moteur automobile (suite)
Caractéristiques
Cylindrée
C’est le volume V du cylindre balayé par le piston durant un déplacement entre ses deux positions extrêmes : point mort bas et point mort haut de sa course l. Si d est le diamètre intérieur, ou alésage du cylindre, on a
La cylindrée totale d’un moteur à k cylindres est
Rapport volumétrique de compression
C’est le rapport ρ entre le volume intérieur du cylindre V + v lorsque le piston est au point mort bas et le volume intérieur du cylindre v lorsque le piston est au point mort haut :
V désignant le volume engendré par le piston durant sa course et v le volume, dit espace mort, compris entre le sommet du piston à son point mort haut et le fond de la culasse.
Courbes caractéristiques d’un moteur
Ce sont les courbes de variation de la puissance du couple moteur et de la consommation spécifique en fonction de la vitesse de régime.
• La puissance est le travail qu’accomplit le moteur dans l’unité de temps (la seconde). Elle se calcule par la formule
dans laquelle H est la puissance en chevaux, k le nombre de cylindres, d l’alésage exprimé en centimètres, l la course en mètre, n la vitesse de régime en tours par minute et ρ le rapport volumétrique de compression. L’étude de la variation de la puissance en fonction de la vitesse de régime fait intervenir la pression moyenne pm du diagramme du cycle :
et la vitesse moyenne du piston exprimée en mètres par seconde :
La puissance croît proportionnellement au nombre de cylindres, à la pression moyenne du diagramme, à la vitesse moyenne du piston et au carré de l’alésage.
• Le couple moteur C est le moment, par rapport au centre de rotation du maneton, de la force transmise par la bielle lorsque le piston est soumis à la pression de l’explosion. Cette force se décompose en deux autres : d’une part l’effort radial, dirigé selon le rayon de la manivelle, dont le moment est nul, d’autre part l’effort tangentiel, dirigé selon la tangente au cercle décrit par le maneton. Le couple moteur est égal au produit de cette force tangentielle par le rayon de la manivelle, qui équivaut à la moitié de la course du piston. Il est lié à la puissance H par la formule
dans laquelle C est le couple moteur exprimé en mètres par kilo, unité équivalant à 0,981 daN, ω la vitesse angulaire du moteur et n la vitesse de régime en tours par minute. Il semblerait que la variation du couple moteur soit identique à celle de la puissance par rapport à la vitesse de régime. Cette proposition n’est vérifiée que dans la seule partie de la caractéristique de puissance où la courbe est une fonction linéaire du régime. À partir d’une certaine limite, elle cesse de l’être pour s’infléchir tout en continuant à progresser. Cette limite marque le moment où l’accroissement des résistances de frottement des molécules gazeuses le long des parois des tubulures d’aspiration, des frottements mécaniques et de l’inertie des pièces en mouvement amoindrit le remplissage de la cylindrée, ce qui diminue la valeur du couple moteur, lequel atteint son maximum avant celui de la caractéristique de puissance.
• La consommation spécifique est la quantité de carburant exprimée en grammes qu’un moteur brûle pour produire un cheval par heure ou un kilowatt par heure. La variation de la caractéristique de consommation spécifique est inverse de celle de la caractéristique du couple moteur, et elle y est sensiblement symétrique par rapport à un axe parallèle à celui des abscisses.
Le rendement
C’est le rapport entre l’énergie mécanique produite par le moteur, sous forme de puissance, et l’énergie calorifique fournie par le carburant. Ce rendement global dépend du rendement thermique et du rendement mécanique. Le rendement thermique, évalué en général à 37 p. 100, est le rapport entre l’énergie calorifique du carburant et l’énergie produite sur les pistons. Le rendement mécanique est le rapport entre l’énergie produite sur les pistons et l’énergie que l’on recueille sur le volant d’inertie du vilebrequin. Les frottements mécaniques internes le réduisent à 7 p. 100, ce qui donne un rendement global de 30 p. 100.
Les techniques nouvelles
Les travaux entrepris sur le moteur à explosion ont tendu constamment à augmenter sa puissance spécifique. On a cru y parvenir en créant le moteur à 2 temps, qui présente un temps moteur pour un tour de maneton de vilebrequin. Comme la distribution n’est assurée que par l’inertie propre des gaz, on a renoncé à ce type de moteur pour la traction automobile en le réservant aux motos de faibles cylindrées. On s’est efforcé ensuite d’accroître la valeur du rapport volumétrique de compression, mais, pour éviter la détonation et l’auto-allumage, il a fallu adopter des formes spéciales de culasse favorisant la turbulence des gaz et des carburants à haut indice d’octane.
Accroître la vitesse de régime conduit à se heurter à deux difficultés : la vitesse du piston ne peut dépasser une certaine limite, que l’on peut élever en réduisant la valeur de la course, ce qui a donné naissance au moteur carré, dans lequel la course est égale à l’alésage, et au moteur super carré, dans lequel l’alésage est plus grand que la course. Mais l’équilibrage des pièces en mouvement alternatif, notamment l’équilibrage piston-bielle, ne peut être assuré en totalité par des contrepoids. La valeur des forces d’inertie est proportionnelle au carré de la vitesse de régime. On a donc essayé de réaliser des moteurs où toutes les pièces seraient animées d’un mouvement rotatif, c’est-à-dire le moteur à piston rotatif et la turbine* à gaz.
• Le moteur à piston rotatif a été longtemps étudié sans qu’on puisse aboutir à des réalisations commerciales. Seule la firme allemande NSU, de Neckarsulm, agissant sur le projet cinématique de l’ingénieur Wankel, y est parvenue. En principe, ce moteur comporte un rotor composé d’un piston et d’un arbre moteur tournant dans un stator ou carter à contour intérieur en forme de trochoïde. Le piston, à 3 faces légèrement arquées et dont les pointes demeurent constamment appliquées sur la trochoïde, porte un engrenage à denture interne qui engrène sur un pignon solidaire de l’arbre moteur de telle manière que son mouvement est excentré par rapport à celui du pignon. Le rapport des dents de 3/1 implique que l’arbre tourne 3 fois plus vite que le piston. Le rotor porte un volant et un contrepoids d’équilibrage. La distribution est assurée par deux lumières : admission et échappement.