Bonjour. Je me présente, Nicolas Ivan HATAT. Je suis Ingénieur, Docteur de l’Ecole Centrale de Nantes.

Dans la séquence qui va suivre va être abordé le thème du fonctionnement des moteurs. Pour cela, nous allons aborder différentes notions comme les moteurs à allumage provoqué, allumage par compression et la suralimentation.

Un moteur thermique est un système mécanique qui, grâce à un processus de combustion, va permettre de convertir une énergie chimique contenue dans un carburant en énergie mécanique. L’énergie contenue dans ce carburant provient dans la majorité des cas du pétrole. Le raffinement de ce pétrole nous permet d’obtenir différents carburants, qu’ils soient liquides ou gazeux, dont les plus connus sont : l’essence, le gasoil ou encore le butane. 

Un moteur, lorsque la conversion de l’énergie, à savoir la combustion et le système mécanique associé, est réalisée à l’intérieur du moteur, celui-ci est appelé moteur à combustion interne. De même, lorsque le travail est dû au déplacement linéaire du piston, combiné à un système bielle-manivelle qui permet de transformer ce mouvement linéaire en rotation, ce moteur est appelé alternatif. 

Donc les mouvements du piston vont nous permettre de définir différents cycles. Il en existe plusieurs mais les plus communément utilisés sont les cycles dits deux temps ou quatre temps. 

Concernant l’automobile et les poids lourds, la quasi-totalité des moteurs sont de type quatre temps, comme présentés ici en haut à gauche.

Ces quatre temps vont correspondre aux différentes phases de mouvements de piston. Donc, on retrouve la phase admission. La descente du piston va permettre de faire rentrer à l’intérieur du cylindre les gaz situés à l’admission, vient ensuite la phase de compression : la remontée du piston va comprimer l’ensemble situé à l’intérieur du cylindre. Enfin vient la seule phase réellement motrice du moteur, celle de l’énergie de mise en place, à savoir la phase de combustion. Les gaz à l’intérieur du cylindre vont s’enflammer et se dilater, ce qui va permettre au piston de descendre. Enfin vient la phase d’échappement, la remontée du piston va faire en sorte que les gaz à l’intérieur du cylindre s’évacuent.

Ici à droite est présenté un type de moteur deux temps. Ici, ça fait référence au moteur de petites et moyennes cylindrées, type motocyclette. On remarque très aisément qu’il n’y a que deux phases : une phase où le piston monte et une autre où il redescend. L’association en fait de perforation, appelée lumière, ainsi que des canaux de transfert permet à ce type de moteur de réaliser simultanément différentes phases, ce qui fait qu’un seul aller-retour du piston est nécessaire à son fonctionnement.

Maintenant, certains moteurs sont dits à injection indirecte ou injection directe. Les moteurs à injection directe sont ceux où l’injecteur est situé directement à l’intérieur du cylindre, les autres étant des motorisations indirectes. L’alimentation en air peut être soit atmosphérique, donc aspiration naturelle, soit suralimentée, la différence étant que dans le cas suralimenté, un système mécanique est associé au moteur et donc permet la suralimentation.

Enfin, la notion principale qui est le dernier point de ce slide, la puissance du moteur est proportionnelle toujours au mélange air-carburant qu’il y a à l’intérieur du cylindre avant le processus de combustion.

Enfin, le fonctionnement d’un moteur fait qu’il y a toujours une émission de gaz à l’échappement. Ici est présentée en rouge la formulation complexe de combustion d’un combustible. Donc, on va retrouver ici la formulation d’un carburant : CxHyOz. Est associée à ce carburant la formulation de l’air qui est admis à l’intérieur du cylindre : O2 + 3.76 N2, l’ensemble de ces deux éléments formant les réactifs de combustion.

Sur la droite va se retrouver l’ensemble des éléments à l’échappement, appelés produits combustion. On va donc y retrouver le dioxyde de carbone, de l’eau, du dioxyde d’azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlées à l’échappement mais également ici dans cette formulation la présence des particules, et enfin les oxydes d’azote.

Maintenant, abordons quelques notions, l’allumage commandé, plus communément appelé moteur à essence. Donc, la combustion va se réaliser à mélange homogène. On entend par là richesse égale à 1, ce qui veut dire que la proportion air-carburant à l’intérieur du cylindre fait en sorte que théoriquement, à la fin de la combustion, aucun de ces deux éléments ne se retrouve à l’échappement. L’allumage, quant à lui, est provoqué par un apport d’énergie externe. Dans la très grande majorité des cas, cela se fait par l’étincelle d’une bougie électrique.

Enfin, sur ce type de motorisation se généralise de plus en plus l’injection directe. C’est ce que l’on voit ici en bas par ce schéma. On y retrouve la présence de la bougie, les différentes soupapes, l’injecteur dans le cylindre, le cylindre et le piston.

Dans les moteurs à essence, la régulation de la puissance se fait par variation du mélange admis. Pour cela, on utilise un papillon des gaz qui sert à limiter le passage de l’air à l’admission. Pour cela, on utilise des phénomènes appelés pertes de charge. Ainsi, un moteur à essence va travailler sous différents modes, charge partielle, pleine charge. Une notion ici, R, qui est une notion de richesse, qui est donc le rapport entre le carburant et l’air qui est nécessaire à la combustion. Lorsque cette richesse est supérieure à 1, cela indique tout simplement qu’il y a plus de carburant que ce que peut réellement faire réagir l’oxygène compris dans le cylindre, et donc du carburant va être en excès et se retrouver à l’échappement.

Maintenant une notion de l’allumage par compression, plus communément appelé diesel, du nom de son inventeur. La combustion va se faire de manière simultanée à l’injection, l’allumage étant provoqué par les conditions de pression et de température à l’intérieur du cylindre, la bougie de préchauffage, quant à elle, ne servant qu’à initialiser les conditions à l’intérieur du cylindre lorsque l’on veut allumer le moteur. L’injection directe sur ce type de motorisation est quasi-systématique. 

Une notion ici concernant la formation des particules, de manière historique, elle se rapporte forcément au moteur diesel. Or, aujourd’hui, avec la généralisation comme on l’a vu de l’injection directe, cela touche également les moteurs à essence. Ici, on va retrouver sur la partie basse le processus de formation de particules ici pour un véhicule diesel. Donc on a du carburant liquide. Ce carburant liquide s’évapore sur les bords et va se mélanger avec de l’air. Lorsque les conditions, on l’a vu, sont remplies, une flamme va se mettre en place tout autour de ces gouttelettes de carburant et donc la combustion va se faire. La température va faire évaporer le corps liquide et conserver cette proportion air-carburant. Lorsqu’il n’y a plus de carburant ou plus suffisamment, il y a donc un processus d’extinction, ou si la température est trop élevée sur certains endroits, il y a un effet de pyrolyse, c’est-à-dire formation d’un cœur carboné. Donc, on obtient une particule qui va se retrouver à l’échappement. 

Toujours est-il la notion importante de cette diapo est que, certes la formation de particules est historiquement diesel, mais néanmoins de plus en plus du fait de la technologie employée, cela va affecter également les moteurs à essence, notamment avec l’injection directe.

Dernière notion, la suralimentation. Elle consiste à augmenter la quantité d’air introduite dans le cylindre. Pour cela, on peut utiliser soit des phénomènes acoustiques mais qui ne vont être efficaces que sur des plages de moteur préalablement choisies, soit par de la suralimentation forcée. On ajoute un système mécanique au moteur qui va permettre d’augmenter la pression à l’admission, ceci dans le but d’accroître la puissance sur l’ensemble des régimes moteurs. Pour cela, on a utilisé deux types de suralimentation : 
- un compresseur mécanique. Il ne concerne que l’admission et va tirer son énergie du moteur directement par un système de chaîne, d’engrenage ou encore du système électrique. 
- un deuxième élément est développé, la partie de la famille des turbocompresseurs. Celui-ci, il va utiliser l’énergie contenue dans les gaz à l’échappement pour utiliser le compresseur à l’admission. Pour cela, il y a un élément à l’échappement qui s’appelle la turbine qui va permettre, grâce à un système d’axe, de faire tourner un compresseur à l’admission et donc, comme son nom l’indique, comprimer les gaz à l’admission et permettre d’augmenter la puissance du moteur.

Ainsi en conclusion, on obtient que le fonctionnement des moteurs essence et diesel sont principalement sur des cycles quatre temps. La suralimentation, au même titre que l’injection directe, a tendance à se généraliser, et enfin la conversion d’énergie doit être optimisée d’un point de vue énergétique, d’un point de vue réduction des nuisances et surtout des polluants.

Je vous remercie d’avoir suivi cette séquence, au revoir.