Technique : Le moteur à deux temps

On dit qu'un moteur alternatif à combustion interne fonctionne selon un cycle à deux temps lorsqu'un cycle complet de travail s'effectue en deux courses du piston, soit un tour de vilebrequin.

Bien que le terme « deux-temps » évoque surtout un moteur à essence, il faut souligner que certains diesels fonctionnent aussi selon ce principe. Au niveau du fonctionnement, il n'existe pas de distinction fondamentale entre un deux-temps et un quatre-temps puisqu'on y retrouve les quatre phases classiques (admission, compression, détente, échappement), mais agencées de façon différente :

l'échappement et l'admission dans le cylindre sont simultanés et se situent entre la fin de la détente et le début de la compression (lorsque le piston est près du point mort bas).

La caractéristique qui différencie radicalement le deux-temps du quatre-temps concerne l'utilisation des gaz frais pour chasser les gaz brûlés.

Pour réaliser cette phase, appelée balayage. il faut comprimer les gaz frais. Ceci peut être réalisé par un compresseur extérieur ou par un carter- pompe. Signalons, enfin, que le fonctionnement de ces moteurs n'exclut pas l'utilisation de soupapes (commandées ou automatiques). Celles-ci furent d'ailleurs souvent utilisées sur les premières réalisations pour l'admission, spécialement sur les gros diesels deux-temps marins.

Historique

Le premier moteur deux-temps fut construit en 1860 par Lenoir. Il s'agissait d'un groupe fixe fonctionnant au gaz d'éclairage. Il n'existait pas de phase de compression avant l'allumage.

La formulation du cycle est due à l'Anglais Dugald Clerk, qui se proposait. en 1879. de réaliser en un tour de vilebrequin ce que le quatre temps réalisait en deux tours. En 1880, il mit au point un premier moteur fonctionnant au gaz qui possédait un cylindre-moteur et un cylindre- pompe, la distribution étant commandée par tiroir.

De son côté, Karl Benz étudia de 1878 à 1880 un moteur à gaz à compression dans le carter. mais son fonctionnement incertain fit qu'il abandonna les recherches. Quelques années plus tard, en 1890, les constructeurs anglais Day and Sons construisaient le premier moteur sans soupape à carter-pompe et pistons à déflecteurs, qui peut être considéré comme le premier deux-temps moderne.

Le haut régime de rotation de ces moteurs leur procurait - théoriquement - un avantage sur les quatre-temps ; pourtant leur développement stagna de longues années, jusqu'au début du vingtième siècle. Les applications se multiplièrent alors sur les motocyclettes (surtout les petites cylindrées).

Pour les automobiles, il fallut attendre 1920 et les réalisations des Français René Cozette et Marcel Violet. Vers cette époque, de nombreuses unités motrices furent réalisées selon le cycle à deux temps. Sur ces gros diesels fixes, l'alimentation était à injection et une pompe extérieure assurait le balayage. Après la Seconde Guerre mondiale, le deux- temps contribua au succès de plusieurs firmes automobiles allemandes (D.K.W.) ou tchécoslovaques (AERO-MINOR).

Le balayage fut perfectionné (système Schnürle) et de nombreux brevets furent déposés. On assista également à des tentatives d'application sur des voiturettes économiques en France (De Rovin), en Angleterre (Bond), en Allemagne (Messerschmitt) et en Italie (Vespa 400). Aujourd'hui, si le deux-temps a pratiquement disparu du domaine automobile, il a , en revanche, envahi le monde motocycliste, et en particulier cyclomotoriste, où la conception générale du moteur autorise un prix de revient satisfaisant.

Signalons, enfin, le vaste domaine d'application constitué par les moteurs hors-bord et par ceux destinés à l'agriculture (petites unités motrices transportables), où, en particulier, le faible poids et la possibilité de fonctionner dans n'importe quelle position sont des facteurs déterminants d'adoption (tronçonneuses).

Le cycle à deux temps

Pour sa définition, nous considérons un moteur élémentaire à trois lumières et à carter-pompe. Les lumières sont des orifices percés dans le cylindre et par lesquels s'effectuent l'admission et l'échappement des gaz . Elles sont découvertes par le piston durant sa course.

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. au P-M-B

Premier temps. Dans sa course ascendante, le piston ferme la lumière de transfert terminant la précédente phase de balayage (admission dans le cylindre), puis la lumière d'échappement. A partir de cet instant, la compression commence. Parallèlement, la lumière d'admission est découverte et, sous l'effet de la dépression créée par la montée du piston, le mélange frais est aspiré dans le carter. Ce premier temps cumule donc les phases d'échappement-admission (balayage) et de compression sur 180° de rotation du vilebrequin.

Second temps. Durant sa course motrice, le piston 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, quelques degrés avant le P-M-B, la lumière de transfert est libre, ils sont admis dans le cylindre et balayent les gaz brûlés. Ce second temps réunit les phases de détente et d'admission-échappement (balayage).

Particularités de certains organes

L'élément distinctif du deux-temps, par rapport au quatre-temps, est sa distribution simplifiée (ni culbuteurs, ni soupapes, ni arbre à cames). Ce sont surtout les organes fixes qui différent.

Le cylindre :

Rappelons que ses parois sont percées d'orifices appelés lumières. On distingue, du même côté, les lumières d'admission et d'échappement et, en face, la lumière de transfert, en communication avec le carter. Pour les problèmes soulevés par le dimensionnement des lumières se reporter à l'article lumière.

Le carter :

Il doit être étanche, dans le cas d'un carter-pompe, et présenter un minimum d'espace mort. Les carters-pompes enveloppent la trajectoire du vilebrequin. S'il existe plusieurs cylindres, on prévoit un carter par cylindre.

Le piston :

La longueur de sa jupe est relativement importante. Sa tête dépend du système de balayage choisi. 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.

L'embiellage :

Par suite du système de graissage particulier, il est monté sur roulements à aiguilles.

Les aspects du fonctionnement

Le fonctionnement d'un deux-temps, s'il peut sembler a priori facile, soulève un certain nombre de problèmes qu'une multitude de brevets a tenté de résoudre. On en étudiera les aspects les plus importants :

- le remplissage du carter, le balayage, le graissage. etc., et les solutions qui y ont été apportées.

- le remplissage du carter

- le rendement d'un carter-pompe est très faible à cause de l'important volume mort nécessité par la présence de l'embiellage. De ce fait, le remplissage du carter ne peut être parfait.

Par ailleurs, le système d'ouverture de la lumière d'admission par le piston a l'inconvénient de donner des angles d'ouverture et de fermeture symétriques par rapport au point mort haut. Si, pour corriger le remplissage, on veut donner de l'avance à l'ouverture, on crée automatiquement un retard à la fermeture qui peut être néfaste.

La fermeture de l'admission 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. Cette condition d'équilibre varie en fonction du régime ; en conséquence, le dimensionnement de la lumière d'admission dépendra du régime d'utilisation moyen choisi.

Pour les autres régimes, le remplissage sera donc théoriquement incorrect. Certains constructeurs prévoient parfois des lumières de formes trapézoïdale ou triangulaire.

La plus petite section étant à la base du cylindre, cette solution assure une certaine souplesse de fonctionnement. Mais, pour remédier à cet inconvénient, on peut aussi utiliser des soupapes automatiques (à dépression) ou commandées. Elles permettront d'adapter la durée de l'admission au régime moteur.

- Les soupapes : de forme classique, utilisées au début du deux-temps, elles ont été aujourd'hui remplacées par des lames d'acier ou de matière plastique (admission à clapet). Signalons aussi l'existence de systèmes mixtes, où, à côté de l'aspiration contrôlée par la montée du piston, un clapet à lame assure la charge du carter avant que la lumière d'admission n'ait été découverte par le piston.

- Le distributeur rotatif : il offre aussi une solution intéressante. Son mouvement est indépendant du mouvement alternatif du piston, ce qui élimine la symétrie (ouverture-fermeture par rapport au P.M.H.). Ce principe était déjà connu dans les années vingt, comme en témoignent de nombreux brevets et réalisations de cette époque.

On distingue les tiroirs cylindriques - abandonnés aujourd'hui - et les disques rotatifs. Ces derniers sont employés actuellement en compétition motocycliste. Ils ont été préférés, à partir des années cinquante, en raison de leur simplicité de fabrication et de leur graissage facile. Ce système permet également l'utilisation de conduits d'admission rectilignes et de fortes sections.

En dehors de la compétition motocycliste, la diffusion des distributeurs rotatifs a été très réduite. Les moteurs automobiles sont restés fidèles à l'aspiration par lumière, tandis que les hors-bord préférant l'admission par clapet. Signalons aussi sur certains moteurs le remplacement du carter-pompe par une pompe rotative extérieure, système qui offre un gain de puissance appréciable à cause de son meilleur rendement et qui permet de réduire la perte de puissance résultant de la pré compression des gaz dans le carter.

Quelques moteurs furent aussi équipés d'un système d'injection de carburant. Cette dernière solution offre les mêmes avantages que la précédente. Elle fut utilisée avec succès sur les voiturettes allemandes Goliath et Gutbrod.

Le balayage

Cette phase, qui correspond au refoulement des gaz brûlés par les gaz frais, est déterminée par la hauteur des lumières de transfert et d'échappement. En fonction de la disposition des lumières d'admission et de l'allure des courants de balayage dans le cylindre, on peut en distinguer quatre types :

- Le balayage à courant transversal. Retenu pendant plus de trente ans sur la quasi-totalité des réalisations, il est caractérisé par la position de la lumière d'admission, dans le carter, en face de la lumière d'échappement. Le piston possède un déflecteur qui, durant le transfert, dévie les gaz frais vers le haut du cylindre. Le poids élevé du piston, la forme peu rationnelle de la chambre de combustion et le caractère incertain de la trajectoire suivie par les gaz frais ont fait abandonner ce système, auquel on préfère aujourd'hui le balayage tangentiel.

- Le balayage inversé. Peu connu. utilisé presque exclusivement par la firme allemande M.A.N. dans ses gros moteurs Diesel, il est caractérisé par la disposition des lumières de transfert et d'échappement : les unes au-dessus des autres (donc inversées par rapport aux deux-temps classiques). Le courant de balayage passe sur la tête du piston. puis remonte vers la culasse. Dans certains cas. les lumières sont disposées sur toute la circonférence du cylindre ; le courant suit alors une trajectoire ascendante dans l'axe même du cylindre et redescend par les parois vers les lumières d'échappement.

- Le balayage à équicourant. C'est théoriquement le schéma le plus correct, car il évite les inversions de flux dans le cylindre. Il est utilisé en particulier dans les diesels de grande puissance, équipés de soupapes en tête et de pompe de balayage extérieure. Pour les petits moteurs à carter- pompe, cette solution suppose le dédoublement du cylindre, adopté dés les années vingt sur les motocyclettes Garelli et repris ensuite par Puch. D-K-W-, T.W.N. et d'autres marques, sous des formes différentes. Ces moteurs possédaient deux cylindres à chambre de combustion commune.

Un piston découvrait l'admission et l'autre l'échappement. Dans toutes ces réalisations, un léger décalage entre les mouvements des pistons permettait de donner une certaine avance à l'ouverture et à la fermeture de l'échappement.

Le balayage à équicourant fut abondamment utilisé dans les années précédant la Seconde Guerre mondiale. Plus tard, les progrès du balayage tangentiel, plus économique et plus adapté aux régimes élevés des moteurs modernes, firent abandonner cette solution.

Pourtant, le balayage à équicourant avait l'avantage de permettre des puissances spécifiques élevées et des consommations exceptionnellement réduites pour un deux-temps.

La Fiat bicylindres 1500 cm3 de 1925, à douze pistons opposés, aurait pu parvenir à des résultats intéressants si la firme n'avait pas décidé, deux ans plus tard, de se retirer de la compétition. Mentionnons enfin le premier moteur d'avion Junkers réalisé après la Première Guerre mondiale : le Jumo 205, qui avait une consommation spécifique inférieure à 180g/ ch par heure.

- Le balayage tangentiel. Expérimenté par l'Allemand Schnürle dans les années trente, il se caractérise par le dédoublement du canal de transfert. Les deux courants de gaz se rencontrent le long de la paroi opposée à l'échappement et remontent ensuite vers la culasse. Ce système permet d'utiliser des pistons plats et il assure un meilleur balayage. Les gaz frais étant au contact des parois, on évite ainsi tout mélange avec les gaz brûlés.

Perfectionné successivement, le balayage tangentiel s'est imposé sans doute parce qu'il était en mesure de conserver la simplicité caractéristique du deux-temps. Le balayage s'effectue grâce à la différence de pression entre le carter-pompe et le cylindre à l'ouverture de la lumière de transfert.

Lorsque le régime s'accroît, la durée de l'admission se réduit. Pour avoir un remplissage correct, il convient alors d'augmenter la différence de pression, ce qui ne s'obtient pas facilement. La solution consiste à réaliser une avance à l'ouverture des lumières d'échappement (pour abaisser la pression dans le cylindre au moment du transfert) et un retard à la fermeture de l'admission dans le cylindre.

Ne pouvant trop élargir les orifices à cause des risques d'accrochage des segments sur les bords de ceux- ci, on prévoit plusieurs lumières. Mais cette dernière solution ne suffit pas, à elle seule, pour assurer un rendement correct (ainsi, on augmente seulement le travail résistant en augmentant la pression de balayage, alors qu'il faut surtout s'attacher à la différence de pression).

Il reste à étudier un collecteur d'échappement accordé avec le régime moteur le plus utilisé. Toutes ces mesures, aujourd'hui courantes, permettent les puissances spécifiques élevées atteintes par les moteurs des motocyclettes de compétition.

Graissage et refroidissement.

Le graissage par mélange. C'est le système le plus simple. On incorpore au carburant une certaine quantité ainsi que les roulements du vilebrequin et des têtes de bielles. Son inconvénient principal réside dans l'absence de graissage lorsque le papillon des gaz est fermé.

Pour y remédier, il faut donc accélérer de temps en temps ou, alors, moyen adopté sur certains modèles (DKW F 102 ou premières Saab 96), monter une roue libre.

Moteur DKW 3-6 1949

Signalons enfin que le graissage par mélange provoque des dépôts de calamine dans la chambre de combustion, les lumières et la tête des pistons, dus à l'huile brûlée durant la combustion, et que ces dépôts nécessitent des nettoyages périodiques du moteur.

- Le graissage séparé. Il tend à se généraliser aujourd'hui sur les motocyclettes. Une pompe entraînée par le moteur met l'huile sous pression, et celle-ci est conduite aux points à lubrifier par un réseau de canalisations. Le débit est régler par la poignée des gaz. Ce système entraîne une forte consommation d'huile.

En effet, le carter, généralement employé comme pompe, ne peut recueillir le lubrifiant utilisé, lequel est ainsi perdu.

La disposition des cylindres

Les moteurs les plus courants sont à deux, quatre ou six cylindres en ligne ou à plat. 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.

- Les moteurs en ligne :

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.

- Les moteurs à cylindres opposés :

Ils sont caractérisés par un carter-pompe unique. Cette disposition a été adoptée pour quelques moteurs de moto, à cause de la possibilité de monter des distributeurs rotatifs à l'extrémité du ou des vilebrequins.

- Les moteurs à pistons opposés :

Ils furent conçus par la firme allemande Junkers et destinés à des installations fixes et, plus tard, aux diesels routiers. Deux unités en ligne étaient accouplées, de telle sorte que l'une serve de culasse à l'autre. Le schéma original ne prévoyait qu'un seul vilebrequin, les pistons supérieurs étant commandés par deux longues bielles extérieures au moteur et articulées sur le vilebrequin. Avec cette disposition, où un piston commande l'échappement et l'autre l'admission, les gaz frais et les gaz brûlés ont un même sens d'écoulement.

Les avantages de ce système, par rapport à la solution en ligne, se trouvent dans la réduction de l'encombrement et des problèmes d'étanchéité.

- Les moteurs en V :

Des V 4 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, ce qui empêche de placer deux bielles par maneton. Par ailleurs, la conception du vilebrequin est complexe et les temps moteurs ne peuvent être distribués à des intervalles réguliers de rotation.

- Les moteurs en carré :

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

Avantages et inconvénients

Par rapport à un moteur à quatre temps, un moteur à deux temps présente certains avantages non négligeables :

- Une plus grande régularité du mouvement. Le couple est distribué de façon uniforme tous les 360° de rotation (pour un monocylindre), ce qui élimine le lourd volant moteur. Cette caractéristique permet également d'éviter un fractionnement trop poussé de la cylindrée. On peut concevoir un 1000 cm3 à deux ou trois cylindres ; de plus, du point de vue théorique, la puissance délivrée pour un régime donné devrait être le double de celle d'un quatre-temps. Mais cette remarque ne se vérifie que pour de gros diesels marins à pompe de balayage extérieure et soupape d'admission. Pour les groupes à balayage par carter-pompe, les pertes de gaz frais par la lumière d'échappement peuvent atteindre 50 %, ce qui pénalise lourdement la puissance délivrée. Dans ce second cas, les deux cycles sont équivalents, avec, peut-être, un léger avantage aux deux-temps si l'on prend comme référence deux moteurs de même cylindrée fonctionnant à un même régime.

- Un poids réduit et une simplicité de fabrication. On élimine en effet tout le système de distribution complexe, en revanche, la fabrication. si elle peut apparaître simple, doit être très soignée (dimensionnement des lumières) ; quant au système de graissage par mélange, il est également extrêmement simple.

- Un faible nombre d'organes en mouvement. Les inconvénients du deux-temps n'ont pas été, à ce jour, totalement éliminés : - Une consommation spécifique élevée. Une partie du mélange étant perdu à des fins de balayage, on prévoit une avance à l'admission qui, si elle réduit la consommation, grève la puissance (détente incomplète). Signalons qu'un balayage complet suppose, dans tous les cas, un excès de carburant : et notons également une forte consommation d'huile, quel que soit le système de graissage retenu.

- Un réglage difficile de la puissance. Sous faible charge, le deux-temps a tendance à boiter.

- Des difficultés de refroidissement pour des puissances spécifiques élevées. Théoriquement. un deux-temps simple chauffe moins qu'un quatre temps : en effet, le piston et le carter se refroidissent à chaque cycle au contact des gaz frais : mais, compte-tenu du système de refroidissement par air. généralement employé, cet avantage est nul.

Deux-temps et compétition

Les raisons guidant le choix de l'un ou de l'autre cycle sont diverses et pas toujours logiques. Lorsque la puissance maximale, l'accélération, la souplesse et la possibilité de surrégimes éventuels sont prépondérants, le deux-temps est préféré.

Ainsi s'est-il imposé définitivement en compétition moto sur piste, en motocross ou, encore, en karting (où l'absence de boite de vitesses, imposée par les règlements, a pratiquement exclu le quatre temps).

Par contre, sur les voitures de compétition. le deux-temps, jusqu'ici très rare, a maintenant complètement disparu. Les puissances très élevées exigées aujourd'hui ne peuvent être atteintes qu'à de très hauts régimes. Or, l'expérience prouve que ces régimes ne sont possibles que pour des moteurs de faible cylindrée unitaire. Dans l'absolu, si l'on voulait tirer parti d'un 500 cm3 à deux temps, il faudrait bien huit cylindres.

Pour un moteur d'automobile, si l'on choisissait la formule du deux-temps, il faudrait concevoir des moteurs au moins à vingt-quatre cylindres! Il est évident que la complexité résultant de ce choix aurait une incidence négative sur le rendement. Enfin, il reste à considérer la consommation importante du deux-temps, laquelle obligerait à monter des réservoirs plus volumineux, donc plus difficiles à loger, ce qui annulerait, en particulier, l'avantage conféré par la réduction du poids du moteur.

Le deux-temps et l'automobile

L'application du deux-temps à l'automobile a toujours posé de sérieuses difficultés, car le poids réduit - principal atout - n'a ici qu'une incidence modeste sur le coût et le poids total du véhicule. En fait, on ne doit prendre en considération que les aspects suivants :

- la bonne distribution du couple, qui procure une souplesse d'utilisation ;

- l'irrégularité gênante du ralenti ;

- les fumées d'échappement (pollution) ;

- l'absence totale de frein moteur (concevoir un système de freinage puissant) (concevoir un système de freinage puissant) ;

- la consommation élevée : les courbes caractéristiques de consommation montrent que les conditions optimales ne se conservent que sur une plage de fonctionnement très restreinte.

Les normes antipollution sont peu avantageuses pour le deux-temps. Les émissions d'oxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés (les oxydes d'azote ne se forment pas à cause de la température plus basse du cycle) sont ici pratiquement incontrôlables. Toutefois, la difficulté peut être tournée si l'on adopte la solution coûteuse de l'injection directe après fermeture des lumières d'échappement.

Le graissage par mélange favorise aussi l'émission d'hydrocarbures imbrûlés. Cet inconvénient peut également être évité si l'on adopte un graissage sous pression comme celui utilisé sur les quatre-temps. Malheureusement, cette solution oblige souvent, pour un moteur d'automobile, à renoncer au carter-pompe.

Pour satisfaire aux normes, il faudrait donc construire des moteurs nouveaux (avec injection, pompe de balayage séparée, graissage sous pression et catalyseur d'échappement). Cette solution, qui apparaît coûteuse par rapport au moteur automobile classique, n'a pas encore été tentée.