grâce aux moteur électrique, on supprime ces gaz mais la question se pose dorénavant sur la fabrication et le recyclage des batteries.

Cycle réel

Dans la réalité, le cycle décrit précédemment ne se produit pas tel quel. En effet, on peut y trouver d'autres subtilités telles que la présence de transition et de demi-temps, encore appelés retards, entre chaque temps théorique. Par exemple, on retrouve :

  • Dans un cycle de compression :
    • Des soupapes qui se referment après que le piston commence sa remontée.
  • Dans un cycle d'échappement :
    • Celui-ci débute avant même que le piston ne se retrouve à sa position supérieure et alors que la soupape d'admission est déjà entrouverte.
    • La soupape d'échappement se referme alors que le piston débute seulement sa descente et donc quand de l'air frais se trouve dans le cylindre.

On peut alors remarquer que l'on se trouve en réalité fasse à un cycle qui est très flexible puisqu'il est possible de jouer avec les différents temps d'ouverture des soupapes. Ainsi, chaque moteur a la possibilité de présenter des caractéristiques qui lui sont propres, notamment en termes de pollution. En effet, dans les moteurs modernes, ces paramètres sont très modulés grâce à l'électronique, permettant de les faire varier de façon continue durant le fonctionnement de celui-ci.

Admission et échappement

Comme expliqué plus haut dans l'article, l'admission et l'échappement sont gérés grâce à l'action des soupapes même si d'autres système existent pour commander ces cycles tels que la chemise oscillante ou encore les disques de distribution.

Le moteur atmosphérique

Un moteur atmosphérique est un moteur qui fonctionne à la même pression que l'air ambiant. Il fonctionne donc sans turbo.

Dans ce type de moteur, l'admission d'air se fait, comme le nom le laisse entendre, à pression ambiante et donc à environ un bar. Cette admission tentera alors de remplir le vide dans le cylindre provoqué lors de la phase d'échappement. Bien que des pertes de charge permettent de limiter le remplissage du cylindre, il reste possible, du fait de la dynamique des fluides, que le remplissage du cylindre dépasse la pression atmosphérique et cela sans aucune intervention externe.

Le moteur à essence

Avec ce type de moteur, le volume d'air qui va entrer dans le cylindre sera contrôlé et on y ajoutera une quantité d'essence définie afin d'obtenir un mélange air-essence idéal. De ce fait, lorsque le moteur tourne à faible régime, on peut remarquer une restriction importante dans le but que le moteur se comporte comme une pompe à vide. De ce fait, plus la cylindrée du moteur est importante, plus la perte d'énergie, nécessaire au fonctionnement de cette pompe à vide, sera importante pour un même régime moteur.

Le moteur diesel

Ce moteur est bien différent des autre puisque le cylindre de ce type de moteur sera toujours rempli au maximum alors qu'il n'y a aucun contrôle du volume d'air entrant. En effet, ce contrôle de volume d'air ne se fait qu'à l'injection où un quantité de carburant y sera injecté afin d'atteindre la puissance souhaitée. Contrairement au moteur à essence, ce moteur ne se comporte beaucoup moins comme une pompe à vide, permettant alors d'obtenir un rendement plus intéressant lorsque le moteur ne se trouve pas à pleine charge. Puisqu'un moteur à quatre temps exécute son cycle avec deux tours de vilebrequin, il est évident qu'un moteur de un litre ne pourra aspirer au maximum qu'un demi-litre par tour de vilebrequin, alors qu'un moteur à deux temps de un litre de cylindrée aspirera un litre d'air par tour. On retrouvera alors un potentiel, pour une même cylindrée, d'une puissance plus importante.

Le moteur suralimenté

Lorsqu'un moteur est suralimenté, il ne fonctionne pas à la pression atmosphérique. En effet, un système de sur-alimentation tel qu'un turbo ou un compresseur volumétrique aura pour rôle de gaver le moteur avec un volume d'air équivalent nettement plus important que la cylindrée du moteur. Grossièrement, on peut comprendre que le but est de faire croire au moteur qu'il est plus gros et plus puissant qu'il ne l'est réellement. De ce fait, si on gave un moteur avec une pression de suralimentation d'environ un bar -donc avec une pression totale d'air dans le cylindre de deux bars soit le double de la pression atmosphérique. On se retrouve alors avec une puissance potentielle qui sera de ce fait deux fois plus élevée même si d'autres facteurs peuvent influencer la puissance du moteur.

Le début des moteurs à combustion

Lorsque les premiers moteurs à combustion ont vu le jour, l'admission était à tord négligée avec de petites soupapes qui pouvaient même parfois être activée grâce à la dépression produite à l'intérieur du cylindre. Les soupapes d'échappement, quant à elles, étaient nettement plus grande puisqu'on pensait pouvoir compenser l'expansion de l'air provoquée par la combustion du mélange air-carburant. Heureusement, ces idées ont rapidement changés et on trouve aujourd'hui des soupapes d'admission plus grandes que les soupapes d'échappement.

Les avantages mais aussi les inconvénients des moteurs à cycle de Beau de Rochas

Si on se trouve dans le cas d'une admission de carburant avec air, donc avec carburateur ou encore avec une injection directe, on obtient alors un cycle à quatre temps qui possédera un rendement plus intéressant que celui d'un cycle à deux temps même si, à cylindrée égale, la puissance sera moins importante.

Egalement, un moteur à quatre temps demande une distribution complexe avec des soupapes et des arbres à cames, donc plus complexe qu'un moteur à deux temps. De plus, sur les quatre temps qui constituent le cycle de Beau de Rochas, il n'y a qu'un seul temps qui se trouve être moteur : celui qui suit la combustion. En effet, on se trouvera dans le cas d'un piston qui fournira une énergie mécanique une fois tous les deux tours. On peut alors remarquer des irrégularités en ce qui concerne le couple du moteur. Il existe un autre inconvénient aux moteurs à quatre temps : ils sont coûteux à réparer.

En effet, à cause du nombre important de pièce nécessaire au bon fonctionnement du cycle, les coûts sont plus élevés que dans le cas d'un moteur à deux temps alors que ceux-ci, puisqu'ils possèdent une admission directe de carburant dans le cylindre, présentent alors des gain mécaniques au cycle qui apportent donc un meilleur rendement du fait qu'il n'y ait pas de perte de carburant dans l'échappement. Cependant, les émission de polluants resteront nettement plus importante que dans le cas d'un moteur à deux temps.

Exercice : Cycle d'un moteur à combustion

Le cycle Beau de Rochas modélise le cycle d'un moteur à combustion. Il s'agit d'un cycle pour un gaz parfait, composé de deux isochores et deux adiabatiques quasistatiques.

  1. Représenter le cycle en coordonnées de Clapeyron.
  2. Dans quel sens est décrit ce cycle ?
  3. Calculer le rendement du cycle en fonction du rapport volumétrique  α = Vmax/Vmin et γ coefficient isentropique.
  4. Le cycle est-il réversible ?

L'ancêtre du moteur électrique en expérience

On considère les moteurs électriques comme étant plus vert. Cependant, l'électricité n'est pas toujours obtenue via un procédé qui ne pollue pas.

La roue de Barlow (1822) est l'ancêtre du moteur à courant continu à entrefer plan

En effet, la roue de Barlow correspond à un dispositif qui permet la mise en évidence de mouvements de rotation continus qui sont créés grâce à des forces électromagnétiques.

Champ électrique

En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locales de l'espace défini sont alors modifiées ce qui permet de définir la notion de champ.

En effet, si une autre charge se trouve être dans ledit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de ladite action à distance. Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz.

Cette force se décompose ainsi :

    \[ \overrightarrow { f } = q \left ( \overrightarrow { E } + \overrightarrow { v } \wedge \overrightarrow { B } \right) \]

Avec :

  •     \[ \overrightarrow { E } \]

    le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge

  •     \[ \overrightarrow { B } \]

    le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.

De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude. Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes. Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb.

On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacements des charges afin d'obtenir un champ électrique complet.

Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.

Le champ électrique est donc une composante à part entière du champ électrostatique, mais aussi du champ électromagnétique !

Le champ électromagnétique

En physique, on appelle champ électromagnétique la représentation dans l'espace d'une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un référentiel galiléen. On peut alors définir la force subit par une particule de charge q et de vecteur vitesse par l'expression suivante :

    \[ \overrightarrow { f } = q \left ( \overrightarrow { E } + \overrightarrow { v } \wedge \overrightarrow { B } \right) \]

Avec :

    \[ \overrightarrow { E } \]

le champ électrique.

Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge

    \[ \overrightarrow { B } \]

le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi. En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude.

De plus, il peut être intéressant de savoir que les équations de Maxwell régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante. D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique. La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.

Exercice

Le but de l'exercice est d'interpréter l'expérience ci-dessous :  On modélise l'expérience de la façon suivante :

    Le champ magnétique B est supposé uniforme.   Le courant circule de façon radiale et linéique du centre de la roue au contacteur, supposé sans frottements.

A t = 0, on ferme l’interrupteur K. Déterminer le mouvement de la roue de Barlow sachant qu’elle est initialement immobile.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !