Fonctionnement du moteur à 4 temps.

Le moteur 4 temps (à essence) fonctionne comme suit :

Quatre phases du cycle sont identifiables, ce sont les quatre temps :

1: L' admission : Le mélange air-essence entre par la pipe d' admission dans le cylindre à une pression de 50 à 120 bars (environ 5 millions à 12 millions de Pascals) grâce au fait que la soupape d' admission soit ouverte.

2: La compression : Le mélange est emprisoné dans la chambre de combustion alors que remonte le piston qui comprime le carburant. Un additif de l' essence retarde l' explosion.

3: L ' explosion ,detente: Elle a lieu juste après la compression et est déclenchée par l' étincelle de la bougie. La température peut atteindre 3000° ; la pression s' élève encore et pousse le piston qui entraine ainsi la rotation du vilebrequin par l'intermédiaire du jeu de bielle.

4: L' echappement : Le piston remonte et évacue les gaz brulés par la pipe d' échappement grâce à l' ouverture préalable de la soupape.

Le mouvement de translation du piston dans la chemise est transformée en mouvement de rotation du vilebrequin grâce au jeu de bielle.
Les soupapes sont actionnées par les culbuteurs eux mêmes commandés par les cames. (N.B. : Sur certains moteurs, les soupapes sont directements mûes par les cames.)
Les cames sont entrainnés avec leur arbre en rotation grâce à une courroie reliée au vilebrequin. Les deux couronnes qui assurent la liaison courroie ont un rapport de réduction de 1/2 (c' est à dire que le vilebrequin tourne 2 fois plus vite que l' arbre à came).

LES PIECES DU MOTEUR "4 TEMPS" :

Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur "4 temps" il faut connaître la pièces qui le compose.

1. CAME :(Rouge)
Monté sur un arbre, cette pièce non circulaire sert à transformer un mouvement rotatif en mouvement de poussé.

2. SOUPAPE: :(Orange)
Obstruateur mobile maintenu en position fermée par un ressort. Elle s'ouvre momentanement sous la pression de la came.

3. BOUGIE :(Jaune)
Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au mélange air/essence, créant un explosion.

4. PISTON :(Bleu)
Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après l'explosion transforme un énergie thermique en énergie mécanique.

5. BIELLE :(Turquoise)
Tige rigide, articulée à ses deux extrémité. Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

6. VILEBREQUIN :(Vert)
Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement l'énergie mécanique à la boîte.

7. DISTRIBUTION :(Violet)
Mécanisme de régulation d'entré et de sortie des gaz à travers la chambre de combustion. Créant un parfaite coordination entre les arbre à came et le vilebrequin.

8. CHAMBRE DE COMBUSTION :(Grise)
Chambre hermétique où est injecté le mélange air/essence pour y être comprimé, enflammé, et créer un énergie mécanique.

9. LUBRIFICATION:(Marron)
Les pièces situées sous le piston baignent dans l'huile. Cette huile n'est jamais en contact avec le dessus du piston. Elle lubrifie: Vilebrequin, Bielle, Piston, et parfois c'est la même qui lubrifie la boîte de vitesse. (A la différence des deux temps, ou la boite est séparé du moteur.)




DESSIN EN COUPE D'UN MONOCYLINDRE "QUATRE TEMPS" :

Donc dans la réalité et en pratique, le cycle 4 temps se passe ainsi:

De nouvelles appellations importantes apparaissent :
L' AOA : Avance à l'Ouverture à l'Admission.
L' AOE : Avance à l'Ouverture à l'Echappement.
Le RFA : Retard de la Fermeture à l'Admission.
Le RFE : Retard de la Fermeture à l'Echappement.
AOA AOE RFA RFE


L'admission:
La soupape d'admission s'ouvre avant que le piston n'ait atteint le PMH et se referme après le PMB.

C'est ce que l'on appel Avance à l'Ouverture à l'Echappement, et le Retard de la Fermeture à l'Admission

Echappement: La soupape d'échappement s'ouvre avant que le piston soit au PMB et se ferme après le PMH

C'est ce que l'on appel Avance à l'Ouverture à l'Echappement, et le Retard de la Fermeture à l'Echappement.


1:Plus un moteur sera poussé (tant en technique que en puissance) plus grande seront ces valeurs d'avance et de retard.


2:On remarque aussi que au PMH, les soupapes d'admission et d'échappement sont toutes deux ouverte, d'où l'AOA et leRFE.


3:On appel "croisement des soupapes". le moment ou les soupapes d'admission et d'échappement sont toutes deux ouvertes.

N.B: Toutes ces valeurs vont composer le diagramme de distribution.

LE RÔLE DES CAMES DANS LA REGULATION DES "4 TEMPS":

Les cames:

La came joue un rôle très important dans les diagrammes d'ouverture et de fermeture des soupapes, c'est elle qui est à l'origine des: AOA, AOE, RFA, RFE.

Du fait du profil très progressif des cames, la levée et la fermeture des soupapes se font (toutes proportions gardées) très lentement. Ce qui explique pourquoi elle ne risquent pas de s'accrocher entre elles ou d'être heurtees par le piston durant la "période de croisement".

De par la forme de la came, l'ouverture de la soupape se fait de manière progressive :

le PISTON :

1. Définition :

Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après l'explosion transforme un énergie thermique en énergie mécanique.

Outre ces deux rôles primordiaux, le piston à d'autres rôles tout aussi important pour le bon fonctionnement du moteur :


Il va aspirer le mélange de gaz dans la chambre de combustion lors de sa descente.

Il va expulser les gaz brulés lors de sa remontée.

Il doit evacuer la chaleur crée par les explosions répétées.

Il doit assurer l'étanchéité entre la chambre de combustion et le carter du vilebrequin rempli d'huile.(avec l'aident des segments)

Il doit résister à la très forte chaleur et aux contraintes mécaniques.

Et enfin, il doit être le plus léger possible pour diminuer les masses en mouvement.

2.La tête du piston :

a)Le dessus de la tete de piston assure la partie compression/évacuation des gaz. Sa forme est liée à celle de la chambre de combustion.

Il existe plusieurs formes de tête de piston :

2.1 Têtes plates:

Très présent en 2T, de plus en plus rare dans les moteurs 4T.

2.2 têtes convexe:

Avec des empreintes "en regard" des soupapes (en face des soupapes) :

La partie convexe permet d'avoir des chambres de combustion plus performantes (meilleure inflammation des gaz, évacuation plus facile et rapide, meilleur refroidissement de la bougie, etc) et des compressions plus élevées.

Les empreintes légèrement plus grande que le diamètre des têtes de soupapes évite au piston et aux soupapes de se toucher (ce qui pourrait être le cas lors d'un affolement de soupape ou d'un léger déréglage de la distribution).

2.3 Têtes dites "héron":

La chambre de combustion a été creusée dans la tête du piston

2.4: Des têtes à formes plus complexes existent.


3. La jupe du piston :

La jupe du piston commence après le dernier segment et sert au guidage du piston dans le cylindre.

Soit la jupe est complete.

Soit la jupe est réduite ressemblant plus à une paire de "patin" assurant toujours le guidage contre le cylindre.

En effet, les constructeurs essaient de réduire le poid du piston et les frottements de la jupe sur le cylindre afin d'améliorer les performances du moteur à haut régime.
L'état de surface de la jupe est importante pour assurer une bonne lubrification, parfois un traitement de surface peut être appliqué sur le piston ou uniquement sur la jupe, qui prendrons alors une coloration gris foncé voir noir.


4. L'axe du piston :

Permet de relier le piston à la bielle.

Il va encaisser de grand effort mécanique, en effet c'est lui qui va transmettre l'energie de l'explosion à la bielle.

Il faut donc qu'il soit assez résistant de part sa taille et de part les matériaux utilisés pour sa fabrication tout en le faisant le plus leger possible (donc creux en général).



5. Pour supporter les explosions:

A) Les têtes de piston subissent de plus en plus souvent des traitements de surface afin de les renforcer (graphite, nickel, ou même céramique).

B)L'étanchéité entre les gaz et l'huile est assurée par les segments.

C)L'évacuation de la chaleur peut être améliorée par les renforts ou nervures que l'on trouve sur le "verso" de la tête de piston. En effet leur présence augmente la surface d'échange thermique comme les aillettes d'un moteur refroidit par air. La température de fonctionnement d'une tête de piston est de 200 à 370°C suivant le type de moteur.

Aujoud'hui de plus en plus de constructeur améliore le refroidissement par un système de projection de gouttelettes d'huile sur le fond de la tête du piston.

LES SEGMENTS :

Ce sont des anneaux "élastiques" ouverts qui se logent dans des rainures faites dans la tête du piston.

Sur un moteur 4T on trouve en général 3 segments (certains moteurs en compétition n'en ont que 2).

Ils assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion (les gaz) et le carter d'huile du vilebrequin.

Il sont utilisé aussi pour l'évacuation de la chaleur vers le cylindre.

1. Le segment de feu :

C'est le segment en contact avec les gaz. Lors de l'explosion, il est plaqué contre le piston (dans sa rainure) et contre le cylindre, ce qui assure quasiement toute l'étanchéité.

2. Le segment d'étanchéité :

Il assure l'étanchéité total des gaz en arretant ceux qui seraient passés par l'ouverture du segment de feu.

3. Le segment racleur :

(Que sur les 4T) Il assure l'étanchéité côté huile, il doit "racler" l'huile des paroies du cylindre et la rejeter dans le carter d'huile du vilebrequin.


A. Le Piston
B. Les Segments
C. La Bielle
D. L'axe du Piston

LA BIELLE :

1. Définition :

La bielle relie le piston au vilebrequin. Ensemble, ils transforment le mouvement linéaire (va et viens du piston) en un mouvement rotatif.

Une bielle est composée :
.d'une tête relié au vilebrequin,
.d'un pied relié a l'axe du piston,
.d'un corps qui relie la tête et le pied,
ainsi que de coussinets ou de roulements situés dans la tête et le pied pour réduire les frottements et faciliter le mouvement rotatif.

2. Types de bielles :


a) bielles monoblocs
Bielles qui est d'une seule pièces, nécessite l'utilisation d'un villebrequin démontable.

b) bielles assemblées
La bielle est en deux parties, la tête dispose d'un "chapeau" qui sera maintenu par des vis et/ou boulons. Une bielle assemblée permet l'utilisation d'un villebrequin monobloc et facilite les interventions sur les pieces en mouvements.


c) bielles fendues
Méthode peu répendue, la bielle principale est fendu au niveau de la tête pour permettre à la bielle secondaire de s'accoupler au même maneton du villebrequin. (harley-davidson, indian)


d)Longueur de bielle
La longueur de la bielle dépend de la course du piston (distance qu'il va parcourir sur 1 descente) et la distance entre l'axe du villebrequin et le maneton ou la bielle s'accroche. En pratique un moteur avec des bielles longues favorise le couple, alors qu'un moteur à bielles courtes favorisera le régime de rotation (puissance)


3. Contraintes :

La composition, la longueur et la forme d'une bielle dépend des contraintes quelle va endurer.
Elle va subire des tractions, des compressions, de la flexion et aussi des contraintes thermiques : le pied, au niveau du piston, subi de très fortes températures alors que la tête se trouve lubrifiée et donc refroidie par le bain d'huile au niveau du villebrequin.

Pour supporter ces contraintes, la bielle est construite dans un matériaux très résistant (même du titane en compétition), on pour la plupart un profil en I, et parfois un nervurage qui renforce la tête et le pied.

La différence de taille entre la tête et le pied est due principalement aux frottements qui sont beaucoup plus présent sur la liaison bielle/maneton du villebrequin qu'au niveau bielle/axe du piston.

4. LIAISONS :

Coussinet ou bague :
La plus répandue est la méthode des deux demi-coussinets avec une bielle assemblée pour la tête et une bague pour le pied.

Si la bielle est monobloc il faudra alors utiliser une bague pour la tête et pour le pied. Le matériaux utilisé doit avoir un faible coéficient de friction (reduire les frottements et faciliter le mouvement de rotation de la tête sur le maneton du villebrequin).
Il faut toutefois assurer une lubrification optimale des coussinets ou bagues.

Roulement à rouleaux ou aiguilles :
réduisent un peu plus les frottements que les bagues et nécessite moins de lubrification. Par contre ne peuvent etre monté que sur les bielles monoblocs, ce qui impose le villebrequin démontable.
Une technique couteuse qui n'est plus obligatoire grace aux progres de fabrication actuels.

LE VILEBREQUIN :

1. Définition :

Le vilebrequin donne le mouvement rotatif nécessaire au moteur. Il est relié à la bielle (qui est elle même reliée au piston) qui lui transmet un mouvement alternatif.
C'est donc le vilebrequin qui va entraîner tout les éléments du moteur qui ont besoin d'un mouvement rotatif comme :
- la transmission primaire (chaine de distribution ou cascade de pignon ou courroie, arbre a cames...)
- les pompes (à eau; à huile)
- l'alternateur
- éventuellement les contre-arbres d'équilibrage.

2. Composition d'un vilebrequin :

Le vilebrequin est composé de :
a) les portées : axe de rotation qui repose sur les paliers du carter moteur.
b) les masses : assure la liaison entre les portées et les manetons, permettent au vilebrequin de passer les temps morts (sans "explosion") du moteur grâce à son inertie.
c) les manetons : liés aux têtes de bielles
d) les queues de vilebrequin : c'est l'extrémité du vilebrequin, elle peut comporter des roues crantées qui entraînerons les autres éléments du moteur.

Exemple :
monocylindre = 2 masses + 1 maneton + 2 portées

bi-cylindres en V = 2 masses + 1 manetons + 2 portées

bi-cylindre en V = 3 masses + 2 manetons + 2 portées.

3. Les différents types de vilebrequin :

a) le vilebrequin assemblé :
il y a deux possibilité, soit tous les éléments du vilebrequin sont fabriqués indépendament et ensuite assemblés soit une masse et une portée ou un maneton peuvent être fabriqué d'une pièce et ensuite assemblé. Les assemblages se font généralement à la presse.

avantage :
utilisation de roulements (meilleure lubrification) et de bielles monoblocs.
inconvénient :
moins rigide et alignement moins précis qu'avec un vilebrequin monobloc.

b) le vilebrequin monobloc :

En général ils sont réalisé par forgeage (l'usinage complet d'un vilebrequin restant excessivement cher).
Par contre l'utilisation d'un vilebrequin monobloc impose le montage de coussinets et de bielles assemblées.

4. L'équilibrage du vilebrequin :
Un vilebrequin doit être équilibré de façon statique et dynamique. c'est à dire :

équilibrage statique : quelquesoit la position du vilebrequin sur son axe, il doit être au repos (immobile) l'idéale etant d'avoir un équilibrage avec un vilebrequin équipé des bielles, axes et pistons.

équilibrage dynamique : 2 types de forces sont provoquées par les pièces en mouvement liées au vilebrequin : les forces centrifuges et les forces alternatives qui provoquent les vibrations.

Pour diminuer ces vibrations, on joue sur le poids et la forme des masses.

LA SOUPAPE :

1. Type de soupapes:
elle sont de deux type :
-soupapes d'admission (A)
-soupapes d'echappement (B)


La soupape d'admission [A] permet aux gaz frais [C] (essence + air) de rentrer dans la chambre de combustion depuis le carburateur ou l'injecteur.
La soupape d'echappement permet aux gaz brulés [D] de sortir de la chambre de combustion vers l'echappement.

Les soupapes doivent rester fermées pour assurer l'étanchéité de la chambre de combustion lors des phases de compression et combustion des gaz frais.

2. composition d'une soupape :


La tête [A]: sa forme permet d'assurer l'étanchéité requise. la tête des soupapes d'admission sont de plus gros diamètre que celles d'echappements.
La tige : coulissant dans les guides de soupape (eux même fixés sur la culasse) elle permet de guider la soupape lors de son mouvement alternatif d'ouverture et de fermeture.
[b]La queue [C]: partie finale de la tige. Dispose d'une gorge qui permet de relier la soupape avec le dispositif qui declenche la fermeture de la soupape.
Le collet [D]: c'est le renfort entre la tête et la tige.

3. les contraintes

les soupapes doivent résister a trois types de contraintes :
- les frottements de la tige contre le guide soupape.
- les chocs dûent à la fermeture de la soupape contre son siège.

Aujourd'hui la plupart des culasses ont des sieges rapportés en alliage (bronze, acier...matériaux dur) pour éviter que les chocs n'abiment la surface et lui fasse perdre son étanchéité.

ex : à 10000tr/mn la soupape se ferme 85 fois par seconde, ce qui donne autant de chocs entre la soupape et le siege.
- chimique : les soupapes doivent résister à l'essence et à ses additifs, aux lubrifiants et aux gaz brulés.

4. pièces annexes de fonctionnement :
- sièges de soupapes
- guide de soupapes
- ressort de soupapes (sauf sur le système desmodromique)

Système "Classique"
[A] : Arbre à cames
[B] : Coupelle de pression
[C] : Ressort de fermeture
[D] : Guide de soupape
[E] : Soupape d'echappement
[F] : Soupape d'admission


Système Desmodromique
[A] : Arbre à cames
[B] : Linguet d'ouverture
[C] : Linguet de fermeture
[D] : Siège de soupape
[E] : Guides de soupape

Question sur la distribution variable !?!
Il existe des poulies d'arbres à cames ( OHC) avec des degrés différent du point de calage , avec de +- 1° à +- 4° , donc avec soit de 1 à 4° d'avance ou 1 à 4° de retard part rapport au PMH ....
Ma question est : quel serait le meilleur pour gagner en couple à bas régime ??? et quel autre pour gagner en puissance donc en tour/min .....????
( Il existe un Kit de 4 poulies interchangeables ), j'aimerais avoir l'avis d'un connaisseur , avant de faire une dizaine de montage-démontages pour trouver le bon compromis .....LOL