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Le moteur à explosion

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by

Khazari Yousra

on 15 January 2014

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Transcript of Le moteur à explosion

Le moteur à explosion
Sommaire:
I. Introduction
II. Les principaux éléments du moteur
III. Historique du moteur à explosion
IV. Principe du moteur à explosion
V.Le moteur quatre temps et le moteur deux temps
VI. Avantages et inconvénients …
VII. Le moteur deux temps
VII. Le moteur quatre temps
IX. Expérience
X. Un article de journal: la genèse du moteur à explosion

Introduction:
Après l’époque de la propulsion à la vapeur, le moteur à explosion et le pétrole finirent par s'imposer.  C’est en 1859 que l'ingénieur belge Étienne Lenoir a déposé le brevet d'un "moteur à gaz et à air dilaté" (moteur à combustion interne à deux temps).  En 1860, il invente le moteur à explosion, initialement alimenté au gaz d'éclairage. Lenoir a ensuite mis au point un carburateur permettant de remplacer le gaz par du pétrole.  Il faut néanmoins attendre la décennie suivante pour que les premiers véritables moteurs à quatre temps soient mis au point par deux ingénieurs allemands : Gottlieb Daimler (1872) et Carl Benz (1882).  En 1889, René Panhard et Émile Levassor installent le moteur à quatre temps de Daimler sur une voiture à quatre places. En janvier 1891, Panhard et Levassor commercialisent la première voiture à moteur à explosion (un modèle équipé du moteur Benz).  En 1891, Michelin dépose le brevet du pneu démontable. En 1897, l’ingénieur allemand Rudolf Diesel met au point le type de moteur qui porte son nom.
Comment fonctionne un moteur ?
Tout moteur à combustion interne (ou, pour simplifier, à explosion) brûle du carburant et profite de l’énergie ainsi produite. Pour ce faire, le moteur doit être équipé d’un système capable d’acheminer ce carburant, d’enflammer celui-ci et d’expulser les gaz résultant de sa combustion. Ce système doit être automatique, de façon à ce que le moteur puisse “s’auto-alimenter” en cours de fonctionnement. Dans les moteurs à deux temps, cette fonction qui s’apparente en quelque sorte à une “pompe” à carburant est assurée, conjointement avec les autres parties mobiles, par le carter du moteur.
Les principaux éléments du moteur
Le moteur à deux temps et à quatre temps
Les moteurs à explosion sont des moteurs à combustion interne : l’énergie thermique libérée par la combustion du carburant est transformée en énergie mécanique. Le carburant liquide est mélangé, dans un carburateur ou à l’aide d’une pompe à injection, à l’air nécessaire à sa combustion, puis ce mélange combustible est comprimé dans le cylindre, et finalement enflammé par l’étincelle électrique d’une bougie d’allumage. Le piston est repoussé dans le cylindre par la pression des gaz provenant de la combustion. Le vilebrequin tourne sous l’action de la bielle reliée au piston. Puis les gaz brûlés sont évacués pour laisser place à un nouveau mélange frais de carburant et d’air. Un nouveau cycle recommence. Il y a deux grandes familles de moteurs à explosion : les moteurs à deux temps et les moteurs à quatre temps. Pour réaliser un cycle de fonctionnement complet, le moteur à quatre temps a besoin de quatre courses de piston (deux allées et deux retours et donc deux tours de vilebrequin) contrairement aux moteurs à deux temps qui n’a besoin que de deux courses (une seule allée et un seul retour).


Yousra Khazari, Aya Elhaouitti, Khamlichi Mouhcine et Medhi Drouin.
Classe de 6ème 2

soupapes
Arbre à came:
bougie:
bielle et piston:
kit de distribution (courroie)
vilebrequin:

FONCTION PRINCIPALE : Transformer, par combustion, l’énergie contenue dans le combustible en énergie mécanique.

Avantages et inconvénients
Avantages
- Utilisation d'un mélange huile - essence permettant une bonne lubrification
- Moteur pouvant atteindre de grandes vitesses de rotation, plus nerveux que le moteur 4
temps, utilisé sur les petites cylindrées, les cyclomoteurs, mais également sur des machines
sportives ou de compétition
- Simplicité de construction
- Moins de réglages
- Plus léger qu'un moteur à 4 temps (pas d'arbre à came ni soupapes)
- Moins onéreux
Inconvénients
- Perte de gaz frais, les lumières d'admission et d'échappement restant ouvertes presque en
même temps
- Perte de compression en début de remontée du piston vers le PMH.
- Moins souple à l'accélération que le moteur à 4 temps et consomme davantage
- Rendement inférieur à bas régime en particulier
- Plus polluant que le moteur à 4 temps

Le moteur deux temps
Le moteur quatre temps
Avantages:
- Plus grande longévité que le moteur 2 temps
- Consommation inférieure au moteur 2 temps
- Davantage de puissance à bas régime
- Plus de souplesse dans la conduite
Inconvénients:
- Construction plus complexe
- Davantage d'entretien et de réglages
- Vidange du carter d'huile à effectuer périodiquement
- Plus lourd et plus volumineux
- Moins nerveux

Afin d'exposer l'histoire du moteur à explosion, nous commencerons par présenter ses différents inventeurs, puis nous nous pencherons sur les évolutions et les changements qu'il a subis.
Le moteur à explosion, plus exactement appelé moteur à combustion interne, se base sur le fait qu'une combustion rapide d'un mélange d'air et de carburant permet de dilater les gaz et donc d'entraîner un piston dans un cylindre. C'est ce procédé mécanique qui a été introduit par Denis Papin, inventeur français, en 1690, puis James Watt, qui ont tous deux effectué des travaux sur la machine à vapeur.
Mais comment expliquer que le moteur à explosion a su percer au moment où la machine à vapeur régnait en maître ?

Le moteur à combustion interne a un rendement plus élevé que la machine à vapeur. En effet, la combustion ne se fait plus à l'extérieur du moteur (dans une chaudière comme pour la machine à vapeur, par exemple), mais à l'intérieur, ce qui évite les déperditions de chaleur et améliore donc considérablement son efficacité.
C’est en 1807 que le premier moteur à combustion interne vit le jour. Il fut inventé par le Suisse François Isaac de Rivaz.
En 1859, le premier moteur à explosion deux-temps, a été inventé par le belge Etienne Lenoir, un ingénieur qui utilisa pour carburant le gaz de houille. Ce moteur deux-temps est le premier d’une longue série de blocs imaginés par cet inventeur dit surdoué.
Deux ans plus tard, Otto et Langen, deux ingénieurs allemands, pensèrent à améliorer les performances du moteur développé par Lenoir, et leur entreprise donna naissance en 1876 à un moteur à combustion quatre temps.
De nouvelles architectures de moteurs de voitures virent le jour par la suite. Les blocs à huit cylindres devinrent très prisés par les constructeurs, car ils offraient plus de puissance et de robustesse. Adler fut le premier à opter pour ce bloc, en engageant en 1903 une voiture équipée d’un huit cylindres en V dans la course Paris-Madrid.
A la fin du 19ème siècle tous les grands noms de l’automobile apparaissent et ils sont pour la plupart français : Peugeot, Citroën, Renault, Panhard, Bugatti, Delage...
Moteur à quatre ou six cylindres.
2) Évolution du moteur à explosion.
En 1898, les moteurs à quatre (voire six) cylindres gagnent les grosses voitures et, progressivement, se généralisent à l'ensemble de la gamme, devenant, en quelque sorte, l'archétype mondial pour les voitures courantes de moyenne et basse gamme.
Le 4 ou 6 cylindres en V
Le V4 séduit Peugeot pour les modèles courants d'avant 1914. Beaucoup plus tard, à partir de 1962, Ford en fera une large utilisation. Aujourd'hui, ils motorisent surtout des motos de grosse cylindrée. Le V6 équipe par exemple les berlines moyennes et les véhicules sportifs légers.
Le 4 ou 6 cylindres en ligne
est probablement le type de moteur le plus courant, particulièrement sur le marché européen. En effet, il offre un compromis satisfaisant entre fiabilité, puissance, coût, et une consommation raisonnable.
Le 4 ou 6 cylindres à plat
Également nommé "flat 4 (ou 6)", les cylindres sont disposés en V ouvert à 180°. Cette option a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe actuellement les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallyes WRC.
Les moteurs à huit cylindres et plus.
Une nouvelle étape est franchie quand on passe au « huit cylindres ». Adler (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V.
Les moteurs d'avion des années 1930 et 1940 répondent à la demande sans cesse croissante de puissance. Les moteurs courants sont des V12 ou des moteurs en étoile de une à quatre rangées de 7 à 9 cylindres, soit 28 cylindres à la fin de la guerre pour le Pratt & Whitney R-4360 développant 3 500 ch ou 18 pour le Wright R-3350 , qui est aussi puissant, équipant le bombardier B29 puis la première génération d'avions de ligne transatlantiques, bientôt remplacés par des réacteurs.
Les américains, amateurs de grandes automobiles et sans souci du prix de l'essence, démocratisèrent les gros V8 au couple très élevé et aux vitesses de rotation assez lentes.
Les constructeurs des monoplaces de Formule 1 utilisèrent pendant longtemps des V8 de 3 litres de cylindrée. Dans les années 1990, c'est la structure V10 qui aura la faveur des motoristes de F1. Même l'écurie Ferrari, très attachée aux 12 cylindres en V, se pliera aux lois de cette formule. Depuis l'année 2006 les instances sportives (FIA) ont imposé un retour au V8 avec des contraintes de fiabilité plus importantes que par le passé.
Les structures en V de 10 ou 12 cylindres et W16 sont réservées aux véhicules à forte tendance sportive.
Le moteur à combustion interne naquit à la fin de la première révolution industrielle. N'étant alors qu'un concept, encore peu fiable et ne développant qu'une puissance négligeable, il fallut attendre l'aube du XXe siècle pour que ses capacités soient satisfaisantes et qu'il s'intègre aux moyens de transport modernes. Aujourd'hui encore, il subit des améliorations (suralimentation, injection électronique...) visant à augmenter sa puissance tout en réduisant son impact sur l'environnement.
Intéressons-nous désormais au fonctionnement d'un tel mécanisme. En effet, bien que nous nous soyons accoutumés à l'utilisation pratique des véhicules actuels, qui paraissent ancrés dans la vie quotidienne contemporaine, il n'en demeure pas moins que le principe du moteur est complexe. Que se passe-t-il précisément au coeur même du moteur ? C'est ce que nous détaillerons dans cette partie.
Le fonctionnement du moteur à explosion repose sur la combustion interne rapide d'un mélange détonnant d'air (comburant) et de carburant. Le moteur a pour but de transformer l'énergie potentielle dégagée par la combustion en énergie mécanique qui sera à l'origine du mouvement de rotation.
Le Fonctionnement.
La réaction s'opère dans les cylindres : le moteur en comporte un ou plusieurs. Dans ceux-ci, un piston coulisse de haut en bas selon un mouvement rectiligne. Le piston est relié au vilebrequin par une bielle. Celle-ci entraîne le vilebrequin dans un mouvement rotatif qui sera transmis aux roues par un système d'engrenages.
schéma d'un cylindre
On distingue deux types de moteurs : le moteur à deux temps (monté sur certains engins comme les tondeuses, ou certains cyclomoteurs) et le moteur à quatre temps, ce dernier étant de loin le plus sollicité. Les temps correspondent en fait aux différentes étapes d'un cycle. Dans le cas d'un moteur à quatre temps, le cycle se décompose en quatre étapes :
Premier temps : Admission
Le piston se trouve au Point Mort Haut. Il descend, le vilebrequin fait 180°. De l'air provenant de l'extérieur passe dans un circuit qui le mène à l'entrée du cylindre, au niveau de la soupape d'admission. Dans le même temps, le carburant est mis sous pression dans les injecteurs et est introduit dans le circuit d'air sous forme vaporisée. La soupape d'admission s'ouvre, laissant alors pénétrer le mélange dans le cylindre.
Deuxième temps : Compression
Le vilebrequin fait de nouveau 180° mais cette fois, le piston remonte. Toutes les soupapes sont fermées, le volume du cylindre diminue et le mélange est compressé en haut du cylindre.
Troisième temps : Combustion et Détente
Lorsque le mélange est compressé dans la partie supérieure du cylindre, une bougie d'allumage électrique émet une étincelle qui déclenche la combustion. Celle-ci augmente brusquement la température, ce qui engendre la détente des gaz, et donc la descente du piston : celui-ci redescend brusquement jusqu'au Point Mort Bas, et le vilebrequin effectue 180 autres degrés. Il s'agit là du « temps moteur », celui durant lequel le mouvement de rotation du vilebrequin est entretenu.
Remarque : La combustion est amorcée par une bougie d'allumage électrique dans le cas d'un moteur essence seulement. En effet, la combustion du gasoil est déclenchée par la haute température et la pression élevée au sein du cylindre : il s'agit d'une auto-inflammation.
Quatrième temps : Échappement
L'objectif est d'évacuer les gaz brûlés hors du cylindre. Par conséquent, la soupape d'échappement s'ouvre, le piston remonte au PMH et les gaz sont évacués par le circuit d'échappement. Cette étape est la dernière du cycle.
Moteur en marche :
La combustion
La combustion est une réaction chimique au cours de laquelle un combustible* est oxydé par un comburant*, ce qui entraîne un dégagement de chaleur : on parle de réaction exothermique. Le moteur a pour but de transformer l'énergie chimique de cette réaction en énergie mécanique qui entraînera les roues par le biais d’un système de transmission. En clair, la combustion rapide du mélange engendre la détente des gaz, donc une augmentation de la pression dans le cylindre. Cela se traduit par la percussion à grande vitesse des molécules contre les parois du cylindre ainsi que sur le piston, ce qui permet le déplacement de celui-ci. De plus, la haute température ainsi que le faible volume interne (le piston se trouve alors au Point Mort Haut) accroissent d'autant plus la pression, et donc la force de déplacement du piston.
•Combustible : Substance capable de brûler en présence d'un autre
réactif (comburant) pour fournir de l'énergie.
•Comburant : Corps chimique qui a pour propriété de permettre la
combustion d'un combustible.
La suralimentation
Le rendement
La suralimentation permet d'augmenter la pression dans le cylindre en augmentant la quantité de mélange admis lors de chaque cycle.
Comment fonctionne-t-elle ?
Le procédé le plus courant est celui du turbocompresseur. Il s'agit d'une turbine couplée au circuit d'échappement et d'un compresseur couplé au circuit d'admission. Le turbo est composée d'un rotor et de deux hélices (une dans chaque circuit). Les gaz d'échappement entraînent la rotation de l'hélice de la turbine, le rotor se meut et l'hélice du compresseur se met alors à tourner à son tour. Elle augmente le débit d'air dans le circuit d'admission, augmentant ainsi la quantité de mélange dans le cylindre et donc la puissance du moteur lors des phases d'accélération.
Remarque : il existe un autre moyen de suralimentation : le compresseur. Celui-ci n'est non pas entraîné par les gaz d'échappement, mais directement par le moteur (le plus souvent par le biais d'un courroie). Contrairement au turbo, le compresseur a un effet permanent, mais nécessite plus d'énergie et engendre donc une consommation bien supérieure.
Quelques inventions améliorant le rendement...
Le rendement est une grandeur sans unité, comprise entre 0 et 1, et caractérisant l'efficacité du moteur. Il correspond au résultat du quotient de l'énergie utile au déplacement sur l'énergie consommée. Ainsi, plus un moteur est efficace, plus son rendement tend vers 1.
Un moteur thermique a un rendement de l'ordre de 25 à 30% - ce qui est relativement faible comparativement aux moteurs électriques qui affichent un excellent rendement d'environ 85%. En réalité, selon des calculs plus précis, son rendement s'avère être aux alentours de 20% seulement.
L'injection électronique
Elle équipe la quasi-totalité des véhicules commercialisés actuellement. Un calculateur électronique gère entièrement l'admission, permettant ainsi un dosage précis de la part de carburant par volume d'air. Le mélange théoriquement idéal est de 14,7 parts d'air pour 1 part de carburant (on parle de mélange stoechiométrique), mais la combustion idéale est en réalité réalisée pour 18 parts d'air. Ainsi, la combustion est optimisée et le rendement amélioré.
Ce type de moteur repose donc sur un cycle généralement composé de quatre temps : admission, compression, combustion et détente, échappement. Il utilise l'énergie dégagée par la combustion rapide d'un mélange d'air et de carburant pour créer le mouvement de rotation. En effet, la combustion interne entraîne la détente des gaz dans le cyclindre, donc l'augmentation de la pression au sein de celui-ci. Cette pression s'exerce notamment sur le piston qui se déplace ainsi de haut en bas, et le vilebrequin effectue des tours sur lui-même.
Depuis quelques années, d'autres moteurs ont été innovés afin de valider plusieurs critères que le moteur à explosion ne parvenait pas à remplir : coût, impact environnemental, ou autres nuisances sonores. Nous allons donc présenter les atouts par rapport au moteur à explosion de deux nouveaux moteurs, qui pourraient supplanter le moteur à explosion.
3) Les concurrents.
Le moteur électrique :
Avantages
Faible coût de rechargement (6 euros environ)
Carburant propre
(très peu polluant)
Entretien minimum
Rendement excellent
Inconvéniants
Prix de la batterie
(10 000 environ)
Autonomie bien trop faible (200 kilomètres environ)
Tant que l'autonomie ne sera pas supérieure à ce qu'elle est actuellement, et que le prix des batteries ne diminuera pas, le moteur électrique ne se démocratisera pas.
La pile à combustible :
Silencieux
Fabrication compliquée
Avantages
Peu d'entretien
Pas polluant
(rejette de l'eau)
Très bon rendement
Durée de vie plutôt faible
Coût élevé
Inconvénients
Conclusion :
Si le moteur à combustion interne est parvenu à s'imposer à l'aube du XXe siècle, c'est avant tout grâce à son rendement largement supérieur à celui du moteur à vapeur. De plus, son faible gabarit a permis d'en équiper de petits véhicules (automobiles, motocyclettes...) qui se sont très vite popularisés au sein de la population, notamment après la Seconde Guerre Mondiale, lors des Trente Glorieuses. Il faut aussi prendre en compte le fait que les répercutions sur l'environnement n'était pas encore réellement connues. D'autre part, le pétrole était alors une ressource présente en quantité énorme sur le globe, ce qui n'est plus le cas. Ces deux derniers points contraignent l'Homme à adopter de nouveaux moyens de transports plus respectueux de l'environnement, et ne nécessitant plus l'utilisation de produits dérivés du pétrole. Mais quel est le moteur qui saura remplir ces critères ? Il s'agit aujourd'hui d'un enjeu capital pour l'humanité, car le monde multipolaire dans lequel on vit ne saurait se dispenser de moyens de transport, aussi bien de courte que de longue distance.
Sources:
www.bepecaser.org
www.vikidia.com
www.youtube.com
www.wikipedia.com
5.39.95.232 (ENT)
Centraliens 561 Avril 2005 (magasines)
www.glogster.com
www.wikimedia.org
www.probertencyclopaedia.com
www.nndb.com
www.ac-nancy-metz.fr
www.futura-sciences.com
www.jexpoz.com
www.monquotidien.fr











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