TPE Les moteurs-explosion

Le premier moteur consideré comme un deux-temps fut réalisé en 1860 par Lenoir, mais comme il n'existait pas de phase de compression avant l'allumage, il ne réalisait pas un cycle complet. C'est l'Anglais Dugald Clerk, qui réalisa en 1880 un moteur faisant cette fois ci les même phases que le moteur quatre temps, mais en seulement un tour de vilebrequin ; il possédait un cylindre-moteur et un cylindre-pompe. Dix ans plus tard les constructeurs anglais Day and Sons construisaient le premier moteur deux temps sans l'aide d'un cylindre-pompe, il peut donc être considéré comme le premier deux-temps moderne. Oubliés jusqu'aux années vingt, ils motorisèrent par la suite quelques automobiles. Mais aujourd'hui, ils n'équipent plus que le monde motocycliste, qu'il a littéralement envahi. Ils ont également, une place importante dans le domaine des moteurs hors-bord et de l'agriculture, où leur faible poids et leur possibilité de fonctionner dans n'importe quelles positions les avantagent.

Comme une balle de fusil se trouve propulsée par l'explosion de la poudre, les pistons d'un moteur subissent le même phénomène gràce à la combustion du mélange air-carburant. Le piston va transmettre cette poussée au vilebrequin par l'intermédiaire de la bielle.L'ensemble marche selon le principe de la manivelle, le mouvement rectiligne alternatif du piston va être transformé en mouvement circulaire du vilebrequin. Ce dernier est relié au volant-moteur dont l'inertie favorise la rotation régulière du vilebrequin et empêche le moteur de partir en sens inverse et lui donne de la souplesse.

Ses parois sont percées d'orifices appelés lumières par lesquels s'effectuent l'admission et l'échappement des gaz. On distingue, du même côté, les lumières d'admission à la précompression et d'échappement et, en face, la lumière d'admission au cylindre (ou de transfert), en communication avec le carter. Elles sont découvertes par le piston durant sa course ce qui bloque ou autorise le passage des gaz.

Il doit être étanche, dans le cas d'un carter-pompe, et présenter un minimum d'espace mort. Le carter-pompe est constitué par le carter de vilebrequin étanche, dans lequel le piston comprime les gaz dans sa course du P.M.H. (point mort haut) au P.M.B. (point mort bas). S'il existe plusieurs cylindres, on prévoit un carter par cylindre pour des raisons que nous expliquerons plus tard.

La longueur de sa jupe est relativement importante. Lorsqu'il possède un déflecteur, celui-ci doit empêcher le mélange des gaz frais avec les gaz brûlés. Actuellement, tous les deux- temps ont des pistons plats.

Par suite du système de graissage particulier, il est monté sur roulements à aiguilles. C'est une pièce capitale qui transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement rotatif du vilebrequin.

Pour sa définition, nous considérons un moteur classique à trois lumières et à carter-pompe, c'est le moteur à jupe.

-Premier temps

Dans sa course vers le B.P.H., le piston ferme la lumière d'admisson au cylindre terminant la précédente phase de balayage, puis la lumière d'échappement. ce qui permet la compression du mélange. Parallèlement, la lumière d'admission à la précompression est découverte et, sous l'effet de la dépression créée par la montée du piston, le mélange y est aspiré. Ce premier temps cumule donc les phases de compression et d'admission sur un demi tour de vilebrequin.

-Second temps

Durant sa course vers P.M.B., le piston, poussé par la dilatation des gaz, découvre la lumière d'échappement et les gaz brûlés s'échappent sous l'effet de leur pression. Les gaz admis dans le premier temps sont comprimés dans le carter-pompe et lorsque, peu avant le P.M.B., la lumière d'admission au cylindre est libre; ils sont admis dans le cylindre et balayent les gaz brûlés. Ce second temps réunit les phases de détente et de balayage sur un demi tour de vilebrequin.

Ce qui différencie le deux-temps du quatre-temps est l'utilisation des gaz frais pour chasser les gaz brûlés. Pour réaliser cette phase, appelée balayage un compresseur extérieur ou un carter- pompe comprime les gaz frais avant qu'ils n'entrent dans le cylindre à travers la lumière de transfert.

Son fonctionnement soulève un certain nombre de problèmes comme le remplissage du carter, le balayage, le graissage.

Le rendement d'un carter-pompe est très faible à cause de l'important volume occupé par la bielle et le vilebrequin, ce qui dégrade le remplissage. Si pour corriger ce remplissage, on veut donner de l'avance à l'ouverture, on crée automatiquement un retard à la fermeture qui peut être néfaste car l a fermeture de l'admission à la précompression doit s'effectuer lorsque la pression des gaz admis dans le carter devient égale à la pression atmosphérique. A cet instant, le remplissage est maximal et tout retard à la fermeture provoque un refoulement par la lumière d'admission à la précompression. Il faut donc rechercher un équilibre, mais il varie en fonction du régime, le moteur à jupe ne peut répondre à ce problème. Il y a cependant trois solutions principales à cela:

De forme classique, utilisées au début du deux-temps, elles ont été aujourd'hui remplacées par des clapets qui ouvrent ou ferment l'entrée d'air vers le carter en fonction de la pression qui y régne.

Connu depuis les années vingt, ce principe est intéressant car il est indépendant du mouvement du piston. il y a les tiroirs cylindriques, aujourd'hui oubliés et les disques rotatifs qui sont employés actuellement en compétition motocycliste. Sur certains moteurs le remplacement du carter-pompe par une pompe rotative extérieure, offre un important gain de puissance gràce à son meilleur rendement.

Des moteurs furent équipés d'un système d'injection de carburant directement dans le cylindre apès que les lumières se soient fermées, ce qui supprime les problèmes liés au balayage comme la perte de mélange lors de l'échappement. Elle fut utilisée avec succès sur les voiturettes allemandes Goliath et Gutbrod.

La disposition des lumières d'admission au cylindre et la trajectoire des gaz, permet de distinguer quatre types de balayage :

Ce balayage, utilisé pendant plus de trente ans pour la plupart des réalisations, est caractérisé par la position de la lumière d'admission au cylindre qui est en face de la lumière d'échappement. Le piston possède sur le dessus un déflecteur qui dévie les gaz frais vers le haut du cylindre. Mais le poids élevé du piston, la forme de la chambre de combustion et le caractère incertain de la trajectoire suivie par les gaz l'on rendu obsolète.

Ce balayage est peu connu, ils est utilisé presque exclusivement par la firme allemande M.A.N. pour des gros moteurs Diesel. La lumière d'addmission au cylindre est placée juste au desous de celle de l'échappement. Le courant de balayage passe sur la calote. puis remonte vers la culasse et redessend le long des parois vers les lumières d'échappement. Dans certains cas, pour avoir un meilleur flux, les lumières percent le cylindre sur toute la circonférence.

En théorie c'est le schéma le plus correct, car le mélange, sécoule linéairement évitant ainsi le mélange de l'air et des gaz d'échappement. Il est utilisé en particulier dans les diesels de grande puissance, équipés de soupapes en tête et de pompes de compressions extérieures. L'admission se fait par la soupape tandis que les gaz d'échappement sont balayés au travers des lumiéres placées autour du piston en position basse. Le balayage a équicourant peut également être assuré par la communication de deux cylindres, dont le fonctionnement est décrit plus loin, il s'agit des moteurs en U.

Développé dans les années trente par l'Allemand Schnürle, le cylindre se retrouve pércé de deux lumières de transfert. Les deux courants de gaz frais se rencontrent le long de la paroi opposée à l'échappement et remontent ensuite vers la culasse, L'utilisation de pistons plats,assure un meilleur balayage car les gaz frais, au contact des parois, ne se mélangent pas avec les gaz brûlés. C'est une des rares solutions qui permet de préserver la simplicité originelle du deux-temps, ce qui explique son succes.

C'est le système le plus simple. On incorpore au carburant une certaine quantité d'huile, ainsi le passage du mélange air-carburant-huile dans le carter puis dans la chambre de combustion permet la lubrification de tous les organes. Mais lorsque le papillon des gaz est fermé, le mélange étant pauvre le moteur est trop peu lubrifié.

Il se généralise aujourd'hui sur les motocyclettes, une pompe entraînée par le moteur conduit l'huile aux points à lubrifier par un réseau de canalisations comme sur les moteurs à quatre temps. Ce système entraîne une forte consommation d'huile car le carter employé comme pompe, ne peut recueillir le lubrifiant utilisé, lequel est ainsi perdu!

Les moteurs les plus courants sont à deux, quatre ou six cylindres en ligne. On trouve rarement des V8 à 90° ou des 4-cylindres en carré, mais il existe des 4 et des 12-cylindres avec pistons opposés, chambres de combustion communes et, parfois, plusieurs vilebrequins.

Ils sont en général assez encombrants, par suite des canaux de transfert et par la nécessité d'assurer l'étanchéité de chaque carter-pompe. L'intervalle angulaire entre chaque temps moteur est donné par le nombre de cylindres. Pour un 3-cylindres, il sera de 360° divisé par 3, soit 120°. L'uniformité du couple dépendra donc du nombre de cylindres.

Conçus par la firme allemande Junkers ils étaient destinés d'abord à des installations fixes puis plus tard aux diesels routiers. Deux cylindres en ligne étaient accouplés, de telle sorte que l'un serve de culasse à l'autre. Il n'y a, en général, qu'un seul vilebrequin, les pistons supérieurs étant commandés par deux longues bielles extérieures au moteur et articulées sur le vilebrequin. Comme un piston commande l'échappement et l'autre l'admission, les gaz frais et les gaz brûlés ont un même sens d'écoulement. Ils sont relativement compacts et n'ont aucun problème d'étanchéité.

Proche des moteur à pistons opposés, il ont leurs cylindres groupé par deux ; chaque groupe partage une même culasse. C'est la communication entre les cylindres d'un même groupe qui permet de régler les problèmes de remplissage car un piston commande l'échappement et l'autre l'admission comme vous pouvez le voir sur ces coupes.

Des V4 à 90° sont utilisés, surtout sur les hors-bord de grosse cylindrée, en raison de leur encombrement et de leur poids réduits. L'inconvénient du moteur en V réside dans l'impossibilité de réaliser un balayage correct avec un unique carter-pompe par couple de cylindres. De plus, les temps moteurs ne peuvent être distribués à des intervalles réguliers de rotation, contrairement au moteur en ligne.

Ils sont obtenus par le couplage de deux cylindres, les vilebrequins étant généralement reliés par des engrenages. Cette solution a été utilisée sur des motocyclettes de compétition car elle offre un faible encombrement.

Afin de rendre son fonctionnement plus accéssible, nous avons réalisé une video en images de synthèse représentant un cycle de moteur à deux temps.

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