cycle

Succession des phases évolutives de la masse gazeuse à l’intérieur d’un des cylindres d’un moteur thermique pendant la durée d’une combustion.

Le cycle de Beau de Rochas

En 1862, l’ingénieur français Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) breveta le cycle qui porte son nom et sur lequel est fondé le fonctionnement du moteur à explosion. Il détermina quatre phases.

• Admission. La soupape d’admission est ouverte et le piston en haut de sa course au point mort haut. En descendant dans le cylindre, il aspire le mélange gazeux carburé qui provient du carburateur. Lorsqu’il parvient au point le plus bas de sa course, ou point mort bas, la soupape d’admission se ferme.

• Compression. En remontant dans le cylindre, le piston comprime le mélange gazeux dans la culasse du moteur, de manière à l’amener dans des conditions de pression et de température favorables à la combustion.

• Combustion. Lorsque le piston est au point mort haut, le mélange gazeux est enflammé par une étincelle électrique. Sa pression s’élève très rapidement, puis les gaz, en se détendant, poussent le piston vers son point mort bas, ce qui donne une impulsion motrice au vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle.

• Échappement. Lorsque le piston arrive au point mort bas, la soupape d’échappement s’ouvre et le piston, en remontant vers son point mort haut, chasse les gaz brûlés, qui s’échappent dans l’atmosphère. La pression tombe subitement à la pression atmosphérique. Le cycle est accompli pour deux tours du vilebrequin, mais son diagramme n’est que théorique et il subit pratiquement un certain nombre d’altérations.

Amélioration du cycle théorique

Les remarques ne sont valables que dans le cas d’un moteur à distribution par soupapes où les quatre phases sont séparées par l’action du fond du piston.

• Admission. Au début de cette phase, la pression interne est supérieure à la pression atmosphérique, mais le mélange gazeux aspiré étant freiné par le carburateur, la tuyauterie d’admission et la soupape, la cylindrée n’est pas totalement remplie. Le vide partiel qui en résulte crée une dépression dans le cylindre et la pression est finalement inférieure à la pression atmosphérique. Cette dépression varie proportionnellement à la vitesse de régime et à la position qu’occupe le papillon dans le corps du carburateur. Pour assurer un meilleur remplissage, on donne de l’avance à l’ouverture de la soupape d’admission et du retard à sa fermeture.

• Compression. Le mélange gazeux est comprimé dans le cylindre à partir du moment où la soupape d’admission est fermée et jusqu’à ce que le piston soit arrivé au point de sa course où l’on fait éclater l’étincelle d’allumage. La pression en fin de compression doit être le plus élevée possible. Elle dépend principalement du rapport volumétrique de compression

formule dans laquelle V représente la cylindrée unitaire, v le volume de l’espace mort délimité par la surface interne de la culasse et le fond du piston en position de point mort haut. Ce rapport doit être aussi grand que l’on peut le concevoir sans faire apparaître de détonation spontanée de la masse gazeuse, phénomène qui dépend de l’indice d’octane du carburant employé. Pratiquement, la pression en fin de compression, qui devrait être inférieure à celle qui est indiquée par le calcul en raison du mauvais remplissage de la cylindrée et du temps écourté pendant lequel la compression a lieu effectivement, lui est équivalente. La courbe de compression n’est pas rigoureusement adiabatique, car les gaz s’échauffent, en fin de compression, au contact des parois du cylindre, et cette hausse de la température provoque une élévation de la pression.

• Combustion. Celle-ci n’est pas instantanée et, pour compenser la perte de détente qui en résulterait, on donne une certaine avance à l’allumage, l’étincelle jaillissant avant que le piston n’ait atteint son point mort haut. À la détente, le rendement est d’autant plus élevé que le rapport de compression est plus grand, mais la propagation du front de flamme qui s’est formé aux électrodes de la bougie comprime devant lui la portion non brûlée du mélange. On peut même craindre une inflammation spontanée si la compression est trop forte. Pour éviter ce grave inconvénient, on choisit un carburant à haut indice d’octane et on accélère la vitesse de propagation de la flamme avec des culasses spéciales dont la forme favorise la turbulence des gaz.

• Échappement. Lorsque le piston atteint son point mort bas à la fin de la course de détente, les gaz sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique et, à la remontée, cette contre-pression s’opposerait au mouvement du piston, créant un travail résistant supplémentaire et entraînant un échauffement du cylindre. On donne une avance à l’ouverture de la soupape d’échappement, de même qu’on la fait fermer avec un certain retard pour que les gaz résiduels continuent à s’échapper dans l’atmosphère en vertu de leur inertie.

Moteur à deux temps

Ce type de moteur fonctionne également suivant le cycle Beau de Rochas, qui ne dure que pour un tour du maneton du vilebrequin, alors que le moteur à quatre temps en requiert deux. De plus, il ne peut bénéficier des mêmes améliorations.

Le cycle Diesel

Du nom de son inventeur, Rudolf Diesel*, ce cycle, décrit en 1893 dans Théorie et construction du moteur thermique rationnel, caractérise un moteur à combustion utilisant des carburants lourds qui s’allument spontanément au moment où on les injecte dans une masse d’air fortement comprimée et portée à haute température. Primitivement, Rudolf Diesel pensait utiliser le cycle de Nicolas Carnot (1796-1832), suivant lequel l’air introduit dans le cylindre est d’abord comprimé selon une courbe isotherme (température constante), puis selon une courbe adiabatique (sans perte de chaleur). Injecté au début de la course de détente, le combustible brûle en maintenant la température constante. À la fin de l’injection, la courbe de détente est une courbe adiabatique. Ce cycle, à rendement thermique très élevé, exige une pression en fin de compression très forte et il est difficile d’assurer l’étanchéité de la chambre de combustion. Rudolf Diesel imagina le cycle à pression constante, où la compression est constamment adiabatique. Pendant toute la durée de l’injection, qui commence au début de la détente, la pression reste constante. Le reste de la détente est adiabatique, et l’échappement se fait à volume constant.