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Une poussée qui devient rotation
Vous avez sous les yeux un cylindre de moteur de voiture, vu en coupe. Un piston monte et descend dans un tube. Au-dessus se trouvent deux soupapes et, selon le carburant, une bougie d’allumage ou un injecteur. En dessous, une bielle relie le piston au vilebrequin, l’arbre qui finit par faire tourner les roues.
Toute l’idée tient en une phrase : brûler du carburant dans un espace clos, laisser le gaz chaud pousser le piston vers le bas, et transformer cette poussée en rotation. Tout le reste du moteur n’existe que pour répéter cela proprement, encore et encore.
Tout cela se répète selon un cycle de quatre étapes, appelées temps. Le cadran, dans le coin, indique où en est le moteur dans ce cycle. Le modèle tourne très lentement : au ralenti, un vrai moteur de voiture tourne à environ 800 tours par minute, et il peut aller huit fois plus vite.
Faites glisser le modèle pour en faire le tour, et faites défiler par-dessus pour zoomer. Au fil de votre lecture, la vue suit le texte.
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Quatre temps
Un temps, c’est un trajet du piston du haut du cylindre jusqu’en bas, ou l’inverse. Le haut s’appelle le point mort haut (PMH) et le bas le point mort bas (PMB). « Mort », parce que le piston s’y arrête un instant avant de repartir dans l’autre sens.
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Admission
Le piston descend, soupape d’admission ouverte, et l’espace qui s’agrandit aspire des gaz frais. Un moteur essence aspire de l’air déjà mélangé au carburant. Un diesel aspire de l’air pur.
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Compression
Les deux soupapes se ferment et le piston remonte. Il comprime les gaz dans un dixième de leur volume, voire moins. Comprimer un gaz le chauffe : les gaz atteignent plusieurs centaines de degrés avant même que quoi que ce soit ait brûlé.
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Combustion
Près du haut, on enflamme les gaz. Un moteur essence fait jaillir une étincelle. Un diesel pulvérise du carburant dans un air déjà assez chaud pour l’enflammer. Les gaz qui brûlent se détendent et repoussent le piston vers le bas : c’est la combustion-détente. C’est le seul temps qui fournit de l’énergie, d’où son autre nom de temps moteur.
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Échappement
La soupape d’échappement s’ouvre et le piston, en remontant, chasse les gaz brûlés. Le cylindre est prêt à recommencer.
Surveillez les gaz : frais à l’entrée, ils chauffent en étant comprimés, s’embrasent en orange en brûlant et ressortent gris.
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Deux tours pour une poussée
Chaque temps prend un demi-tour de vilebrequin, donc les quatre temps prennent deux tours complets : 720 degrés. Voilà pourquoi le cadran compte jusqu’à 720 et non 360.
Le piston atteint le haut deux fois par cycle : une fois à 0°, entre l’échappement et l’admission, et une fois à 360°, au moment où les gaz s’enflamment. Le piston ne peut pas distinguer les deux. Seules les soupapes et l’étincelle font la différence.
Un seul temps sur quatre pousse. Aspirer l’air, le comprimer et chasser les gaz brûlés, tout cela demande du travail, et pendant ces trois temps il faut entraîner le moteur. L’élan des pièces en mouvement y contribue, et le volant moteur fait le reste : un disque lourd, au bout du vilebrequin, qui emmagasine de l’énergie pendant le temps moteur et la restitue pendant les trois autres.
Voilà pourquoi un monocylindre tourne de façon saccadée : une forte poussée tous les deux tours, et rien entre les deux. Les tondeuses à gazon lissent cela avec un volant lourd. Les voitures ajoutent des cylindres, nous y reviendrons.
04
Soupapes et cames
Chaque soupape est un bouchon en forme de champignon. Un ressort la maintient fermée contre son siège, et une came l’ouvre en la poussant : un bossage en forme d’œuf, porté par un arbre qui tourne. Quand la bosse arrive, elle enfonce la soupape dans le cylindre. Une fois la bosse passée, le ressort referme la soupape.
Chaque soupape s’ouvre une fois par cycle, et un cycle dure deux tours de vilebrequin. L’arbre à cames tourne donc deux fois moins vite que le vilebrequin, entraîné par une courroie ou une chaîne. Observez les cames : un tour pour deux tours de vilebrequin.
Des soupapes qui s’ouvriraient et se fermeraient pile aux points morts feraient mal respirer le moteur. Les gaz ont une masse et mettent du temps à se mettre en mouvement, alors on étire le calage. La soupape d’échappement s’ouvre en avance, bien avant le point mort bas, pour que les gaz encore sous pression s’échappent d’eux-mêmes. La soupape d’admission se ferme en retard, bien après le point mort bas, car l’air continue de s’engouffrer alors même que le piston commence à remonter.
Autour du haut, entre l’échappement et l’admission, les deux soupapes restent ouvertes en même temps pendant un court instant. Ce croisement des soupapes permet aux gaz brûlés qui sortent d’aspirer derrière eux les gaz frais.
05
L’allumage
La combustion n’est pas instantanée. Dans un moteur essence, une flamme naît à la bougie et traverse la chambre en quelques millièmes de seconde, ce qui représente une vraie fraction de tour. La poussée est la plus utile juste après le point mort haut, donc l’étincelle doit jaillir en avance : environ 10 à 40 degrés avant le point mort haut.
Cette avance dépend du régime. La flamme a besoin d’à peu près le même temps quoi que fasse le moteur, mais à haut régime le vilebrequin parcourt plus de degrés pendant ce temps. On augmente donc l’avance à l’allumage quand le moteur accélère. Trop tôt, et la pression s’oppose au piston qui monte. Trop tard, et elle court après un piston déjà en train de redescendre.
Un diesel n’a pas de bougie. La compression chauffe l’air au-delà de 700 °C environ, et peu avant le point mort haut, l’injecteur y pulvérise le carburant. Le carburant met un instant à se vaporiser et à s’enflammer, un court délai d’inflammation, puis il brûle à peu près au rythme où il est injecté. La combustion s’étale sur toute l’injection, au lieu de traverser la chambre d’un seul front de flamme.
Le graphique montre le résultat. En essence, la pression grimpe jusqu’à un pic net juste après le haut. Le diesel part d’une compression bien plus forte, et sa combustion maintient la pression pendant que le piston commence à descendre.
06
De la poussée à la rotation
La bielle relie le piston à un axe décalé sur le vilebrequin : le maneton. Quand le maneton décrit son cercle, la bielle transforme la poussée rectiligne du piston en rotation, comme votre jambe fait tourner la pédale d’un vélo.
Le piston ne suit pas une courbe sinusoïdale parfaite. La bielle s’incline quand le maneton part sur le côté, ce qui tire le piston plus bas que la seule descente du maneton. À 90 degrés de vilebrequin, le piston a déjà dépassé la mi-course : environ 50 de ses 86 mm. Il va donc plus vite près du point mort haut que près du point mort bas, et atteint sa vitesse maximale avant que le vilebrequin ait tourné de 90 degrés.
À 3 000 tr/min, cette vitesse maximale avoisine 14 m/s, et le piston s’arrête net puis repart en sens inverse deux fois par tour. De lourds contrepoids, placés à l’opposé du maneton, équilibrent la masse en rotation du maneton et de la bielle, pour éviter que le moteur ne se détruise à force de vibrer.
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Jusqu’où comprimer ?
Le taux de compression compare le volume au-dessus du piston au point mort bas avec celui qui reste au point mort haut. À 10 : 1, les gaz sont comprimés dans un dixième de l’espace qu’ils occupaient.
Un taux plus élevé permet aux gaz qui brûlent de se détendre davantage : une plus grande part de leur chaleur devient poussée, et on tire plus de travail du même carburant. Alors pourquoi ne pas comprimer plus ? Un moteur essence comprime ensemble le carburant et l’air, et la compression les chauffe. Si l’on va trop loin, des poches de mélange s’enflamment toutes seules avant l’arrivée de la flamme. C’est le cliquetis, un claquement sec qui peut fissurer les pistons. Les moteurs essence restent donc autour de 9 à 13 : 1.
Un diesel ne comprime que de l’air : rien ne risque de s’enflammer trop tôt. Et il a besoin de cette chaleur, car l’air doit être assez chaud pour enflammer le carburant. Les diesels fonctionnent autour de 14 à 22 : 1.
Ici, le modèle s’arrête au point mort haut : vous pouvez voir l’espace au-dessus du piston se réduire quand vous augmentez le taux.
08
Essence ou diesel
Les deux moteurs suivent les mêmes quatre temps. Ils diffèrent par la façon dont le carburant entre et par ce qui l’enflamme.
| Caractéristique | Essence | Diesel |
|---|---|---|
| Arrivée du carburant | Mélangé à l’air avant d’entrer, ou pulvérisé pendant l’admission | Injecté directement dans l’air chaud en fin de compression |
| Ce qui l’enflamme | Une étincelle | La chaleur de la compression |
| Taux de compression | 9 à 13 : 1 | 14 à 22 : 1 |
| La puissance dépend de | Un papillon des gaz qui limite l’air | La quantité de carburant injectée |
| Régime maximal typique | 6 000 à 7 000 tr/min | 4 000 à 5 000 tr/min |
Un diesel a un meilleur rendement, pour trois raisons. Il comprime davantage, donc chaque goutte de carburant fournit plus de travail. Il fonctionne en mélange pauvre, avec bien plus d’air que le carburant n’en demande. Et il n’a pas de papillon des gaz, donc il ne gaspille jamais d’effort à aspirer l’air à travers un volet à moitié fermé.
Un moteur essence monte plus haut en régime et tourne plus rond. Son mélange est prêt à brûler dès que l’étincelle jaillit, et la flamme est rapide. Ses pressions plus faibles permettent des pièces plus légères, qui supportent bien de tourner vite. Un diesel attend que son carburant se mélange et s’enflamme, et à ce moment-là la pression fait un bond : c’est l’origine de son claquement si familier.
Un hybride associe un moteur comme celui-ci à un moteur électrique qui l’aide, lui permet de s’arrêter quand on n’en a pas besoin et récupère de l’énergie au freinage. C’est un chapitre que cette explication n’a pas encore.
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Quatre cylindres
Un seul cylindre donne une poussée tous les deux tours. Quatre cylindres qui partagent un vilebrequin, chacun à un moment différent du cycle, donnent une poussée tous les demi-tours : un temps moteur tous les 180 degrés, au lieu de tous les 720. La poussée sur le vilebrequin est bien plus régulière, et le volant moteur peut être beaucoup plus léger.
Les manetons sont disposés de sorte que les pistons 1 et 4 bougent ensemble, et les pistons 2 et 3 ensemble, en sens inverse. Quand la paire extérieure monte, la paire intérieure descend : leurs principales forces verticales s’annulent.
Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.
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Commandes
Tout ce qui se trouve sur la page fonctionne aussi au clavier.
| Espace | Lancer ou mettre en pause |
|---|---|
| 1 2 3 4 | Aller à l’admission, la compression, la combustion ou l’échappement |
| ← → | Faire tourner le vilebrequin par pas de 2°, ou de 15° avec Maj |
| ↑ ↓ | Accélérer ou ralentir |
| C | Activer ou désactiver la vue en coupe |
| G | Activer ou désactiver les couleurs des gaz |
| L | Activer ou désactiver les étiquettes |
| F | Activer ou désactiver les flèches de flux des gaz |
| E | Basculer entre essence et diesel |
| M | Basculer entre un cylindre et le quatre-cylindres en ligne |
| R | Réinitialiser la vue |
| Glisser | Tourner autour du moteur |
| Défiler ou pincer | Zoomer et dézoomer |
Les chiffres viennent d’un petit modèle de cylindre d’un demi-litre, avec un alésage de 86 mm, une course de 86 mm et une bielle de 145 mm. Les pressions sont simplifiées : fiables pour les formes et les proportions, pas pour les valeurs exactes.