BAC PRO Conducteur Routier
BAC PRO et CAP CRM
Conducteur Routier de Marchandises
SÉANCE 9.1.2 :
LE MOTEUR
DIESEL
Objectif de cette séance : développer les connaissances permettant de conduire rationnellement et en sécurité le véhicule, et d'en exploiter les caractéristiques techniques.
Le conducteur doit être capable d'exploiter les caractéristiques techniques du véhicule en toutes circonstances. Dans un premier temps, le conducteur se doit d'identifier les principaux composants du moteur Diesel. Dans un deuxième temps, il devra comprendre le fonctionnement du moteur dit " à 4 temps "
1ère partie : Les composants
1 - Principe de fonctionnement :
Le moteur transforme l’énergie calorifique en énergie mécanique ( motrice).
Un mélange d’air et de carburant
est brûlé à l’intérieur du (des) cylindre(s) : c’est l’énergie calorifique ( ou " chaleur " ).
Cette combustion / explosion contribue, à son tour, à la mise en mouvement des pièces mobiles du moteur, développant de l’énergie : c'est l' énergie mécanique ( ou " motrice " ).
Le carburant utilisé pour le fonctionnement d'un moteur DIesel est le Gasoil.
2 - Les organes fixes :
Les organes fixes ( Carter inférieur, Bloc cylindre(s), joint de culasse, culasse et cache-culbuteurs ) constituent " l'emballage " du moteur.
2.1 - Le bloc-cylindre(s) ou bloc-moteur :
A savoir : Le cylindre est un conduit creux, en forme de "tube", réalisé à partir d’un bloc en métal ou en acier particulier.
Sa surface a été traitée afin de lui permettre de résister à une chaleur puissante, et donc résister à la chaleur provoquée par la combustion du carburant. Mais sa surface est aussi traitée pour résister aux frottements généré par la mécanique interne ( voir le chapitre lié aux organes mobiles du moteur ).
Inséré(s) dans le bloc moteur, le(s) cylindre(s) permet(tent) de faire fonctionner le(s) piston(s) grâce à un système de coulissement.
Pour imager le bloc moteur, prenons un bloc en métal ( hier essentiellement composé de fonte et aujourd'hui souvent réalisé en aluminium ),
Le cylindre est "creusé" dans ce bloc de métal et le traverse de part en part.
Autour de ce trou cylindrique, des galeries vont être "creusées". Elles serviront, plus tard, à la circulation de l'huile ou du liquide de refroidissement.
Un bloc moteur peut être percé d'un cylindre unique on parlera de moteur monocylindre ( comme sur un scooter ou une moto de petite cylindrée ).
Le bloc moteur peut aussi recevoir de deux cylindres ( = moteur bicylindre ) à 12 cylindres ( comme pour les voitures des marques Ferrari ou Lamborghini ) et, plus exceptionnellement, jusqu'à 16 cylindres ( comme, par exemple, la Bugatti Veyron ).
La grande majorité des véhicules légers ( " voitures " ) sont équipées d'un bloc-moteur avec 3 ou 4 cylindres.
La grande majorité des véhicules lourds ( "camions " ) sont équipés d'un bloc-moteur avec 6 ou 8 cylindres.
bloc moteur ravec 4 cylindres
bloc moteur avec 8 cylindres
2.2 - Le carter moteur :
Ce que je dois savoir :
Le carter moteur est un bac métallique ( en aluminium ) qui vient " fermer " le bloc moteur dans sa partie inférieure.
Ce bac va, en règle générale, servir de réservoir d'huile d'où son appellation de " carter d'huile inférieur ".
Il doit être fixé de façon parfaitement étanche au bloc cylindre, et dispose d'une vis qui permettra de le vider de son huile au moment de la renouveler ( la " vidange " ).
Vis faisant office de " Bouchon de vidange "
2.3 - La culasse :
Ce que je dois savoir :
La culasse est en quelque sorte le " couvercle " du bloc moteur qui vient "fermer" le bloc moteur dans sa partie supérieure.
La culasse est une pièce plutôt complexe puisqu'elle vient fermer de façon parfaitement hermétique ( = étanche ) la partie supérieure du ou des cylindres. La culasse est complexe parce qu'elle reçoit :
- Des canalisations d'admission qui permettront d'alimenter le(s) cylindre(s) en air
- Des canalisations d'échappement qui permettront d'évacuer les gaz brûlés vers le pot d'échappement,
- Les soupapes qui assurent l'étanchéité des cylindres ou, au contraire, des ouvertures vers les canalisations d'admission ou d'échappement ,
- Le dispositif d'injection pour alimenter le(s) cylindre(s) en carburant,
- Sur les moteurs essence ou gaz, la culasse reçoit pour chacun des cylindre la bougie d'allumage qui produira l'étincelle à l’origine de l'explosion du mélange air/carburant.
- Des canalisations permettant la circulation de l'huile vers les pièces mobiles à lubrifier...
.png)
Le joint de culasse :
Pour qu'un moteur puisse fonctionner, les différents gaz de haute température produits par les chambres de combustion ne doivent pas pouvoir s'en échapper. C'est ici qu'intervient le joint de culasse.
Rôle du joint du culasse : il assure l'étanchéité d e toutes ces chambres de combustion ( = une par cylindre ) afin que les gaz produits par le moteur ne puissent pas fuir. De même il se doit d'assurer une séparation efficace entre le circuit d'eau, le circuit d'huile et les chambres de combustion.
Le joint de culasse se place entre le bas de la culasse et le haut du bloc-cylindres.
En plus de gérer la bonne liaison des différents organes du moteur, le joint de culasse assure la bonne circulation du liquide de refroidissement et de l’huile. En effet, les circuits de lubrification et de refroidissement traversent à la fois la culasse et le bloc moteur, le joint de culasse vient ainsi assurer la continuité de ces circuits et la séparation stricte entre l’huile, le liquide de refroidissement et la chambre de combustion.
2.4 - Le cache-culbuteurs :
Ce que je dois savoir :
Le cache-culbuteurs vient compléter la culasse pour fermer la partie haute du moteur en protégeant toutes les pièces mécaniques mobiles qui se trouvent en partie supérieure de la culasse.
Plus particulièrement, le cache-culbuteurs vient couvrir et protéger l'ensemble des pièces qui agissent sur l'ouverture des soupapes ( Arbre à cames, culbuteurs... ).
Beaucoup de constructeurs automobiles se contente d'un simple capot en plastique pour faire office de cache-culbuteurs.
3 - Les organes mobiles :
Le mouvement des organes mobiles contribue à la création de l’énergie mécanique ( motrice )
3.1 - Le vilebrequin :
Ce que je dois savoir :
Le vilebrequin est le dispositif mécanique qui agit comme une manivelle.
Il permet, par l’intermédiaire d'une bielle, la transformation du mouvement linéaire rectiligne du piston ( aller et retour à l'intérieur du cylindre ) en un mouvement de rotation continu, et inversement.
Le Vilebrequin est un arbre grâce auquel le mouvement rectiligne alternatif d'un dispositif piston-bielle est transformé en un mouvement de rotation.
Présent dans la plupart des moteurs à piston, il assure la transmission de l'énergie issue de la combustion du carburant dans les cylindres en une énergie mécanique disponible sur l'arbre moteur.
C'est cette énergie mécanique qui sera utilisée pour mettre en mouvement le véhicule par le biais de la transmission et des roues motrices.
Le vilebrequin d'une automobile est un arbre coudé, en acier forgé ou coulé, ou en fonte moulée, tourillonné sur des paliers placés à la partie inférieure du bloc-cylindres du moteur.
Dans un moteur à pistons, le vilebrequin constitue l'arbre moteur. Il entraîne la transmission primaire, l'alternateur, les pompes, les contre-arbres d'équilibrage, et l'arbre à cames dans le cas du moteur thermique 4 temps...
Le vilebrequin est composé de Tourillons : ce sont des portées alignées guidant l'axe central en rotation par l’intermédiaire de paliers. Entre ces paliers se trouvent des manivelles équipées de manetons excentrés sur lesquels sont montées les bielles.
Le maneton est la partie cylindrique d'un vilebrequin assurant la liaison pivot avec la bielle grâce à deux demi-coussinets servant a réduire la friction entre le vilebrequin et la bielle.
Un tourillon est la partie cylindrique mâle d'un arbre réalisée pour assurer un guidage en rotation.
Les tourillons sur les arbres tournants (vilebrequin, arbre à cames) sont très souvent maintenus dans des paliers par l’intermédiaire de coussinet. Dans les vilebrequins, il ne faut pas confondre les tourillons, situés sur l'axe de rotation du vilebrequin, avec les manetons, excentrés, sur lesquels sont articulées les bielles.
Les contre-poids : Les manivelles peuvent être munies de masses d'équilibrages appelées contre-poids. Ces masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie éventuelle du système de manivelle (moteur 3 et 6 cylindres).
Le vilebrequin comporte, à une extrémité une bride destinée à transmettre la puissance mécanique. Cette bride cale un volant ( le volant moteur ) qui porte à son tour l'embrayage.
À l'autre extrémité, une forme adéquate permet d'assurer le montage et le calage d'une roue dentée pilotant le système de distribution (arbre à cames) et des poulies entraînant par courroies des organes auxiliaires tels que la pompe à eau, le générateur électrique ou le ventilateur.
le vilebrequin est, sans nul doute, parmi les organes mobiles du moteur, la pièce la plus importante tant pour créer l'énergie mécanique pour pour transmettre cette énergie vers l'embrayage et les roues motrices.
Il n'est pas rare d'entendre l'expression " faire tourner le moteur ", il serait plus adapté de dire " faire tourner le vilebrequin ".
Nous verrons plus tard que le vilebrequin intervient dans le fonctionnement des circuits d'alimentation en carburant, de lubrification et/ou de refroidissement... Le vilebrequin est également actionné par le démarreur au moment de la mise en marche du moteur !
3.2 - Les bielles et les pistons
3.2.1 - Le piston
Le piston est l'élément mobile qui se déplace à l'intérieur du cylindre et assurant la variation de volume de la chambre de combustion de ce cylindre.
Dans un moteur il y a autant de pistons que de cylindres creusés dans le bloc moteur
( ou " bloc cylindre " ).
Fonctions principales du Piston : Généralement lié à une bielle, le piston assure la compression des gaz de combustion et subit leur détente, engendrant ainsi un mouvement rotatif du vilebrequin.
Lorsque la chambre est ouverte par une soupape, il expulse les gaz brûlés ou aspire l'air pour le cycle suivant.
Le déplacement du piston à l'intérieur du cylindre est délimité par un point-mort haut et un point-mort bas.
3.2.2 - Les segments
Les segments assurent une parfaite étanchéité entre la chambre de combustion située au dessus du piston, et le carter d'huile situé en dessous du piston et où se trouve le vilebrequin.
Les segments sont fixes et positionnés aux abords du piston.
Ils assurent la liaison entre les pistons et les cylindres.
Il sont en nombre important et remplissent tous un rôle très différent, allant du raclage du surplus d’huile sur le cylindre ( = segment inférieur ), à l’étanchéité entre la chambre de combustion et le carter.
Le segment supérieur est dit "coupe-feu" .
L'ensemble des segments constituent la segmentation.
3.2.3 - La bielle
La Bielle relie le piston jusqu'au vilebrequin. Elle permet de transformer le mouvement vertical du piston en une rotation agissant sur le vilebrequin ( principe de la manivelle ).
La Bielle est rattachée au piston au niveau de l'axe du piston.
La bielle est rattachée au vilebrequin par l’intermédiaire de coussinets
( généralement en bronze ).
3.3 - Soupapes et arbre(s) à cames :
3.3.1 - Les soupapes
Un moteur est doté d’au moins deux soupapes par cylindre ( = au minimum ! ).
Dans chaque paire de soupapes, l’une est conçue pour l’admission de l’air dans la chambre de combustion
( = soupape d'admission ) et l’autre sert à l’évacuation des gaz brûlés ( = soupape d'échappement ).
Elles sont garantes de l'étanchéité de la chambre de combustion au moment de l'explosion ( ou combustion ) du mélange air et carburant.
Les soupapes :
Les modèles de soupapes les plus répandus sont les “soupapes à tige”, appelées également “soupapes à tulipes”. Il s’agit de longues tiges de métal comprenant à l’une de leurs extrémités un tampon de métal, appelé le “siège” de la soupape.
Les soupapes se mettent en mouvement dès que le moteur est en marche.
Deux types de soupapes existent :
- La soupape d'admission qui permet l'entrée de l'air au sein de la chambre de combustion du cylindre
- La soupape d'échappement qui permet d'évacuer les gaz brûlés après l'explosion ( moteur essence ) ou la combustion d'un carburant ( moteur Diesel ).
Elles peuvent être soit en position ouverte soit en position fermée.
Les ressorts des soupapes ont pour principe de maintenir les soupapes en position fermée
Aujourd'hui il est fréquent de trouver 3 à 4 soupapes par cylindre
3.3.2 - L'arbre à cames
Rôle de l' arbre à cames :L'arbre à cames à pour fonction d'agir sur les soupapes pour qu'elles s'ouvrent ( = les pousser " vers la bas " )
Les ressorts des soupapes ont pour principe de maintenir les soupapes en position fermée : la chambre de combustion est alors étanche, il n'y a pas d'entrée d'air ( admission ) ni évacuation de gaz brûlés ( échappement ).
L'arbre à cames ouvre alternativement la (les) soupape(s) d'admission pour permettre le remplissage du cylindre en air et la (les) soupape(s) d' échappement pour assurer l'évacuation des gaz brulés.
.png)
3.3.3 - Moteur à simple arbre à cames
Le moteur est dit à " simple arbre à cames " s'il ne dispose que d'un seul arbre à cames pour commander l'ouverture de l'ensemble de ses soupapes.
Cela sous entend que toutes les têtes des soupapes ( pour l'ensemble des cylindres ) de ce moteur sont parfaitement alignées.
3.3.4 - Moteur à double arbres à cames
Le moteur est dit à " doubles arbres à cames " s'il dispose de 2 arbres à cames : l'un pour commander l'ouverture des soupapes d'admission ( et faire entrer l'air dans la chambre de combustion ) et l'autre arbre à cames, pour commander l'ouverture des soupapes d'échappement ( et évacuer les gaz brûlés ).
Cela sous entend que toutes les têtes des soupapes
( pour l'ensemble des cylindres ) forment 2 alignements distincts : d'un côté les soupapes d'admission, de l'autre, les soupapes d’échappement.
3.3.5 - Arbres à cames en tête ( ACT ) :
Lorsque l'arbre à cames agit directement sur les têtes de soupapes, il est dit " arbre à cames en tête " : Un moteur à arbre à cames en tête (ACT) est un moteur à piston(s) dans lequel l'arbre à cames est situé dans la culasse au-dessus de la chambre de combustion
Les moteurs à arbre à cames en tête simple ( Single Over Head Camshaft en anglais ou SOHC) ont un arbre à cames par rangée de cylindres. Les moteurs à double arbre à cames en tête ( 2ACT, également appelés « twin-cam » ou Double Over Head Camshaft DOHC ) ont deux arbres à cames par rangée de cylindre.
Moteur à double ACT ( 2 ACT), également appelé
" twin-cam " ou " Double Over Head Camshaft "
( = DOHC )
3.3.6 - Les culbuteurs :
Un moteur culbuté, c'est un moteur dont les soupapes sont commandées par des culbuteurs :
Dans un moteur à combustion interne, les culbuteurs servent à transmettre la poussée des tiges de culbuteurs vers les soupapes.
Les soupapes se trouvent au-dessus des cylindres. Les tiges de culbuteurs, situées le long des cylindres, sont actionnées par un arbre à cames latéral ou central, situé vers le bas des cylindres et proche du vilebrequin.
Ces moteurs "culbutés" ont été très utilisés en automobile de tourisme jusqu'aux années 1970-80. Ils restent encore utilisés sur certaines motocyclettes (Harley-Davidson, Moto Guzzi) et sur les moteurs qui ont un régime de rotation maximum peu élevé.
Dans sa version complexe, l'arbre à cames commande l'ouverture des soupapes en agissant sur les culbuteurs, à l'aide de tiges de culbuteurs et de poussoirs :
Dans sa version simplifiée, l'arbre à came commande l'ouverture des soupapes en agissant directement sur un culbuteurs ou un levier.
Sur ce type de moteur culbuté, le(s) arbre(s) à cames se situent dans la partie supérieure du moteur, sous le cache- culbuteurs. Toutefois, l'arbre à cames n'est pas placé juste au dessus des soupapes.
On retrouve ce type d’ouverture des soupapes sur beaucoup de moteurs diesel actuels.
3.4 - La distribution :
Rôle de la distribution :
La distribution à pour fonction d'assurer un fonctionnement des soupapes ( ouverture et fermeture ) en totale synchronisation avec celui des pistons.
Cette fonction est rendue possible grâce au mécanisme dit de "distribution" ( cascade de pignons, chaine ou courroie ) qui relie et associe le mouvement de l'arbre à cames à celui du vilebrequin.
Règle de fonctionnement : la distribution divise par 2 la vitesse de rotation entre le vilebrequin et l'arbre à cames.
Pendant que le vilebrequin fait 2 tours ( 2 rotations ), l'arbre à cames n'en fait qu'un ( une seule rotation ).
3.4.1 - La chaine de distribution :
Les moteurs de conception assez ancienne sont pourvu d'une chaîne pour transmettre le mouvement du vilebrequin à l'arbre à cames.
La durée de vie de cette chaine est théoriquement égale à celle de l'ensemble du moteur, si elle est correctement lubrifiée, cependant cette techniques d'entrainement est consommatrice de puissance, à l’accélération, du fait de son inertie.
L'utilisation d'une chaine implique l'ajout de tendeurs ( = dispositif de correction de la tension de cette chaine ).
3.4.2 - La distribution par cascade de pignons :
Autre conception assez ancienne : l'emploi d'un jeu de pignons placés en "cascade" pour transmettre le mouvement du vilebrequin à l'arbre à cames.
La aussi, la durée de vie du dispositif est théoriquement égale à celle de l'ensemble du moteur, si les pignons sont correctement lubrifiés, cependant cette techniques d'entrainement est également consommatrice de puissance, a l’accélération, du fait de son inertie, car les pignons sont assez lourds et nuisent à l'efficacité mécanique globale du moteur.
3.4.3 - La courroie de distribution :
Dans les moteurs modernes, très souvent, des courroies de distribution sont utilisées.
Ces courroies sont essentiellement composées de caoutchouc, enrobant une tresse (âme) en aramide ou fibre de verre. Elles ont l'avantage de ne nécessiter aucun graissage et d'être silencieuses.
Par contre, leur remplacement périodique est impératif : tous les 50 000 à 240 000 kilomètres, mais aussi après quelques années, entre cinq et dix ans, lorsque le kilométrage n'est pas atteint, du fait de la dégradation progressive des composants de cette courroie. La rupture de cette courroie est à coup sûr destructrice pour l'ensemble du haut moteur.
.png)
Vidéo : Assemblage moteur FORD
4 - Notions de cylindrée :
La cylindrée unitaire, c’est le volume maxi ( en cm3 ) de la chambre de combustion correspondant au déplacement du piston de son point mort haut à son point mort bas.
La cylindrée totale d’un moteur à plusieurs cylindres est l’addition des cylindrées unitaires de chacun de ses cylindres
Cylindrée moteur = cylindrée unitaire (en cm3) x nombre de cylindre(s)
Exemple : cylindrée totale = cylindrée unitaire (en cm3) x 4
A partir des valeurs de l’alésage et de la course, données par le constructeur, on peut déterminer la cylindrée unitaire d’un cylindre moteur,
Formule : course ( en cm ) x surface du piston ( en cm )
avec surface du piston = π x rayon ² ( π.r ² )
Le rayon du piston = la moitié de l’alésage ( r = Ø / 2 )
La cylindrée totale s’exprime généralement en cm3 ( pour les cyclomoteurs et motos ) ou en litres ( pour les autos et les Poids Lourds )
NB : 1000 cm3 ( ou cc ) = 1 litre
Cette notion est abordée en détails dans la séance 4 :
" Moteur Diesel - cylindrée, régime, puissance et couple moteur "
5 - Architecture du moteur :
Dans le domaine de l’automobile, plusieurs architectures sont utilisées ; suivant la cylindrée et la recherche de puissance du moteur, une architecture est plus adaptée qu’une autre.
D’une manière générale l’architecture des moteurs définit, entre autres, la position des cylindres.
Lors de la conception d’un véhicule, le point le plus important reste l’encombrement et l’espace réservé, sur le châssis ou à l'intérieur de la carrosserie, au moteur.
Les différentes architectures utilisées en automobile sont les suivantes : Moteur en ligne, Moteur en V, Moteur VR, Moteur W ou Moteur à plat (Boxer)
Il existe encore des architectures de moteurs utilisées dans d’autres domaines tel que l’aviation : Moteur en H ou Moteur en étoile...
Moteur en ligne ( les cylindres sont alignés )
Ces moteurs sont très souvent utilisés dans l’industrie automobile, les moteurs de petite cylindrée sont souvent des moteurs avec cylindres en ligne.
Depuis plus de 30 ans, les moteurs à 4 cylindres en lignes sont devenus la norme dans l’industrie automobile. Ces moteurs sont réputés pour leur douceur de fonctionnement.
Moteur en V (angle de 60 à 120 degré entre les pistons)
Les cylindres sont alignés en deux rangées décalées d’un angle variant de 60 à 120°. L’avantage principale et le gain de place (moteur plus court) quand le nombre de cylindre est important contrairement au moteur en ligne.
A Partir de 6 cylindres, la conception en V est généralement utilisée. Il existe des configurations différentes V6, V8 et V12.
Moteur VR :
Dans cette configuration, certains disent que c’est un moteur en V avec un angle réduit. Cependant, la principale caractéristique des moteurs VR c’est l’utilisation d’une seule culasse (partie supérieure du moteur).
Contrairement au moteur en V traditionnel, qui possède quand à lui deux culasses distinctes.
Moteur W :
Quand le nombre de cylindre devient important, une autre solution consiste à regrouper deux moteur VR décalés d’un angle défini.
Les configurations existantes sont les moteurs W12, et W16 comme celui installé dans la célèbre Bugatti Veyron
Moteur à plat (Boxer) :
Ces moteurs permettent d’abaisser le centre de gravité des voitures. Les pistons se déplaçant dans un même plan horizontal mais dans des directions opposées, les forces d’inertie du premier et du second ordre sont équilibrées.
Cette architecture est utilisée de nos jours par les marques : Porsche et Subaru
Moteur en H :
Un moteur avec cylindres en H est une architecture de moteur à combustion interne qui se présente comme deux moteurs à cylindres opposés à plat, enfermés l'un au-dessus de l'autre dans un seul carter. C'est un moteur plus compact qu'un moteur à disposition en V ou en W. Le nombre de cylindres peut être plus important, de 12 à 24 cylindres, favorisant l'augmentation de la puissance.
Ce type de moteur fut principalement utilisé en aviation, mais il n'est pas impossible qu'il fût employé dans des véhicules à destination militaire, et demandant de fortes puissances, tels des chars.
Moteur en étoile :
Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du vilebrequin et axe de sortie moteur.
Jusqu'à aujourd'hui l'architecture la plus courante sur les véhicules légers était le moteur 4 cylindres en ligne mais l'actuelle politique des constructeurs dans une politique dite du "Down sizing" tend a voir apparaitre de plus en plus de véhicules emmenés par un moteur à 3 cylindres
Les 2 architectures les plus utilisées pour les moteurs de Poids Lourds sont les 6 cylindres en ligne et les moteurs dits V8 ( 8 cylindres en V ).
Vidéo : Les moteurs 4, 6, 8, et 12 cylindres
2ème partie : Le moteur " 4 temps "
1 - Le moteur Diesel ?
Bien que l’invention de ce type de motorisation date de 1824, il faudra attendre près de 60 ans et de nombreux travaux de recherche pour que Rudolf Diesel crée le premier moteur diesel de l’histoire.
Déjà à l’époque, les spécificités des moteurs diesel avaient été mises en avant pour leur caractère particulièrement innovant. Par la suite, de nombreux projets ont été menés afin d’optimiser les performances de cette motorisation alternative. Aujourd’hui, les véhicules dotés d’un moteur diesel représentent encore une part importante du parc automobile français. A ce jour, les véhicules lourds de transport de marchandises sont en très grande majorité des véhicules à moteur Diesel.
Le fonctionnement des moteurs diesel
Le fonctionnement des moteurs diesel se décompose en 4 temps. Ce cycle de fonctionnement comprend 4 étapes très distinctes : l’admission, la compression, la combustion et l’échappement. C’est précisément lors de chacune de ces étapes que le vilebrequin relié au piston par une bielle joue un rôle déterminant, afin d’entraîner le mouvement du moteur.
Quels sont les avantages liés au diesel ?
Les spécificités des moteurs diesel offrent de nombreux avantages. En premier lieu, ils consomment beaucoup moins de carburant qu’un véhicule essence pour parcourir un même trajet. En second lieu, ils offrent de meilleures performances de conduite, notamment au niveau de la reprise. Ils éprouvent aussi moins de difficultés à démarrer grâce aux actions combinées des bougies de préchauffage et des injecteurs chauffants. Enfin, leur durée de vie est généralement deux fois plus importante que celle des moteurs à essence.
RAPPEL : comme tout moteur, le moteur Diesel transforme l’énergie calorifique en énergie mécanique :
Un mélange d’air et de carburant ( gasoil ) est brûlé à l’intérieur du (des) cylindre(s), c’est l’énergie calorifique ( « chaleur »).
Cette combustion/explosion contribue à son tour à la mise en mouvement des pièces mobiles du moteur, développant l’énergie mécanique (motrice).
2 - Les 4 temps du moteur Diesel :
Admission = remplissage en air du cylindre.
L’air est aspiré à l’intérieur du cylindre :
- La soupape d’admission est ouverte ( et la soupape d'échappement est fermée )
- Le piston descend à l’intérieur du cylindre, il aspire l’air en attente dans le collecteur d’admission
L'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'admission qui s'ouvre. Mais la soupape d'échappement est fermée.
Au même moment, le vilebrequin tire l'ensemble bielle/piston vers le bas du cylindre
Sous l'effet du mouvement du piston, et par l'ouverture de la soupape d'admission, de l'air est aspiré à l'intérieur du cylindre.
Lorsque le piston arrive à son point-mort bas, la chambre de combustion est remplie d'air. Le phénomène d'aspiration d'air venant de l'extérieur du véhicule fait que la température et la pression à l'intérieur du cylindre sont faibles.
Il n'y pas de création ou d'apport d'énergie mécanique sur le vilebrequin, au contraire, l' ensemble bielle/Piston a besoin de la "force" du vilebrequin pour descendre dans le cylindre et créer ce mouvement d'aspiration.
2.1 - Temps n°1 : Admission
2.2 - Temps n°2 : Compression
Compression = compression de l'air dans le cylindre.
L' air contenu ( et emprisonné ) à l'intérieur du cylindre est comprimé.
L’air a été aspiré à l’intérieur du cylindre :
- La soupape d’admission et la soupape d'échappement sont fermées : l'air est emprisonné à l'intérieur du cylindre dans la chambre de combustion.
- Le piston remonte à l’intérieur du cylindre, il comprime l’air contenu dans la chambre de combustion ( par réduction du volume disponible )
L'arbre à cames n'exerce aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement qui sont donc fermées.
Au même moment, le vilebrequin pousse l'ensemble bielle/piston vers le haut du cylindre.
Le volume de la chambre de combustion est fortement réduit.
Sous l'effet de la réduction du volume de la chambre de combustion, et grâce à une parfaite étanchéité, l'air contenu dans la chambre de combustion, se trouve comprimé dans la partie supérieure du cylindre.
Lorsque le piston arrive à son point-mort haut, la chambre de combustion est remplie d'air sous très haute pression : la pression obtenue peut s'élever de 50 à 60 bars.
L'air, enfermé dans le cylindre va être comprimé ( mis sous très haute pression ) et chauffé( par réaction physico-chimique qui résulte de la compression )
Ainsi « comprimé », la température de l'air peut approcher de 600 à 700° C
2.3 - Injection du carburant
L'injection du carburant n'est pas à proprement parler un temps moteur. C'est l'étape du cycle du moteur, se déroule en toute fin de compression et provoque le 3eme temps moteur : la détente.
Injection du carburant :
L'arbre à cames n'exerçant toujours aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement, celles-ci restent fermées.
Au moment où le piston parvient à son point mort haut, du gazole est injecté dans la chambre de combustion.
Pour que la gasoil soit pulvérisé à l'intérieur du cylindre, il lui faut avoir une pression plus forte que celle exercée par l'air à l'intérieur du cylindre.
C'est le rôle du dispositif d'injection qui pousse le carburant dans le cylindre sous une pression qui peut s'élever aux alentours de 2000 bars.
De plus, l'injecteur pulvérise le gasoil sous la forme d'un brouillard de micro-goutellettes.
Sur certains moteur à injection, c'est l'arbre à cames qui commande l'ouverture de l'injecteur. Sur les moteurs les plus récents ce sont des commandes électroniques.
2.4 - Temps n°3 : Combustion / Détente
Combustion du carburant :
L'arbre à cames n'exerçant toujours aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement, celles-ci sont maintenues fermées.
Au moment où le piston parvenait à son point mort haut, du gazole a été injecté dans la chambre de combustion.
Ce gasoil pulvérisé en un brouillard de micro-goutellettes et sous ultra haute pression par le dispositif d'injection, s’enflamme spontanément sous l'effet de la pression et de la température à l'intérieur de la chambre de combustion.
Si le gasoil n'est pas un carburant aussi inflammable que l'essence, il a la particularité d'un pouvoir d'auto-inflammation à partir de 220°. Autrement dit, le gasoil s’enflamme tout seul, sans avoir besoin d'une étincelle ou d'un autre moyen de
" déclenchement ".
Le brouillard de gasoil injecté s'enflamme immédiatement et brule très rapidement : on parle de combustion spontanée.
Sous les effets conjugués d'une forte pression de l'air à la fin de la compression, de l'ultra haute pression du gasoil à l'injection, et de la combustion spontanée et brutale du gasoil qui vient d'être injecté, une poussée énorme à la surface du piston va le repousser vers son point mort bas : c'est la détente.
La détente :
Le piston est chassé très violemment vers son point mort bas pendant toute la durée de la combustion du gasoil.
Les spécialistes ont parfois tendance à s'opposer à cette idée et pourtant, le piston est repoussé par un évènement tout à fait comparable à une explosion !
La pression qui s'exerce sur le piston approche les 150 bars et la température monte entre 1800 et 2000° C.
L'ensemble piston-bielle va être alors repoussé violemment, c'est lui qui entraine le mouvement du vilebrequin c'est à cette étape que le moteur produit de l’énergie.
En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme de gazole nécessite 14,4 gr d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections perfectionnées, les micro-gouttelettes de carburant ne peuvent être pulvérisées suffisamment finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre englobe plus de 70000 milliards de molécules !
On est donc contraint d'adopter une combustion sous un important excès d'air par rapport à la valeur théorique de 14.4 / 1, ceci afin d'obtenir une consommation, des contraintes thermiques et des émissions de fumée à l'échappement acceptables.
2.5 - Temps n°4 : Échappement
Évacuation des gaz brûles vers le dispositif d'échappement :
L'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'échappement. Celle-ci s'ouvre et libère la pression contenue à l'intérieure du cylindre.
Au moment où le piston parvient à son point mort bas, l'ensemble piston-bielle est entrainé par le vilebrequin à remonter vers le point mort haut.
Les gaz brûlés issus du la combustion du mélange air-gasoil sont poussés à l'extérieur du cylindre vers le dispositif dit d'échappement.
Les gaz issus de la combustion du gasoil sont évacués vers le pot d’échappement à une température de 450 à 600°C.
2.6 - Reprise du cycle
Reprise du cycle :
A la fin du 4ème temps, lorsque l'ensemble piston/bielle arrive au point mort haut, l'arbre à cames relâche son action sur la soupape d'échappement qui se referme aussitôt.
Immédiatement, l'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'admission qui s'ouvre.
De l'air peut entrer dans le cylindre. L' ensemble piston/bielle est alors tiré vers le bas du cylindre par le vilebrequin. Dans son mouvement descendant, l'ensemble piston-bielle crée un aspiration : le cylindre se remplit à nouveau d'air : c'est une nouvelle étape d'admission qui commence...
Le tableau de bord de cette voiture indique qu'elle circule à une vitesse de 90 km/h. Le compte-tours indique une vitesse de rotation du vilebrequin d'environ 2 x 1000 tr/mn = 2000 tours ( rotations ) en 1 minute.
Nous venons de voir que le vilebrequin effectue 2 rotations pour réaliser un cycle moteur à 4 temps :
- 1er tour de vilebrequin = admission et compression
- 2ème tour de vilebrequin = détente et échappement
Donc à 90 km/h, le moteur de cette voiture produit environ 1000 cycles moteur à 4 temps par minute soit entre 33 et 34 cycles à la seconde !
Lorsque le moteur d'une voiture tourne au " ralenti ", le compte-tours indique déjà une vitesse de rotation proche de 1000 tr/mn soit 1000 rotations du vilebrequin toutes les 60 secondes. Au " ralenti moteur", on compte déjà près de 500 cycles 4 temps par 1 minute ( une "explosion" du mélange air/carburant toutes les 0.12 secondes ).
L'ensemble des composants du moteur sont des pièces très sollicitées et, impérativement, une parfaite coordination des mouvements de l'ensemble de ces composants est nécessaire ( exemple : la distribution est en charge de l'ouverture des soupapes en coordination avec le mouvement du vilebrequin et donc de l'ensemble bielle /piston ... )
Vidéo : Les 4 temps d'un moteur Diesel
3 - Comparaison du fonctionnement
moteur Diesel / moteur essence :
L’une des principales différences entre l’essence et le diesel réside dans leur composition. Si ces deux carburants sont tous deux d’origine fossile, leur composition chimique les distingue toutefois l’un de l’autre :
• L’essence se compose d’un mélange d’hydrocarbures légers constitués entre 5 et 11 atomes de carbone ;
• Le diesel se constitue d’hydrocarbures plus lourds constitués entre 12 et 25 atomes de carbone.
Un type de moteur pour un type de carburant
L’essence et le diesel se différencient également lors de l’étape de combustion du mélange air/carburant du cycle moteur, mais aussi sur leur façon de brûler et donc, de produire de l’énergie. Ainsi, chaque carburant ne peut être utilisé que dans un type de moteur en particulier :
• L’essence : le mélange air/carburant est enflammé par bougie d’allumage ;
• Le diesel est à utiliser dans les moteurs où la compression de l’air est très élevée. Le taux de compression génère alors de hautes températures, ce qui suffit à l’auto-allumage du carburant. Il n’y a donc pas de bougie d’allumage dans un moteur diesel.
Dans les deux cas, les gaz brûlés sont chassés vers la soupape d’échappement par la remontée des pistons du moteur.
Essence et diesel : des performances en fonction de l’usage
Le rendement d’un moteur Diesel est meilleur que celui du moteur essence. Au niveau de la consommation de carburant, le diesel est donc généralement plus économe. Par ailleurs, le moteur essence est recommandé pour tous ceux qui roulent peu et de préférence en ville. Le moteur est plus adapté dans cet usage car il n’a pas besoin d’autant de temps que le moteur diesel pour monter en température.
Un impact environnemental différent
Qu’un véhicule roule à l’essence ou au diesel, il émet des polluants : les gaz carboniques (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les particules fines. Les constructeurs œuvrent pour réduire ces émissions en équipant les véhicules de systèmes de post traitement très efficaces (efficacité supérieure à 90%).
DIESEL
ESSENCE
Admission sur un moteur diesel =
remplissage du cylindre en air uniquement
ADMISSION
Admission sur un moteur essence =
remplissage du cylindre en air et en carburant.
L’air et l'essence sont admis au même moment.
Sur les anciennes voitures, le mélange air / essence était préparé à l'avance dans un carburateur.
Aujourd'hui l'essence est injecté pendant que l'air est aspiré dans le cylindre ( comme pour le moteur diesel )
DIESEL
ESSENCE
COMPRESSION
Compression sur un moteur diesel =
compression de l' air uniquement
Rapport de compression de 15/1 à 23/1
Pression : 30 à 40 bars
L’air s’échauffe jusqu’à environ 600°
Compression sur un moteur essence =
compression du mélange air / carburant.
Rapport de compression de 8/1 à 10/1
Pression : 10 à 20 bars
Le mélange gazeux s’échauffe jusqu’à environ 380°
DIESEL
ESSENCE
Fin de la compression sur un moteur diesel = Injection du carburant
Fin de la compression sur un moteur essence =
La bougie d'allumage produit une étincelle
DIESEL
ESSENCE
EXPLOSION / DÉTENTE
Temps " moteur " sur un moteur diesel =
Combustion spontanée du mélange air / gasoil et détente de l'ensemble piston / bielle
Température : 1800 à 2000°
Pression sur le piston : de 80 à + de120 bars
Temps "moteur" sur un moteur essence =
explosion du mélange air / essence sous l'effet de l'étincelle et détente de l'ensemble piston / bielle
Température : 2000 à 2500°
Pression sur le piston : de 30 à 60 bars
DIESEL
ESSENCE
ÉCHAPPEMENT
Échappement sur un moteur diesel =
évacuation des gaz brûlés vers le dispositif d'échappement
Échappement sur un moteur essence =
évacuation des gaz brûlés vers le dispositif d'échappement
4 - Notion d'ordre d'allumage :
Détermination d'un ordre d'allumage :
Sur les moteurs multi-cylindres ( 3, 4 ou 6 cylindres... ), pour que le vilebrequin reçoive en permanence de l’énergie mécanique, les cylindres vont fonctionner en décalage ( ex : ils ne font pas tous leur admission en même temps )
On ne va pas « mettre en route » les 4 ou 6 cylindres en même temps, Ils vont respecter un ordre d’allumage chronologique.
Ordre d’allumage chronologique d’un moteur 4 cylindres est « 1-3-4-2 »,
L’ ordre d’allumage sur les moteurs à 6 cylindres est 1-5-3-6-2-4.
Le principe de décaler l’ordre d’allumage des différents cylindres est commun à toutes les architectures de moteurs à plusieurs cylindres
L' ordre d’allumage chronologique d’un moteur 4 cylindres est « 1-3-4-2 » :
Lorsque le cylindre n°1 sera à son 4ème temps ( échappement ), le cylindre n°3, avec son léger décalage sera à son 3ème temps ( combustion/détente), le cylindre n°4, lui, ne sera à son 2ème temps (compression) quant au cylindre n°2, il ne sera qu’au commencement de son 1er temps ( admission )…
Vidéo : Le moteur 4 cylindres en ligne
Vidéo : Le moteur V6 3.2l AUDI
5 - Maintenance sur un moteur Diesel :
5.1 - La page du conducteur
Rôles du conducteur :
- Démarrage : ne pas emballer le moteur froid car il n’est pas encore correctement lubrifié,
- Utilisation : Il faut respecter les plages d’utilisation du compte tour (régimes moteur), ne jamais pénétrer dans la zone rouge et utiliser en général la plage verte,
- Arrêt : Laisser tourner quelques secondes le moteur sans accélérer avant de couper l’injection ( en particulier si le moteur est équipé d'un turbo )
5.2 - Maintenance qui incombe au conducteur
Tout conducteur doit être capable de réaliser des opérations de maintenance simples visant à contrôler et/ou entretenir les éléments de la chaine cinématique.
Pour un bon fonctionnement du moteur, le conducteur vérifie les niveaux d’huile et de liquide de refroidissement
Le conducteur contrôle aussi les niveaux qui s'associent au bon fonctionnement de la chaine cinématique : assistance de direction, assistance d'embrayage et liquide de frein...
Si besoin, mettre un complément avec une huile adaptée ( ex : huile 5W30 pour moteur diesel )
Vérification du niveau de liquide de refroidissement et si besoin, faire le complément, mais exclusivement avec un moteur « froid » !
Vérification de l’absence de fuites ( tâches ) sous le moteur.
Pendant la conduite, être vigilent aux indications du tableau de bord : aux voyants d’alerte, aux manomètres de pression d’huile et de température moteur…
Pendant la conduite, être vigilent aux fumées opaques ou colorées ainsi qu’aux bruits anormaux…
Présence d'huile Mauvaise combustion Présence d'eau
dans les cylindres ? du gasoil ? dans les cylindres ?
Avec l’aide du carnet d’entretien et de la notice du véhicule, le conducteur veille au respect de la périodicité des contrôles et entretiens.
