🔧 Le moteur à combustion

La Guerre du Feu

Pour le commun des mortels, un moteur à explosion est un ensemble de pièces mécaniques mobiles destiné à produire un mouvement. Pour la plupart d’entre nous, passionnés, c’est une véritable œuvre d’art qui mérite la plus grande des des considérations, tant il se révèle intéressant à chaque niveau de sa conception. Le but de cet article est d’expliquer avec habileté et simplicité son principe de fonctionnement…

PRINCIPE DE BASE

Le principe de fonctionnement d’un moteur à explosion est très simple : Vous prenez une vieille boite de conserve et la posez par terre, ouverture face au sol puis vous y glissez un gros pétard que vous allumez. La déflagration va alors libérer une quantité d’énergie qui va propulser la boite dans les airs. Évitez de la prendre en pleine tronche, ça pique ! Et voilà, vous avez le principe de base du moteur à explosion.

APPROFONDISSONS

Avant la mise à feu, si vous parvenez à enfermer votre boite de conserve dans un tube solidement fermé afin de contrôler son mouvement, vous créez ce qu’on appelle une chambre de combustion. En fixant une petite tige à l’intérieur de votre boite de conserve et en la faisant passer au travers de votre chambre de combustion, vous fabriquez une bielle : Votre ensemble devient alors un piston. Chaque explosion va aboutir au mouvement de la bielle. A ce stade, vous venez de transformer l’énergie de la déflagration en un mouvement physique qu’il ne reste plus qu’à le canaliser pour le rendre utile. C’est là qu’entre en scène le vilebrequin, un nom bien guerrier pour décrire une sorte de manivelle, comme pour ouvrir ou fermer le store de votre séjour, mais faite de métal très résistant. En reliant le bout de votre bielle au maneton du vilebrequin (voir illustration), vous allez d’une part, déclencher un mouvement rotatif mais, d’autre part, créer une énergie cinétique qui seront tous deux récupérables. Félicitations, vous avez devant vous un moteur mono-cylindre (un seul piston) capable de travailler pour vous !

La cylindrée

Si vous souhaitez obtenir un effort plus puissant, il vous faudra utiliser un pétard plus gros. En somme, augmenter en conséquence la taille de votre boite de conserve. C’est ce qu’on appelle la cylindrée et elle se mesure le plus couramment en litres sur les autos, en cm³ sur les plus petits moteurs comme ceux des motos, ou encore en Cube Inch sur les big blocks américains.

Un peu d’histoire

Avant d’aller plus loin il me semble important de rappeler que le moteur à combustion ne date pas d’hier. Il a subi de grandes évolutions au cours du temps avant de devenir aussi abouti. On doit principalement son invention à deux personns : Edwin Drake, découvreur du premier puit de pétrole, et Alphonse Eugène Beau, inventeur du cycle à quatre temps auquel nous allons nous intéresser.

L’admission – Temps 1

Maintenant que vous avez acquis les bases, nous allons dès à présent oublier notre bonne vieille boite de conserve pour utiliser les bons termes. Bien évidemment le pétard en guise d’explosif était une image qu’il faut oublier également. Afin que la déflagration ait lieu, on utilise de l’essence, un combustible à fort pouvoir détonnant. Pour que ce dernier parvienne dans la chambre de combustion, nous utilisons un système de soupapes, appelées aussi des valves, qui s’ouvrent pour laisser entrer air et carburant dans la chambre, puis se referment pour emprisonner ce mélange. On parle ici du premier temps. A l’origine, les soupapes étaient ouvertes naturellement avec la dépression créée par la descente du piston dans la chambre de combustion. Mais rapidement, elles se retrouvent actionnées via des culbuteurs, eux-mêmes reliés à un arbre à came lateral (OHV) couplé au vilebrequin, en partie basse du moteur. Ce montage présente toutefois deux gros inconvénients : Une déperdition énorme de l’énergie due à l’emploi de tiges de culbuteurs à l’intérieur même du bloc et surtout une importante limitation de la vitesse de rotation maximale du moteur. Dès la fin des années 1970, l’arbre à cames en tête (OHC) se répand et marque le début d’une nouvelle ère. Les valves sont maintenant directement pilotées par l’arbre à cames qui se situe juste au dessus. Cette disposition a des avantages : Elle supprime une grosse partie de l’ensemble mobile, et permet une augmentation considérable de la vitesse maximale du moteur. Malheureusement elle nécessite un système complexe de synchronisation avec le bas moteur : C’est la distribution (voir plus bas). Il est à noter que la culasse -partie haute du moteur qui accueille soupapes et OHC- occupe beaucoup plus de place.

La compression – Temps 2

C’est la phase la plus simple : Une fois le mélange air/carburant enfermé dans la chambre de combustion, le piston remonte sous l’effet de l’inertie et compresse le tout. On parle du deuxième temps.

La combustion-détente – Temps 3

Le piston est maintenant en position haute, la chambre est parfaitement close, le mélange est compressé au maximum. Une étincelle générée au bon moment par une bougie d’allumage, présente elle aussi dans la chambre va provoquer la mise à feu. C’est la combustion. Instantanément, l’énergie produite par l’explosion repousse violemment le piston en partie basse : C’est la détente. Cette suite de mouvements, c’est le troisième temps.

L’échappement – Temps 4

Mais que deviennent les gaz résidus de l’explosion ? Nous utilisons des soupapes également, mais bien plus petites. Leur ouverture est pilotée par le même OHC que celles de l’admission. Lorsque le piston a fini sa phase de détente, les soupapes d’échappement s’ouvrent et les gaz sont chassés par la remontée du piston en position haute. C’est le quatrième temps.

La distribution

Enfin, pour que tout ce joyeux petit monde s’entende et soit productif, il faut un manager. Ce rôle, c’est la distribution qui va l’endosser. Sous forme de courroie crantée, ou de chaîne en métal, elle synchronise à l’aide d’un calage méticuleux chaque action des soupapes en fonction de la positon des pistons. Il suffit parfois d’une demi dent de décalage, lors d’un mauvais montage par exemple, pour que le moteur ne tourne pas convenablement. Avec une dent complète décalée, il peut potentiellement ne même plus démarrer. Et la terreur de tous les mécanos, c’est la casse de cette fameuse courroie. Autant vous dire que si elle rompt lorsque le moteur est lancé, même faible vitesse, les pistons risquent fortement de remonter sur des soupapes encore ouvertes causant des dégâts souvent considérables. C’est la raison pour laquelle le remplacement de la courroie de distribution ne doit jamais être négligé.

Architectures

Passons maintenant aux architectures. Le nombre de cylindres dans un bloc n’est pas limité, mais évidemment plus il y en a plus il sera imposant. On peut donc trouver des petits mono-cylindres sur des motos, des bicylindres comme sur la célèbre 2cv de Citroën, des tri-cylindres qui commencent à se répandre sur les petites citadines et le plus gros du marché, détenu par les quatre cylindres. Au delà on trouve des 5, 6, 8, 10 et 12 cylindres sur des architectures classiques, dites en ligne. C’est-à-dire que tous les pistons sont alignés les uns à la suite des autres, en file indienne. S’il est théoriquement possible de dépasser le seuil des 12 cylindres sur un bloc en ligne les contraintes physiques liées à sa longueur le rendent quasiment impossible. Il faut alors ruser et c’est là que d’autres architectures entrent en jeu :

Implantations et positions

Tous ces moteurs peuvent prendre place, selon les besoins, à différents endroits d’une voiture. Sur les autos actuelles, on les trouve majoritairement sous le capot avant, implantés de manière perpendiculaire au sens de la voiture. On parle d’un moteur avant transversal. Mais on peut également le trouver dans le sens parallèle et dans ce cas c’est un moteur avant longitudinal. Cette solution est souvent retenue sur des grandes berlines à moteur en ligne de six cylindres et plus, car la longueur de leur bloc ne permet pas une implantation transversale. Il est à noter que dans ce cas le moteur est placé en porte-à-faux avant, c’est-à-dire devant les roues avant. Un autre positionnement favorisé par le constructeur Porsche sur sa 911 est le fameux porte-à-faux arrière. Dans cette configuration, le bloc se retrouve à l’extrémité opposée de la caisse, derrière les roues arrières, conférant une tenue de route propre à cette auto, et ayant largement contribué à forger sa légende. Enfin, il existe le setup préféré des super-sportives : La position centrale arrière, dans laquelle le moteur est logé juste après les sièges avant. Cette architecture offre un équilibre parfait à la voiture, mais oubliez les gosses, le gros bloc prendra la place de la baquette arrière !

Des décennies d’évolutions

Comme vous l’aurez compris, au fil des années, le moteur n’a cessé d’évoluer, passant par différentes étapes, augmentant son nombre de soupapes, troquant la fonte pour de l’aluminium plus léger, modifiant sans arrêt le positionnement de ses organes principaux dans le but d’être toujours plus efficace. De nos jours, les plus belles pièces dépassent allègrement les sept litres de cylindrée, dans des architectures très élaborées comme le moteur en W. Ils disposent de dix, douze voir seize pistons et arborent une soixantaine de soupapes. Des pièces d’horlogerie en somme, capables de flirter avec les 1500cv…

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