Que se passe-t-il en une seconde à l'intérieur d'un moteur à quatre temps ?
Partagez cette page
Dans un moteur à quatre temps, une seconde est une intense séquence mécanique où le piston effectue des dizaines d'allers-retours complets entre ses points morts haut et bas, où les soupapes s'ouvrent et se ferment avec un calage parfait, et où la combustion ne produit du travail qu'une seule fois tous les deux tours de vilebrequin. Admission, compression, puissance et échappement : chacun de ces quatre temps correspond à exactement 180 degrés du vilebrequin, et plus le moteur tourne à haut régime, plus un temps est comprimé dans une petite fraction de seconde.
Points clés
- Un cycle complet 720°, soit deux tours de vilebrequin ; chaque temps 180° dure.
- La puissance n'est produite que sur un seul des quatre temps : il y a un temps moteur tous les 2 tours .
- La bougie déclenche typiquement l'étincelle environ 20° de vilebrequin avant le point mort haut.
- Le moteur à combustion interne ne convertit en moyenne que 40 à 45 % de l'énergie fournie en travail mécanique.
- Dans les moteurs industriels, la vitesse moyenne du piston est limitée à environ 10 m/s .
Comment fonctionne un moteur à quatre temps : les quatre étapes à l'intérieur du cylindre
Tout commence par la définition d'un « temps » : un temps est un aller complet du piston le long du cylindre dans une direction donnée. Lorsque le piston est à sa position la plus haute, il est au point mort haut (PMH) ; à sa position la plus basse, au point mort bas (PMB). Le cycle à quatre temps s'étend sur quatre temps entre ces deux points, soit deux tours complets du vilebrequin. Le mouvement linéaire du piston fait tourner le vilebrequin via la bielle ; pour l'ensemble des quatre temps, le vilebrequin effectue 720 degrés.
Le rôle des soupapes dans ce cycle est crucial. Les soupapes d'admission et d'échappement sont commandées par un arbre à cames qui tourne deux fois moins vite que le vilebrequin. Ce rapport de demi-vitesse n'est pas un hasard mais une nécessité : les événements des soupapes devant être verrouillés sur l'angle de vilebrequin, l'arbre à cames suit chaque cycle à raison d'un demi-tour du vilebrequin.
1. Admission : aspirer l'air par dépression partielle
Lorsque le piston commence à descendre depuis le point mort haut, la soupape d'admission est ouverte. La descente du piston augmente le volume du cylindre et crée une dépression partielle, c'est-à-dire une pression négative. Cette différence de pression aspire le mélange air-carburant dans le cylindre. Le temps d'admission est la descente complète du piston du PMH au PMB et couvre les 180 premiers degrés du cycle.
2. Compression : concentrer l'énergie
Au point mort bas, la soupape d'admission se ferme et la compression commence. Les deux soupapes sont maintenant fermées ; le piston remonte et comprime le mélange air-carburant dans le faible volume de la chambre de combustion. La compression a deux fonctions : favoriser l'évaporation du carburant et libérer davantage d'énergie lors de l'allumage. L'énergie dépensée pour comprimer ne représente qu'environ un quart de l'énergie produite par la combustion ; l'investissement est donc rentable.
Mesurer le taux de compression est l'un des moyens les plus rapides de comprendre le caractère d'un moteur. Dans les moteurs à essence, la plage courante se situe entre 6:1 et 10:1 ; plus le taux augmente, plus le rendement s'améliore, mais le risque d'auto-allumage de l'essence, c'est-à-dire le cliquetis, augmente également. C'est pourquoi l'indice d'octane de l'essence mesure la résistance à l'auto-allumage : un octane plus élevé permet un taux de compression plus élevé.
3. Temps moteur : le seul moment producteur de travail du cycle
À la fin du temps de compression, environ 20 degrés de vilebrequin avant le point mort haut, la bougie génère une étincelle. Pourquoi pas exactement au sommet ? Parce que le front de flamme a besoin de temps pour progresser dans la chambre de combustion ; l'étincelle est produite à l'avance afin que le pic de pression se produise précisément lorsque le piston est au sommet, fournissant ainsi la poussée. Le mélange en combustion pousse le piston vers le PMB, produisant le travail mécanique qui fait tourner le vilebrequin. Sur l'ensemble du cycle, seul ce moment produit du travail ; quel que soit le nombre de cylindres, chaque moteur à quatre temps reçoit un temps moteur tous les 720 degrés. Le secret du bon fonctionnement des moteurs multicylindres réside dans la fusion de ces temps moteurs sur l'arbre à cames du vilebrequin.
4. Échappement : vider la chambre de combustion
Lorsque le piston atteint le point mort bas, la soupape d'échappement s'ouvre et, au cours des 180 derniers degrés du cycle, le piston remonte en expulsant les gaz brûlés par le port d'échappement. Au point mort haut, le cylindre est purgé, la soupape d'admission est prête à s'ouvrir à nouveau et le cycle recommence. Chaque remplissage du cylindre signifie le rétablissement du cycle de deux tours.
Plus le régime augmente, plus un temps dure combien de temps ?
La réponse s'obtient par simple arithmétique. Comme un cycle de fonctionnement dure deux tours de vilebrequin, le régime moteur détermine directement la durée d'un temps. À titre d'exemple, à 1 000 tr/min, le moteur effectue environ 16,7 tours par seconde ; un cycle complet dure environ 60 millisecondes, soit 15 millisecondes par temps. À 6 000 tr/min, il y a 100 tours par seconde et chaque temps, y compris le temps moteur, descend à environ 2,5 millisecondes. La combustion, le mouvement des soupapes et l'écoulement des gaz doivent tous s'organiser à ces échelles.
C'est aussi la physique qui fixe le plafond de régime. La vitesse moyenne du piston est fonction de la course et du régime ; dans les moteurs industriels, cette vitesse est limitée à environ 10 m/s pour ne pas compromettre la lubrification des parois du cylindre. À haut régime, deux problèmes typiques apparaissent : si les ressorts de soupapes ne suivent pas, il se produit un « flottement de soupape » et le contact piston-soupape peut gravement endommager le moteur. De plus, le battement des segments peut entraîner une perte de pression dans le cylindre et de puissance. En résumé, la limite de la fraction de seconde dans laquelle un temps peut se compresser est tracée par la résistance des matériaux et la lubrification.
Essence ou diesel : même cycle, allumage différent
Les étapes du cycle à quatre temps sont identiques dans les deux moteurs ; la différence réside dans la méthode d'allumage qui lance le temps moteur. Le moteur à essence est à allumage commandé : la bougie enflamme le mélange comprimé. Le diesel est à allumage par compression ; la chaleur élevée résultant de la compression enflamme spontanément le gazole, capable de s'enflammer sous les pressions régnant dans le moteur, et la bougie n'est pas nécessaire. La tendance à l'inflammation du diesel est définie par l'indice de cétane ; cela fonctionne selon une logique exactement inverse de l'indice d'octane de l'essence. En raison de la faible volatilité du diesel, la méthode la plus courante de démarrage à froid est l'utilisation de bougies de préchauffage.
| Caractéristique | Moteur à essence | Moteur diesel |
|---|---|---|
| Allumage | Allumage commandé (bougies) | Allumage par compression (chaleur de compression) |
| Cycle | Cycle Otto | Cycle Diesel |
| Mesure de résistance au carburant | Indice d'octane | Indice de cétane |
| Taux de compression | Typiquement 6:1 - 10:1 | La chaleur de compression est élevée et propice à l'allumage |
| Caractéristique de régime | Fonctionne à un régime plus élevé | Fonctionne à un régime plus bas ; le carburant brûle plus lentement |
La combustion plus lente du gazole par rapport à l'essence explique pourquoi les moteurs diesel fonctionnent à un régime plus bas ; le régime réduit réduit l'usure du moteur. C'est pourquoi la différence de caractère entre les deux moteurs découle non pas du cycle lui-même, mais de la vitesse de combustion du carburant.
Comment les technologies modernes améliorent-elles ces 720 degrés ?
Le cycle de base n'a pas changé depuis 1876 ; ce qui a changé, c'est l'efficacité avec laquelle chaque segment de 180 degrés est utilisé. Trois contributions modernes se distinguent.
Calage variable des soupapes (VVT)
Un arbre à cames fixe optimise les événements des soupapes sur une seule plage de régime. Le calage variable des soupapes, en ajustant en temps réel le moment de l'ouverture des soupapes en fonction du régime moteur, assure une distribution de puissance optimale et une accélération plus fluide. Une meilleure gestion du mélange air-carburant améliore le rendement de combustion ; dans des conditions de charge partielle, une amélioration jusqu'à 5 % de l'économie de carburant a été mesurée.
Injection directe (GDI)
Dans l'injection directe utilisée dans de nombreux moteurs à essence quatre temps actuels, la buse d'injecteur s'étend dans la chambre de combustion et l'essence est pulvérisée dans le cylindre à très haute pression, pendant la phase de compression lorsque le piston est au point mort haut. Ainsi, le carburant est délivré non plus pendant la phase d'admission, mais au segment le plus critique du cycle, avec une précision au millimètre.
Turbocompression : soutirer de la puissance à la phase d'échappement
Le turbocompresseur est un groupe turbine à deux parties, à haut régime, situé à la sortie des gaz d'échappement : un côté est alimenté par le débit des gaz d'échappement, l'autre comprime l'air d'admission. La phase d'échappement transporte une énergie souvent gaspillée ; le turbo, fonctionnant grâce à cette pression, travaille plus efficacement et, en forçant plus d'air dans le cylindre, permet de tirer plus de puissance de chaque phase motrice. Dans une étude sur la turbocompression variable, la puissance de sortie a été améliorée de 165 % par rapport à un moteur atmosphérique. La limite connue de ce concept est le temps de réponse du turbo : la puissance n'arrive pas instantanément, une montée en régime et en pression est nécessaire ; au ralenti et à basse-moyenne vitesse, le moteur fonctionne presque comme un atmosphérique.
Le plafond du rendement et un peu d'histoire
Un moteur à combustion interne ne peut convertir en travail mécanique qu'en moyenne 40 à 45 % de l'énergie fournie ; les moteurs à cycle Otto les plus performants fonctionnent avec un rendement thermique d'environ 30 % et la chaleur restante est perdue par frottement et dans les accessoires. De plus, les moteurs peuvent être volontairement construits un peu moins performants pour les contrôles d'émissions comme le catalyseur. Le cycle Atkinson, quant à lui, offre le rendement au prix de la densité de puissance et est utilisé dans les applications hybrides modernes ; de nombreux moteurs modernes réalisent cette économie grâce à un calage de soupapes non conventionnel produisant un effet de compression courte et de phase motrice longue.
L'histoire est elle aussi instructive : en 1861, Otto, en testant le moteur de Lenoir, remarqua l'effet de la compression sur le rendement ; en 1876, Otto et Langen créèrent le premier moteur à combustion interne réussi, comprimant le mélange de carburant avant la combustion. En 1883, Daimler et Maybach réalisèrent le premier moteur Otto à grande vitesse, et en 1885, Daimler produisit le Reitwagen, le premier véhicule au monde équipé d'un moteur à combustion interne ; en 1886, Karl Benz développa son véhicule à moteur quatre temps, considéré comme la première automobile. Le moteur diesel est un raffinement technique du cycle Otto de 1876 : Rudolf Diesel créa son moteur réussi en 1893. Aujourd'hui, le design quatre temps est l'architecture de moteur à combustion interne la plus répandue des véhicules routiers, dans une gamme allant des voitures aux camions, des trains diesel aux avions légers et aux motos.
Conclusion : Quatre temps sur 180 degrés
Toute la physique du moteur quatre temps peut être ramenée à quatre phases réparties sur une rotation de 720 degrés du vilebrequin : remplissage par dépression, compression en volume fermé, combustion produisant le travail en une seule fois et échappement. Les technologies telles que la distribution des soupapes, l'injection et le turbo servent toutes le même objectif : extraire davantage de rendement de chaque milliseconde de ces phases. Une fois cette base clarifiée, le reste de la technologie des moteurs, du taux de compression au retard de turbo, devient beaucoup plus lisible.