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Le cycle 4 temps



par François Dovat

ESSENCE :

Admission (A) : La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air (moteur à injection) – ou le mélange carburé – par la soupape d'admission ouverte. L'essence est injectée (moteur à injection). La soupape ne se referme que lorsque le piston remonte déjà car la colonne gazeuse, emportée par son inertie continue d'affluer dans le cylindre.

Compression (B) : Le mélange est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent respectivement plus de 400°C et 10 à 15 bar.

Combustion (C) : Le mélange est enflammé par une étincelle produite par la bougie. La combustion produit une forte élévation de la température et de la pression. La flamme peut se propager jusqu'à plus de 100m/sec avec une température de 2000 voire 2500°C. La pression atteignant couramment 60 bars repousse violement le piston. La soupape d'échappement commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le cylindre et faciliter le retour du piston.

Echappement (D) : Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est utile parce que leur ouverture totale nécessite un certain temps; il permet un meilleur remplissage, particulièrement à haut régime.

En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme d'essence nécessite 14,7 grammes d'air (proportion stoechiométrique). Si le rapport air/essence est inférieur à 14,7 :1, le mélange est dit "riche"; les émissions de CO et d'imbrûlés sont accrues, les chambres de combustion s'encrassent et les parois des cylindres peuvent être lessivées. A l'inverse, si le rapport air/essence est supérieur à 14,7:1, le mélange est dit "pauvre". La propagation de la flamme est ralentie et la combustion peut aller jusqu'à se poursuive pendant toute la phase d'échappement ce qui provoque des contraintes thermiques anormales, particulièrement sur les soupapes d'échappement. La fourchette admissible se situe entre 12:1 et 15:1. (Voir notre dossier "L'injection directe d'essence").

DIESEL :

Admission (A) : La descente du piston produit une dépression qui aspire l'air par la soupape d'admission ouverte (moteur à aspiration naturelle). Toutefois, la quasi-totalité des diesels sont aujourd'hui turbosuralimentés et dans ce cas l'air est donc refoulé sous pression dans le cylindre.

Compression (B) : L'air est comprimé par le mouvement ascendant du piston, les deux soupapes étant fermées. La température et la pression en fin de compression atteignent des valeurs de 600 à 700°C sous 50 à 60 bars car le taux de compression (rapport des volume cylindre+chambre de combustion au PMB et PMH) d'un diesel est beaucoup plus élevé que celui d'un moteur à essence. L'injection du gazole commence en fin de compression et le combustible s'enflamme spontanément après un délai que l'on s'efforce de réduire au minimum. En effet, pendant ce délai, le gazole continue d'être injecté et plus il y a de carburant dans la chambre lors de l'inflammation, plus l'augmentation de pression sera brutale. Le délai diminue avec la température en fin de compression et c'est pourquoi les diesels claquent à froid.

Combustion (C) : L'injection continue encore jusqu'à une vingtaine de degrés de vilebrequin après le PMH. La température monte à ~ 2000 °C. Une pression pouvant dépasser les 150 bars chasse le piston vers le point mort bas (PMB). La soupape d'échappement commence à s'ouvrir en fin d'expansion pour diminuer la pression dans le cylindre et faciliter le retour du piston.

Echappement (D) : Le nouveau mouvement ascendant du piston pousse les gaz de combustion dans l'orifice ouvert par la soupape d'échappement et les chasse du cylindre. Ce dernier accuse alors une légère surpression. Vers la fin de l'échappement, la soupape d'admission commence à s'ouvrir, celle d'échappement ne se refermant complètement qu'après le commencement de l'admission. Ce croisement de l'ouverture des soupapes est utile parce que leur large ouverture nécessite un certain temps; il permet un certain balayage de la chambre de combustion et un meilleur remplissage.

En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme de gazole nécessite 14,4 gr d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections perfectionnées, les micro-gouttelettes de carburant ne peuvent être pulvérisées suffisamment finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre englobe plus de 70000 milliards de molécules ! On est donc contraint d'adopter une combustion sous un important excès d'air par rapport à la valeur théorique de 14.4:1, ceci afin d'obtenir une consommation, des contraintes thermiques et des émissions de fumée à l'échappement acceptables.

Sur un diesel, contrairement à un moteur à allumage commandé (moteur à essence) la quantité d'air admise est constante quelle que soit la charge et seule la quantité de fuel injecté varie. Il n'y a donc pas de papillon d'admission. Le coefficient d'excès d'air de combustion diminue avec la charge et la valeur minimum acceptable de ce coefficient limite la pression moyenne et le couple développé. La turbosuralimentation permet d'augmenter la masse d'air admise et de brûler plus de fuel à coefficient d'excès d'air identique, voire supérieur. Le diesel suralimenté peut conserver un taux de compression suffisamment élevé pour que son rendement thermodynamique ne chute guère, contrairement au moteur à essence qui est soumis aux limites de détonation et de cliquetis.

(© François Dovat)
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