Technique : Le moteur quatre temps

En 1862, Etienne Lenoir met au point le premier véhicule "auto-mobile" mu à l'aide d'un moteur à combustion interne ( qui brûle le mélange air/carburant à l'intérieur de ses cylindres) Bien que ce soit Benz qui, en 1885 commercialisa la première automobile, c'est à Etienne Lenoir qu'on doit la mise au point de ce premier moteur.

Le principe

Un moteur est une boite étanche, creusée de plusieurs puits appelés cylindres dans lesquels montent de manière étanche des pistons métalliques. Ce mouvement de va et vient entraîne une manivelle (le vilebrequin) qui communique ensuite son mouvement rotatif à un arbre de transmission qui, lui même va communiquer sa rotation aux roues motrices.

Les quatre temps

L'essence arrive en haut des cylindres mélangée à de l'air grâce au carburateur. c'est le premier temps : l'admission.

Le mélange explosif se trouve maintenant en haut du cylindre, dans la chambre de combustion. Le piston, entraîné par le mouvement du moteur, comprime le mélange. C'est le deuxième temps : la compression.

A un moment précis (voir plus loin) la bougie produit une étincelle qui enflamme le mélange. C'est le troisième temps :l'explosion.

Le piston est alors violemment repoussé. Les gaz résiduels de l'explosion sont chassés vers l'extérieur du moteur. C'est le quatrième et dernier temps:l'échappement

Ce cycle recommence immédiatement et se produit plusieurs milliers de fois par minute.

Un principe simple...mais une mise en oeuvre délicate !

Comme on le voit, le principe de fonctionnement du moteur à 4 temps est facile à comprendre. Cependant, les différents réglages nécessaires à chaque étape sont assez complexes et nécessitent un certain nombre de pièces et d'accessoires annexes indispensables au fonctionnement du moteur. Nous allons les passer en revue en commençant par ceux qui concernent l'admission, c'est à dire le premier temps.

Le carburateur - l'admission

Le carburant est comme chacun sait contenu dans le réservoir de la voiture. Une pompe (la pompe à essence) est chargée d'amener ce carburant jusqu'à l'entrée du carburateur. Il s'agit le plus souvent d'un petit appareil mécanique très simple, fonctionnant par dépression (aspiration) qui est entraîné par le mouvement du moteur. (Sur certaines voitures haut de gamme ou de compétition, cette pompe est parfois électrique)

Après être passée par un filtre destiné

à retenir les impuretés, l'essence arrive dans le carburateur. (voir ci-contre)

Dans le carburateur, l’essence arrive sous pression et passe ensuite à travers de fins gicleurs qui la pulvérisent.

L’air arrive quant à lui par l’intermédiaire d’un filtre.

L’entrée de l’essence dans le moteur se fait à travers la pipe d’admission qui se trouve à la sortie du carburateur.

La vue ci dessus présente « le fond du carburateur ». On aperçoit les fixations de la pipe d’admission.

Le débit de l’essence est commandé par la pédale d’accélérateur elle-même reliée au papillon des gaz.

Plus ce papillon s’entrouvre, plus l’arrivée d’essence est importante et plus le moteur tourne vite.

Là encore le principe est simple mais les réglages de carburation sont parmi les plus compliqués qui soit. Il faut en effet que le carburateur travaille sans à-coups, consomme le minimum, mélange l’air et le carburant en quantités précises, fournisse ensuite la dose exacte de mélange nécessitée par le moteur.

Il faut en outre que lorsqu’ on n’accélère pas, le moteur tourne quand même à faible vitesse. Ce rôle est assuré par les gicleurs de ralenti qui fournissent en permanence une petite quantité de mélange, juste nécessaire à maintenir le moteur en fonctionnement. La précision des mécanismes et la finesse des orifices des gicleurs font du carburateur une pièce fragile nécessitant les plus grands soins. La moindre impureté solide suffit en effet à obstruer un gicleur et à provoquer d’importants dysfonctionnements.

Aujourd’hui, pour des raisons de consommation, de pollution et de fiabilité, les carburateurs sont peu à peu abandonnés au profit des systèmes d’injection qui permettent à l’essence d’être envoyée directement en haut des cylindres grâce à une pompe haute pression couplée à une gestion électronique qui optimise l’admission.

La compression

Le deuxième temps du cycle est le moins spectaculaire. En fait, emporté par la rotation du volant moteur, les pistons poursuivent leur course et remontent dans les cylindres comprimant ainsi le mélange qui vient d'y être admis.

Sur la coupe verticale ci-contre, on remarque, au sommet du cylindre, les soupapes d'admission et d'échappement fermées pendant cette phase.

Elles le resteront jusqu'à la fin de la phase suivante (explosion) Cette synchronisation est obtenue grâce à l'arbre à cames (deux sur le modèle présenté ici). Cet arbre, pièce éminemment importante agit sur des poussoirs qui lèvent ou ferment les soupapes selon la phase du cycle. L'arbre à came peut être "en tête" (dans ce cas il agit directement sur les soupapes) ou latéral (dans ce cas il agit sur des tiges de culbuteurs qui, à leur tour, ouvrent et ferment les soupapes)(voir ci dessous)

L'arbre à cames est calé avec beaucoup de précision (1/10e de degré). Son entraînement est assuré par la courroie de distribution située à l'extérieur du moteur. Cette courroie de caoutchouc (autrefois chaîne métallique) doit être surveillée et remplacée régulièrement. Sa rupture stopperait la rotation de l'arbre à cames et les pistons viendraient brutalement heurter les soupapes laissées fermées... Autant dire que le moteur serait hors d'usage..

L'explosion

L'explosion du mélange est provoquée par l' étincelle électrique des bougies situées au sommet du cylindre. Bien entendu, les quatre bougies d'un moteur à quatre cylindres ne fonctionnent pas simultanément! Elles s'allument selon un ordre bien précis commandé par ce qu'on appelle le "Delco" ou la tête d'allumeur. Le Delco n'est en fait qu'un interrupteur mobile qui tourne à la vitesse du moteur. A l'aide des "vis platinées", il ouvre et ferme le circuit électrique qui produit les étincelles. Quand les "vis platinées" sont en contact, la bougie s'allume.

4 fils, capables de supporter de très hautes tensions, sortent du Delco et aboutissent aux bougies.

Cette tension est produite par la bobine située dans le compartiment moteur.

La synchronisation de l'ouverture et de la fermeture du circuit électrique est commandée par une came située à l'intérieur de la tête d'allumeur.

Sur le Delco, un système à dépression relié au carburateur, modifie l'instant de l'étincelle pour l'accorder parfaitement avec le rythme du moteur. On appelle ce système l'avance. Le courant automobile est de type continu (par opposition à alternatif). Un seul fil suffit à le conduire car l'astuce à consisté à relier l'ensemble des pièces métalliques de la carrosserie au pôle - de la batterie (la masse). Tout objet métallique relié au châssis a donc une phase du courant (le négatif). Pour alimenter un appareil ou une ampoule relié au châssis, le seul fil utile est donc le fil conduisant le positif.

Les bougies sont à la masse par leur corps, l'électrode conduisant le positif est isolée par de la porcelaine.

Le système d'allumage est lui aussi fragile. Il est comme tout appareillage électrique sensible à l'humidité et aux fuites de courant.

L'échappement

Phase ultime du cycle à quatre temps, l'échappement est l'évacuation des gaz résiduels de l'explosion à l'intérieur du cylindre.

Comme toute combustion, l'explosion du mélange air-essence produit des résidus carbonés et de la vapeur d'eau.

En raison de la parfaite étanchéité du moteur, ces gaz doivent être évacués à la fin de chaque cycle car leur présence dans le cylindre empêcherait rapidement tout mouvement du piston. Pour cela, l'arbre à cames commande l'ouverture des soupapes d'échappement qui communiquent avec le collecteur d'échappement puis avec le pot lui-même.

Il faut noter que cette phase du cycle est loin d'être anodine. La configuration du collecteur, la forme des tubulures, la qualité de leurs surfaces intérieures ont une très grande importance dans l'écoulement des gaz.

Cet écoulement peut considérablement faire varier la puissance du moteur. C'est un point très étudié sur les véhicules sportifs.

Il faut également savoir que la réaction chimique qui accompagne l'échappement est très fortement amplifiée par les températures extrêmes auxquelles elle se produit (>1500°). Pas difficile de comprendre alors à quelles contraintes est soumise la ligne d'échappement. Le très haut pouvoir corrosif des gaz et leurs capacité à se dissoudre partiellement dans la vapeur d'eau créent un mélange très agressif qui vient rapidement à bout, par oxydation, des lignes d'échappement en acier standard.

Pour ces mêmes raisons, il est à craindre qu'une voiture qui roule peu voit sa ligne d'échappement se corroder encore plus vite. Le mélange non évacué va stagner dans les différents silencieux où son pouvoir d'oxydation va agir sur de longues périodes.