COMPOSANTS D'UN MOTEUR À QUATRE TEMPS

 COMPOSANTS D'UN MOTEUR À QUATRE TEMPS

GÉNÉRALITÉS : les organes mécaniques qui composent un moteur peuvent être classés comme suit :

·      organes principaux : les organes principaux comprennent le soubassement et les fourreaux des cylindres, les pistons munis des bielles, le vilebrequin et les arbres d'équilibrage éventuels, la tête de cylindres, le cinématisme de la distribution et les soupapes ;

·      organes auxiliaires : les organes auxiliaires sont les organes qui, à la différence des organes principaux, ne sont pas directement intéressés par le déroulement du cycle de fonctionnement du moteur mais dont la présence est fondamentale pour le bon fonctionnement du moteur et sa longévité. Ils comprennent les systèmes de refroidissement et de lubrification, les systèmes d'alimentation et d'échappement (exclus de ce module), le démarreur, le générateur et les pompes (servofrein, direction assistée, climatisation).

CONNEXIONS : l’ensemble des ces organes est assemblé en général par des vis et des boulons  : s'il y a un passage de fluide soumis à des exigences d'étanchéité entre les différents organes, il y a en général un joint interposé

 SOUBASSEMENT

Soubassement des moteurs munis de cylindres en ligne

Soubassement des moteurs munis de cylindres en V

BUT : support des groupes mobiles présents sur le moteur (pistons, bielles, vilebrequin, arbre de distribution, etc.) et des éléments fixes (tête de cylindres, carter, boîtier de distribution).

TYPES :

-          cylindres en ligne en ce sens que les cylindres sont alignés l'un derrière l'autre (cf. schéma en haut à gauche)

-          cylindres en V, technique qui réduit l'encombrement longitudinal du moteur (cf. schéma en haut à droite)

MATÉRIAU : fonte (en général sphéroïdale), à haute résistance mécanique ; dans certains cas, il est en alliage d'aluminium et de silicium à haute résistance mécanique et conductibilité thermique.

CONTRAINTES : il doit résister aux sollicitations issues de la combustion et l'intérieur doit être conçu de manière à permettre la circulation des différents fluides de lubrification et de refroidissement ; malgré ces contraintes, le soubassement doit être le plus léger possible.

PISTON

1.      gorge pour bague élastique d'étanchéité

2.      gorge pour bague élastique d'étanchéité

3.      gorge pour segment racleur d'huile

4.      moyeu pivot ou cheville

5.      jupe

6.      plaquettes d'acier

7.      gorge pour bague élastique de maintien

8.      entaille d'extraction de la bague élastique

9.      siège pivot

10.  partie supérieure du piston

BUT : le rôle du piston et des bagues élastiques est de :

• transmettre à la bielle la force motrice fournie par la pression des gaz brûlés ;
• servir de guide au pied de bielle ;
• empêcher que les gaz brûlés présents dans la chambre de combustion puissent fuir le long de la surface latérale d'accouplement entre le piston et le fourreau des cylindres.

MATÉRIAU : il est en général en alliage léger afin de réduire les sollicitations provoquées par l'inertie du piston ; il faut toutefois que sa température ne dépasse pas 300 °C afin d'éviter le risque d'engrènement ou de détérioration de la surface du cylindre.

CONSTITUTION : le piston se compose de quatre parties principales :

·         la face supérieure, sur laquelle sont exercés les efforts dus aux gaz ; elle est dotée d'un siège de forme variable appelée "chambre de combustion" ;

·         la bande porte-bague qui, par le bais des bagues élastiques, assure l'étanchéité et dissipe une partie de la chaleur ;

·         les moyeux des pivots, sur lesquels est installée une cheville, qui permettent de rendre le piston solidaire de la bielle. Ces moyeux doivent être particulièrement rigides afin d'éviter les déformations suite aux sollicitations et aux variations de températures.

MOTEURS SURALIMENTÉS : sur ces moteurs, l'intérieur de la face supérieure du piston est refroidi par l'huile de lubrification sous pression qui sort de gicleurs spéciaux montés sur le soubassement.

BAGUES ÉLASTIQUES

BUT : l'étanchéité entre le piston et le cylindre doit être garantie par des bagues élastiques étant

donné que ce n'est pas possible de réduire le jeu de fonctionnement entre ces deux éléments au-delà d'une certaine valeur (risques de grippage).

CARACTÉRISTIQUES : les bagues se composent de bandes élastiques fendues, en fonte, placées dans des sièges spéciaux creusés dans la bande porte-bagues. Comme elles sont élastiques, elles adhèrent aux parois de la chemise et assurent ainsi l'étanchéité sur la totalité du parcours du piston

TYPES : il existe deux types de bagues élastiques :

·         les bagues d'étanchéité dont la première, c'est-à-dire celle qui est placée le plus haut et qui reçoit directement les gaz brûlés, est généralement chromée de manière à ce qu'elle puisse résister aux hautes températures et aux hautes pressions. Comme les bagues sont en contact avec le piston par le biais des sièges respectifs, et avec les parois de la chemise, elles permettent à la chaleur transmise par le piston de passer vers la chemise.

• le segment racleur d'huile, placé dans la partie inférieure, dont le rôle est davantage de racler l'huile que de transmettre la chaleur ; une série de lumières pratiquées sur le piston, dans le siège du segment racleur d'huile, permet au lubrifiant recueilli par ce segment de passer à l'intérieur du piston et de retourne au carter.

BIELLE

BUT : organe de connexion entre le piston et le vilebrequin dont le but est de transformer le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire du vilebrequin.

CONSTITUTION : la bielle est constituée de trois parties principales, à savoir :

·         le pied muni d'une bague de bronze dans laquelle tourne librement le pivot du piston ;

·         la tige, dont la section est généralement en “I” en vue d'améliorer sa résistance aux sollicitations ;

·         la tête qui s'articule autour du pivot de bielle du vilebrequin.

VILEBREQUIN

BUT :

• transmettre aux organes de la transmission le couple moteur issu de la poussée des gaz ;
• commander les autres organes rotatifs du moteur et les différents accessoires.

CONSTITUTION : le vilebrequin se compose de :

• pivots de banc, dont le nombre varie en fonction des moteurs, soutenus par les supports de banc du soubassement par des paliers ;
• pivots de bielle sur lesquels sont articulées les têtes de bielle ;
• bras de manivelle qui relient les pivots de banc à ceux de bielle ; les bras sont munis de masses d’équilibrage qui peuvent être forgées en bloc à l'arbre ou reportées.

MATÉRIAU : les vilebrequins sont en général en acier au nickel-chrome ou au nickel-chrome-vanadium ; il existe également des vilebrequins en fonte sphéroïdale ; la surface des pivots du vilebrequin est durcie par cémentation ou par nitruration.

DEMI-COUSSINETS

CARACTÉRISTIQUES : le vilebrequin tourne sur des “coussinets en bronze” constitués de demi-coquilles d’acier dont l'intérieur est revêtu d'alliages spéciaux anti-friction.

PROPRIÉTÉS :

• résistance mécanique élevée ;
• résistance à la corrosion (pollution chimique de l'huile moteur) ;
• excellente capacité d'incorporation/absorption des petites impuretés solides ;
• pouvoir lubrifiant important pour suppléer à de brèves périodes de fonctionnement sans voile d'huile (par exemple : au démarrage) ;

bonne conductibilité thermique (évacuation moteur).

Les principaux types d'ALLIAGES ANTIFRICTION sont les suivants :

·         métaux blancs : il s'agit de la classe de matériaux de fabrication des paliers de frottement la plus connue et la plus utilisée ; elle se compose d'alliages de Sn, Pb, Sb. Ces métaux se distinguent par un faible coefficient de friction, une bonne capacité de rodage, une bonne résistance à l'usure et une dureté moyenne qui peut cependant diminuer au fur et à mesure que la température augmente ;

·         alliages au cadmium : il s'agit d'alliages de Cd (~97 %) auxquels ont été ajoutés du Ni, du Cu et de l'Ag ; ils ont les mêmes caractéristiques que les métaux blancs mais ils sont moins utilisés du fait de leur rareté et du coût élevé du cadmium ;

alliages de zinc : il s'agit d'alliages de Zn (~ 85%) auxquels s'ajoutent de petites quantités d'Al et de Cu ; leur comportement est analogue à celui des métaux blancs et des alliages de cadmium mais leur coefficient de dilatation est modeste ce qui entraîne, dans un accouplement composé de pièces de ce type d'alliage, une variation de jeu entre le fonctionnement à froid et à chaud qui n'est pas toujours acceptable.

VOLANT

1.      vilebrequin

2.      masse solidaire du vilebrequin

3.      massa solidaire de l'arbre primaire de la boîte de vitesses

4.      système élastique à la torsion d'amortissement

5.      disque d'embrayage

6.      ressort plateau de pression

7.      palier de butée

8.      arbre primaire de la boîte de vitesses

couronne dentée








BUT : le rôle du volant est de régulariser le fonctionnement du moteur. Comme nous l'avons déjà expliqué, un moteur à quatre temps se distingue par la présence de trois phases passives au cours desquelles le moteur absorbe de la puissance et une seule phase active au cours de laquelle, par contre, il distribue de la puissance. Le volant moteur sert en fait de “réservoir” en ce sens qu'il absorbe de l'énergie au cours de la phase active du fonctionnement du moteur et la restitue au cours des trois phases passives. De cette façon, le fonctionnement plus régulier du moteur est assuré étant donné que la puissance distribuée par le moteur est nivelée par le volant.

VOLANT DVA ( double volant d'amortissement) : ce type de volant permet de réduire ultérieurement les vibrations dues aux irrégularités de fonctionnement du moteur. En effet, il se compose de deux masses, dont l'une est solidaire du vilebrequin et l'autre est solidaire de l'arbre primaire de la boîte de vitesses, entre lesquelles est interposé un élément amortissant. Cet élément absorbe et dissipe les vibrations (torsions) provoquées par le moteur et contribue ainsi à améliorer le confort de marche. Les deux masses, quant à elles, remplissent la fonction de volant.

CONTRE-ARBRES D'ÉQUILIBRAGE

BUT : compenser les effets des forces d'inertie qui se créent lorsque le moteur est en fonctionnement suite au mouvement des masses alternées.

FORCES D'INERTIE ALTERNÉES : les forces d'inertie alternées et les masses centrifuges des organes en mouvement, parallèlement aux pressions des gaz, donnent lieu dans chaque cylindre à des forces et des moments qui agissent sur le bloc moteur et sont transmises à la structure sur laquelle est fixé le moteur par le biais des supports. Comme les forces et les moments varient dans le temps, et que les supports et la structure se distinguent, dans une mesure plus ou moins grande, par une certaine élasticité, un mouvement vibratoire peut être imprimé au groupe moteur. L'équilibrage du moteur a pour but de réduire et, si possible, d'éliminer ces vibrations en annulant les causes mêmes qui les provoquent. C'est justement la fonction des contre-arbres d'équilibrage.

CONSTITUTION : les contre-arbres d'équilibrage se composent d'un arbre doté de masses excentriques disposées de manière appropriée. Ces arbres sont entraînés en rotation par le vilebrequin, grâce à des courroies crantées ou des chaînes de manière à maintenir le synchronisme avec le vilebrequin, et tournent à une vitesse deux fois supérieure à celle de ce dernier.

TÊTE DE CYLINDRES

FONCTION : la tête de cylindres est l'élément qui délimite, parallèlement au piston et au fourreau du cylindre, la chambre dans laquelle se produit la succession des phases du cycle thermodynamique ; l'ensemble des moteurs actuels est muni d'une tête de cylindres reportée qui est reliée au soubassement par des goujons et des écrous disposés de manière appropriée de manière à assurer l'étanchéité entre la tête des cylindres et le groupe cylindres et à empêcher les phénomènes de déformation sous l'action de la chaleur et de la pression.

CONSTITUTION : dans la tête de cylindres, on trouve les éléments suivants qui sont moulés puis finis par usinages mécaniques :

·      la chambre de combustion, dont la forme varie en fonction du type de moteur ;

·      les sièges des bougies d'allumage (sur les moteurs à allumage commandé) ainsi que les sièges des injecteurs (sur les diesels) et des préchambres de combustion ;

·      les logements de circulation du liquide de refroidissement et des conduites de l'huile de lubrification ;

·      les sièges des roulements de support de l'arbre de distribution ;

·      les sièges de guidage des soupapes ;

·      les siège des soupapes ;

·      les canalisations d'admission et d'échappement ;

·      les lumières des goujons de connexion de la tête au soubassement.

SIÈGES DE SOUPAPE : les sièges des soupapes, et notamment ceux des soupapes d'échappement, sont sujets à une forte usure étant donné la forte température à laquelle ils sont soumis. De ce fait, ils sont souvent fabriqués en matériaux spéciaux. 









Section d'une tête de cylindres d'un moteur 16 soupapes muni de deux arbres à cames

DISTRIBUTION

DÉFINITION : le terme “distribution” couvre l'ensemble des organes mécaniques (arbre de distribution, poussoirs, tiges et culbuteurs) qui permettent l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement en fonction du diagramme de distribution.

CONSTITUTION ET FONCTIONNEMENT : l’ouverture des soupapes d'admission et d'échappement est commandée par l'arbre de distribution (ou à cames) qui, à son tour, est mis en rotation par le vilebrequin par le biais d'une transmission à chaîne ou à engrenages (afin d'assurer le synchronisme de la rotation).

ARBRE DE DISTRIBUTION : l’arbre de distribution est en acier forgé et cimenté au niveau des excentriques, ou bien en fonte spéciale. Il se distingue par la présence de bossages appelés cames (dont le nombre est égal à celui des soupapes à actionner) qui commandent l'ouverture des soupapes selon le schéma de distribution désiré.

COMMANDE DES SOUPAPES : les soupapes sont commandées soit directement par les poussoirs, soit indirectement par des leviers appelés "culbuteurs".

POUSSOIRS HYDRAULIQUES

BUT : l'emploi de poussoirs hydrauliques au lieu de poussoirs traditionnels en tant qu'élément de liaison entre l'arbre à came et les soupapes permet de régler automatiquement le jeu de fonctionnement entre le poussoir et la came ; leur fonctionnement repose sur l'action de la pression de l'huile de lubrification.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : quand la soupape est fermée, il y a dans la chambre qui se crée entre la partie mobile et la partie fixe du poussoir la même pression que dans le circuit de lubrification avec lequel cette chambre est en communication par le biais d'un clapet à bille de non-retour. Dans ces conditions, la partie mobile est en contact avec l'excentrique et annule le jeu ; quand l'excentrique commence à exercer une certaine pression sur le poussoir, la soupape à bille se referme et, grâce à l'incompressibilité du lubrifiant contenu dans la chambre, le poussoir ne peut pas être écrasé et devient en pratique une pièce unique qui permet à la soupape de s'ouvrir.

AVANTAGES : les poussoirs hydrauliques annulent automatiquement le jeu des soupapes et garantissent, pendant que le moteur est en fonctionnement, une réduction du bruit et des interventions d'entretien. Ces avantages concernent davantage les moteurs multisoupapes.

SOUPAPES

BUT : permettre (au moment opportun) l’ouverture et la fermeture des conduites d'admission et d'échappement présentes dans la tête de cylindres ; garantir l'étanchéité de la chambre de combustion en ce qui concerne ces conduites.

CONSTITUTION : une soupape se compose de deux parties :

·         la tige qui coulisse dans un guide en fonte refoulé dans la tête de cylindres ou bien creusé directement dans la tête de cylindres et qui “transmet” le mouvement à la tête correspondante ;

·         la tête qui assure l'étanchéité parallèlement au siège de la soupape.

FONCTIONNEMENT : la soupape s'ouvre en se déplaçant vers l'intérieur de la chambre de combustion sous la poussée des cames de l'arbre de distribution tandis que leur retour est généralement confié à un ressort hélicoïdal. L'ouverture vers l'intérieur de la soupape favorise l'étanchéité étant donné que la pression interne du fluide s'oppose à l'ouverture.

CRITICITÉ : du point de vue fonctionnel, les soupapes doivent résister aux sollicitations mécaniques relativement élevées provoquées par les chocs sur les sièges et ne doivent pas se déformer sous l'action de la haute température à laquelle elles sont soumises. La soupape d'échappement peut facilement atteindre 750 °C. La chaleur est évacuée grâce au contact qui se crée entre la tige et son guide ainsi qu'entre la tête et son siège. Afin de favoriser l'évacuation de chaleur, on préfère utiliser des soupapes d'échappement de diamètre limité (et parfois même deux soupapes au lieu d'une), du fait que la surface exposée aux gaz est inférieure, et dotées de tiges longues et de grand diamètre (étant donné que la surface par le biais de laquelle la chaleur est évacuée est supérieure).