Le moteur

 

1.8 - L’injection

L’injection fut créée afin de palier aux défauts du carburateur car c’est le seul système qui est capable de réaliser le mélange air-carburant en présence de pressions élevées et qui permet de réaliser un dosage plus précis. En pratique, la combustion ne s’effectue jamais à pression constante, puisque le combustible s’allume avec retard (délai d’inflammation). Il se produit donc au début une accumulation de mélange provoquant une augmentation inévitable de pression, surtout aux régimes élevés. Le retard à l’allumage dépend du type de combustible (indice de cétane) et de la qualité de pulvérisation.

Ce retard d’allumage peut être réduit en donnant au jet une forte capacité de pénétration qui permet aux gouttelettes qui traversent l’air comprimé, d’atteindre des températures suffisantes pour que l’évaporation se réalise; et en augmentant la turbulence qui, en réalisant l’agitation de l’air frais, évite que les gaz brûlés séjournent à proximité de l’injecteur, entravant ainsi le contact entre les nouvelles particules injectées et l’oxygène, qui est indispensable pour la combustion.

D’autres avantages de l’injection par rapport au carburateur sont que les conduits d’admission ne sont plus le siège de phénomènes de vibration, le phénomène de la détonation est diminué parce que le temps de contact entre l’air et le combustible est réduit, ce qui fait qu’il y a amélioration du refroidissement dans la chambre de combustion, conséquence de l’évaporation du carburant dans les cylindres (on pourra utiliser des essences à indice d’octane plus faible ou augmenter le rapport volumétrique pour obtenir un surcroît de puissance); il y a diminution de la probabilité de retour de flamme, l’élimination du phénomène de givrage, et la constance de l’alimentation durant les accélérations rapides en ligne droite et dans les virages ainsi que les courbes.

Il y a 4 types principaux d’injection : 1- L’injection directe qui pulvérise directement le carburant dans la chambre de combustion et le mélange à l’air qui y est contenu (comme pour les moteurs Diesel). Elle produit un parfait lavage de la chambre de combustion uniquement par l’air aspiré, ce qui entraîne une économie de combustible, un meilleur rendement volumétrique et un meilleur refroidissement des soupapes. 2- L’injection indirecte qui au contraire, pulvérise l’essence dans la tubulure d’admission et le mélange se forme en amont de la soupape d’admission (comme pour le carburateur). Tout comme l’injection directe, elle offre l’avantage d’alimenter uniformément les cylindres non seulement en régime normal, mais aussi durant les phases de transition. 3- L’injection mécanique qui favorise la régulation ayant une grande importance en raison de l’étroitesse de l’intervalle des rapports air-essence, et 4- L’injection électronique qui est constituée d’une série de circuits électroniques qui traitent les signaux provenant des dispositifs sensibles enregistrant les conditions de fonctionnement du moteur et des autres dispositifs de correction, sensibles aux conditions extérieures et aux phases transitoires de chauffage du moteur. Elle comporte aussi un régulateur sensible à la pression moyenne indiquée et du nombre de tours du moteur, qui comprend un dispositif tournant à masselottes centrifuges (entraînant le déplacement axial d’une came en fonction de la vitesse angulaire du moteur et par un système de leviers de la position du papillon). La plupart des voitures de course ont adopté en majorité l’injection indirecte, suivie de l’injection mécanique ou électronique.

Injection directe

 

Injection indirecte

 

Injection mécanique

 

Régulateur pour l’injection mécanique

 

Injection électronique

1.9 - La distribution

La distribution constitue l’ensemble des pièces qui assurent l’ouverture et la fermeture des conduits amenant l’air ou le mélange air-essence aux cylindres. En gros on compte les pièces qui partent de l’arbre à cames jusqu’aux soupapes. La distribution diffère d’un moteur à l’autre surtout au point de vue du système de commande qui entraîne cette distribution. On rencontre le système de commande à engrenage, à courroie crantée, à chaîne et à arbre de renvoi. Le système de commande à courroie crantée est le plus répandu des quatre à cause de sa plus grande fiabilité.

 

 

Dans les autres systèmes plus modernes, on utilise beaucoup les tiges et les culbuteurs, surtout avec les arbres à cames en tête. Mais une image vaut mille mots, voyez les différents modèles de distribution et remarquez leur grande originalité car chaque constructeur a trouvé sa façon à elle d’arriver à une bonne fiabilité selon les résultats escomptés. L’expression ACT signifie Arbre à Cames en Tête.

Différents types de distribution

Voyons maintenant plus clairement ces systèmes de distribution à l’aide de schémas plus précis.

Arbre à cames et soupapes latérales

 

Arbre à cames en tête, soupapes en V et culbuteurs.

 

Le système d’engrenages sert à diminuer le bruit

 

Arbre à cames dans le bloc et soupapes latérales. Utilisé jusqu’aux années 50.

 

Arbre à cames dans le bloc moteur et soupapes latérales. Soupapes d’admission en tête et soupapes d’échappement latérales. Réalisation d’une chambre de combustion mixte permettant d’obtenir une turbulence élevée et des soupapes de gros diamètre.

 

Arbre à cames latéral, tiges et culbuteurs. Adopté à cause de sa simplicité.

1.9.1 - Distribution variable

Pour chaque système de distribution illustré, les valeurs choisies pour l’avance et le retard des soupapes conviennent uniquement à une vitesse donnée des gaz dans les conduits, et par conséquent, pour une vitesse donnée du moteur, en raison des phénomènes dynamiques qui entrent en jeu et qui nécessiteraient des calages plus larges au fur et à mesure de l’augmentation de la vitesse, et de la charge du moteur ainsi que des calages plus réduits à un régime de rotation moins élevé. C’est ainsi que l’on est arrivé à créer des systèmes de distribution à calage variable, qui sont susceptibles de changer, suivant le régime du moteur, la levée et le temps d’ouverture des soupapes. Ces systèmes utilisent des cames coniques à déplacement axial, ou bien des culbuteurs à point d’appui déplaçables. C’est le système de distribution de l’avenir et il est conçu surtout pour des moteurs exigeants.

Voyons certains modèles.

Arbre à cames dans le bloc moteur avec soupapes en V commandées par tiges et culbuteurs. Il offre l’avantage de permettre une chambre hémisphérique avec soupapes en V.

 

Deux arbres à cames en tête et soupapes en V. Ce serait la meilleure solution car en dehors des avantages de la chambre hémisphérique, elle permet d’atteindre des régimes élevés en vu de l’importance limitée des masses en mouvement alternatif.

Arbre à cames en tête avec soupapes en V commandée par des culbuteurs. Construction simple mais moins fiable à cause de la présence des masses passives des culbuteurs.

1.10 - Le vilebrequin

Le vilebrequin est l’élément principal du système bielle-manivelle. Son rôle principal est de permettre la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en un mouvement de rotation. Autrement dit, il contrôle tout le mouvement du moteur et communique ce mouvement à la transmission. C’est l’élément du moteur qui tourne le plus vite et qui est le plus lourd, mais normalement il dure toute la vie du moteur.

Chaque manivelle est formée de deux bras de manivelle (ou flasques) et du maneton (ou portée de bielle), qui tourne dans le coussinet de la tête de bielle. On nomme les portées sur l’axe de rotation de l’arbre, des tourillons de ligne d’arbre. En règle générale, dans les moteurs en ligne, le vilebrequin comporte autant de manivelles qu’il y a de cylindres, et dans les moteurs à cylindres opposés et dans les moteurs en V, le nombre de manivelles peut être égal ou à la moitié du nombre de cylindres.

Coupe d'un vilebrequin

 

2 cylindres en ligne

2 cylindres opposés

On utilisait autrefois des vilebrequins à deux paliers, mais il n’est plus assez performant pour les voitures modernes. Les voitures économiques utilisent des vilebrequins à trois paliers mais les autres qui exigent d’atteindre des puissances spécifiques élevées et qui demandent une réduction du poids total du moteur adoptent la solution à cinq paliers. En règle générale, les moteurs à 6 cylindres en ligne disposent de sept paliers, les 6 cylindres en V de quatre paliers et les V8 de cinq paliers. En augmentant le nombre des cylindres et des manivelles, on diminuera le degré d’irrégularité du couple moteur.

La forme des manivelles est variable et dépend du nombre de cylindres, du nombre de paliers de ligne d’arbre, du système de fabrication, mais surtout de la présence éventuelle de contrepoids. Les vilebrequins sont normalement portés sur paliers lisses et construits en une seule pièce. Ils seront normalement fait en acier au carbone, mais pour les fortes sollicitations, on utilisera des aciers au nickel-chrome ou au chrome-molibdène-vanadium. On utilise aussi des alliages en cuproplomb (métal rose) et de la duralumin. On durcit superficiellement les portées du vilebrequin par cémentation, par trempe superficielle ou par nitruration.

Différentes formes de vilebrequins

1.10.1 - L’équilibrage

L’équilibrage est obtenu en montant des contrepoids sur les manivelles. Le but recherché sera de réduire les vibrations du moteur causées par les forces et moments produits par la pression des gaz dans les cylindres, et par les pièces en mouvement alternatif et de rotation (pistons, bielles, vilebrequin); et de diminuer les charges exercées sur les coussinets de la ligne d’arbre.

L’équilibrage dépendra de deux forces : 1- Les forces centrifuges et 2- Les forces alternatives.

Pour les forces centrifuges, le vilebrequin sera équilibré statiquement lorsque la résultante des ces mêmes forces sera nulle, c’est-à-dire, lorsque le centre de gravité se trouvera sur l’axe de rotation. Mais un vilebrequin équilibré statiquement n’est pas nécessairement équilibré dynamiquement, parce qu’il peut donner lieu lorsqu’il est en rotation, à un moment de flexion dû aux forces centrifuges situées dans des plans différents. Il faudra donc trouver le moyen de faire un équilibrage statique et dynamique. Il est normalement réalisé si on a d’abord un équilibre statique et si le vilebrequin admet un plan de symétrie perpendiculaire à l’axe de rotation par rapport auquel les manivelles sont symétriques en nombre, position et dimensions. Tous les autres types de vilebrequin qui ne rencontrent pas ces conditions, devront être équilibrés par l’adjonction de contrepoids.

Dans les forces alternatives, les manetons sont également soumis à des forces dues aux masses animées d’un mouvement alternatif. Ces forces, causées par les variations de vitesse du piston et de la bielle, se subdivisent  en forces alternatives de premier et de deuxième ordre.

Les premières atteignent leur maximum positif ou négatif à chaque fois que le piston se trouve au point mort haut et au point mort bas. Elles peuvent être équilibrées par la composante suivant l’axe des cylindres d’une force centrifuge produite par une masse égale à celle de la masse alternative et appliquée au vilebrequin en opposition avec le maneton considéré.

Pour les deuxièmes, il n’est pas possible de les réduire au niveau de la fabrication du vilebrequin puisqu’elles varient avec une fréquence double du régime de rotation du moteur. Elles seront absorbées par des dispositifs spéciaux de suspension du moteur.

En conclusion, en réduisant la longueur de la manivelle, on réduit les forces d’inertie causées par les masses en rotation et les masses en mouvement alternatif. Le vilebrequin qui offrira un encombrement moindre en diamètre, occasionnera une construction plus facile. C’est le but recherché.  

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