La plupart des moteurs de voitures, de motos et de groupes électrogènes répètent le même cycle de quatre temps : aspirer, comprimer, brûler, rejeter. L'Exetat demande l'ordre des temps, la position des soupapes, le seul temps moteur, la lecture du diagramme pression-volume et quelques repères historiques.
L'essentiel
- Vocabulaire : le piston monte et descend dans le cylindre entre le PMH (point mort haut, position la plus haute) et le PMB (point mort bas, position la plus basse). Une course (PMH → PMB ou PMB → PMH) correspond à un demi-tour de vilebrequin.
- Les quatre temps : 1, admission (le piston descend, la soupape d'admission est ouverte, les gaz frais entrent) ; 2, compression (le piston remonte, les deux soupapes sont fermées) ; 3, combustion-détente (les gaz brûlés poussent le piston vers le bas, soupapes fermées) ; 4, échappement (le piston remonte, la soupape d'échappement est ouverte, les gaz brûlés sortent).
- Un seul temps est moteur : le 3e (combustion-détente), où les gaz poussent le piston. Pendant les 1er, 2e et 4e temps, c'est le vilebrequin, aidé par le volant d'inertie, qui entraîne le piston : le moteur se comporte alors en machine réceptrice.
- Un cycle complet dure 4 courses, donc 2 tours de vilebrequin. L'arbre à cames, qui ouvre chaque soupape une fois par cycle, fait 1 tour par cycle : il tourne deux fois moins vite que le vilebrequin.
- Diagramme pression-volume (p-V) du moteur à essence : admission (p proche de la pression atmosphérique, V augmente) ; compression (p monte, V diminue) ; combustion (montée presque verticale de p, V presque constant, car la combustion est très rapide) ; détente (p baisse, V augmente) ; échappement. L'aire de la boucle représente le travail fourni par cycle.
- Essence et Diesel : le moteur à essence aspire un mélange air-essence et l'enflamme par une étincelle de bougie. Le Diesel aspire de l'air seul, le comprime beaucoup plus fort (ce qui le chauffe), puis on y injecte le gazole, qui s'enflamme tout seul (auto-inflammation). Sur le diagramme p-V du Diesel, la combustion se fait à pression à peu près constante au lieu d'une montée verticale.
- Repères historiques : Lenoir construit un moteur à gaz sans compression (1860) ; Beau de Rochas décrit le cycle à quatre temps (1862) ; Otto construit le premier moteur à quatre temps qui fonctionne (1876) ; Diesel invente l'allumage par compression (années 1890) ; Wankel met au point le moteur à piston rotatif (années 1950).
- Le moteur Wankel n'a pas de piston alternatif : un rotor triangulaire tourne dans un carter de forme ovale (épitrochoïde). Les chambres entre le rotor et le carter réalisent les quatre temps, sans bielle ni soupapes.
Les formules
- Tours par cycle
- 1 cycle = 4 courses = 2 tours de vilebrequin = 1 tour d'arbre à cames
- moteur à 4 temps
- Cycles par minute
- cycles/min = n/2
- n : vitesse du vilebrequin en tr/min
La méthode
- 1Écris les quatre temps dans l'ordre, avec pour chacun le sens du piston (descend, monte, descend, monte).
- 2Ajoute l'état des soupapes : admission ouverte au 1er temps, tout fermé aux 2e et 3e, échappement ouvert au 4e.
- 3Pour « moteur ou récepteur », demande-toi qui pousse qui : les gaz poussent le piston au 3e temps seulement.
- 4Sur un diagramme p-V, suis le sens du cycle : ce qui monte presque à la verticale est la combustion (essence), ce qui descend en même temps que V augmente est la détente.
- 5Pour les vitesses, souviens-toi : 2 tours de vilebrequin par cycle, l'arbre à cames à la moitié de la vitesse du vilebrequin.
Un exemple résolu
Un moteur à essence à quatre temps et 4 cylindres tourne à 3 600 tr/min. Calcule la vitesse de l'arbre à cames, le nombre de cycles par seconde d'un cylindre et le nombre total de temps moteurs par seconde.
- 1.Un cycle dure 2 tours de vilebrequin et 1 tour d'arbre à cames : l'arbre à cames tourne à 3 600/2 = 1 800 tr/min.
- 2.Vitesse du vilebrequin en tours par seconde : 3 600/60 = 60 tr/s.
- 3.Cycles par seconde pour un cylindre : 60/2 = 30 cycles par seconde.
- 4.Chaque cycle comporte un seul temps moteur : 30 temps moteurs par seconde et par cylindre.
- 5.Pour 4 cylindres : 4 × 30 = 120 temps moteurs par seconde.
Réponse : Arbre à cames à 1 800 tr/min ; 30 cycles par seconde par cylindre ; 120 temps moteurs par seconde au total.
Les pièges à éviter
- Croire que les soupapes sont ouvertes pendant la compression : les deux sont fermées pendant la compression ET la combustion-détente.
- Compter la compression comme temps moteur : le piston y reçoit du travail, il ne l'est pas.
- Dire qu'un cycle dure un tour : il en dure deux, et l'arbre à cames tourne deux fois moins vite que le vilebrequin.
- Confondre combustion (montée verticale de p à volume presque constant) et compression (p monte progressivement pendant que V diminue).
- Attribuer le cycle à quatre temps à Diesel ou à Watt : c'est Beau de Rochas qui l'a décrit en 1862.
À retenir
Admission, compression, combustion-détente, échappement : un seul temps moteur (le 3e), soupapes fermées aux 2e et 3e temps, 2 tours de vilebrequin et 1 tour d'arbre à cames par cycle.