Avez-vous déjà ouvert le capot de votre voiture et vous êtes-vous demandé ce qui s'y passait ? Un moteur de voiture peut ressembler à un gros fouillis déroutant de métal, de tubes et de fils pour les non-initiés.
Vous voudrez peut-être savoir ce qui se passe simplement par curiosité. Ou peut-être que vous achetez une nouvelle voiture et que vous entendez des choses comme "2,5 litres incliné quatre" et "turbocompressé" et "technologie start/stop". Qu'est-ce que tout cela signifie ?
Dans cet article, nous discuterons de l'idée de base derrière un moteur, puis détaillerons comment toutes les pièces s'emboîtent, ce qui peut mal tourner et comment augmenter les performances.
Le but d'un moteur de voiture à essence est de convertir l'essence en mouvement afin que votre voiture puisse se déplacer. Actuellement, le moyen le plus simple de créer un mouvement à partir d'essence est de brûler l'essence à l'intérieur d'un moteur. Par conséquent, un moteur de voiture est un moteur à combustion interne — la combustion a lieu en interne.
Deux choses à noter :
Examinons le processus de combustion interne plus en détail dans la section suivante.
Contenu
Le principe de tout moteur alternatif à combustion interne :si vous mettez une petite quantité de carburant à haute densité énergétique (comme l'essence) dans un petit espace clos et que vous l'allumez, une quantité incroyable d'énergie est libérée sous forme de gaz en expansion.
Vous pouvez utiliser cette énergie à des fins intéressantes. Par exemple, si vous pouvez créer un cycle qui vous permet de déclencher des explosions comme celle-ci des centaines de fois par minute, et si vous pouvez exploiter cette énergie de manière utile, ce que vous avez est le cœur d'un moteur de voiture.
Presque toutes les voitures équipées d'un moteur à essence utilisent un cycle de combustion à quatre temps convertir l'essence en mouvement. L'approche à quatre temps est également connue sous le nom de cycle d'Otto , en l'honneur de Nikolaus Otto, qui l'a inventé en 1867. Les quatre traits sont illustrés dans l'animation . Ce sont :
Le piston est relié au vilebrequin par une biellette . Lorsque le vilebrequin tourne, cela a pour effet de "réinitialiser le canon". Voici ce qui se passe lorsque le moteur effectue son cycle :
Maintenant, le moteur est prêt pour le prochain cycle, il prend donc une autre charge d'air et de gaz.
Dans un moteur, le mouvement linéaire des pistons est converti en mouvement de rotation par le vilebrequin. Le mouvement de rotation est agréable car nous prévoyons de faire tourner (tourner) les roues de la voiture avec de toute façon.
Examinons maintenant toutes les pièces qui fonctionnent ensemble pour que cela se produise, en commençant par les cylindres.
Le cœur du moteur est le cylindre, le piston se déplaçant de haut en bas à l'intérieur du cylindre. Les moteurs monocylindres sont typiques de la plupart des tondeuses à gazon, mais les voitures ont généralement plus d'un cylindre (quatre, six et huit cylindres sont courants). Dans un moteur multicylindre, les cylindres sont généralement disposés de l'une des trois manières suivantes :en ligne , V ou plat (également appelé horizontalement opposé ou boxer), comme illustré dans les figures de gauche.
Ainsi, ce quatre cylindres en ligne dont nous avons parlé au début est un moteur à quatre cylindres disposés en ligne. Différentes configurations présentent différents avantages et inconvénients en termes de lissé, de coût de fabrication et de caractéristiques de forme. Ces avantages et inconvénients les rendent plus adaptés à certains véhicules.
Examinons plus en détail certaines pièces clés du moteur.
La bougie d'allumage fournit l'étincelle qui enflamme le mélange air/carburant afin que la combustion puisse se produire. L'étincelle doit se produire au bon moment pour que les choses fonctionnent correctement.
Les soupapes d'admission et d'échappement s'ouvrent au bon moment pour laisser entrer l'air et le carburant et laisser sortir les gaz d'échappement. Notez que les deux soupapes sont fermées pendant la compression et la combustion afin que la chambre de combustion soit étanche.
Un piston est une pièce métallique cylindrique qui monte et descend à l'intérieur du cylindre.
Les segments de piston fournissent un joint coulissant entre le bord extérieur du piston et le bord intérieur du cylindre. Les anneaux servent à deux fins :
La plupart des voitures qui "brûlent de l'huile" et doivent ajouter un litre tous les 1 000 miles le brûlent parce que le moteur est vieux et que les bagues ne scellent plus correctement les choses. De nombreux véhicules modernes utilisent des matériaux plus avancés pour les segments de piston. C'est l'une des raisons pour lesquelles les moteurs durent plus longtemps et peuvent durer plus longtemps entre les vidanges d'huile.
La bielle relie le piston au vilebrequin. Il peut tourner aux deux extrémités afin que son angle puisse changer lorsque le piston se déplace et que le vilebrequin tourne.
Le vilebrequin transforme le mouvement de haut en bas du piston en mouvement circulaire, tout comme le fait une manivelle sur un jack-in-the-box.
Le carter entoure le vilebrequin. Il contient une certaine quantité d'huile, qui s'accumule au fond du carter (le carter d'huile).
Ensuite, nous apprendrons ce qui peut mal tourner avec les moteurs.
Donc tu sors un matin et ton moteur va tourner mais il ne démarre pas. Qu'est-ce qui ne va pas ? Maintenant que vous savez comment fonctionne un moteur, vous pouvez comprendre les éléments de base qui peuvent empêcher un moteur de fonctionner.
Trois choses fondamentales peuvent arriver :un mauvais mélange de carburant, un manque de compression ou un manque d'étincelle. Au-delà de cela, des milliers de choses mineures peuvent créer des problèmes, mais ce sont les "trois grands". Sur la base du moteur simple dont nous avons parlé, voici un bref aperçu de la façon dont ces problèmes affectent votre moteur :
Un mauvais mélange de carburant peut se produire de plusieurs manières :
Manque de compression : Si la charge d'air et de carburant ne peut pas être comprimée correctement, le processus de combustion ne fonctionnera pas comme il se doit. Un manque de compression peut se produire pour les raisons suivantes :
Le "trou" le plus courant dans un cylindre se produit là où le haut du cylindre (retenant les soupapes et la bougie d'allumage et également connu sous le nom de culasse ) se fixe au cylindre lui-même. Généralement, le cylindre et la culasse se boulonnent avec un joint mince pressés entre eux pour assurer une bonne étanchéité. Si le joint tombe en panne, de petits trous se forment entre le cylindre et la culasse, et ces trous provoquent des fuites.
Manque d'étincelle : L'étincelle peut être inexistante ou faible pour plusieurs raisons :
Beaucoup d'autres choses peuvent mal tourner. Par exemple :
Dans un moteur qui tourne correctement, tous ces facteurs fonctionnent bien. La perfection n'est pas nécessaire pour faire tourner un moteur, mais vous remarquerez probablement que les choses ne sont pas parfaites.
Comme vous pouvez le voir, un moteur dispose d'un certain nombre de systèmes qui l'aident à faire son travail de conversion du carburant en mouvement. Nous examinerons les différents sous-systèmes utilisés dans les moteurs dans les prochaines sections.
La plupart des sous-systèmes de moteur peuvent être mis en œuvre à l'aide de différentes technologies, et de meilleures technologies peuvent améliorer les performances du moteur. Examinons tous les différents sous-systèmes utilisés dans les moteurs modernes, en commençant par le train de soupapes.
Le train de soupapes se compose des soupapes et d'un mécanisme qui les ouvre et les ferme. Le système d'ouverture et de fermeture s'appelle un arbre à cames . L'arbre à cames comporte des lobes qui déplacent les soupapes de haut en bas, comme illustré à la Figure 5 .
La plupart des moteurs modernes ont ce qu'on appelle des arbres à cames en tête . Cela signifie que l'arbre à cames est situé au-dessus des soupapes, comme illustré à la figure 5. Les cames sur l'arbre activent les soupapes directement ou via une tringlerie très courte. Les moteurs plus anciens utilisaient un arbre à cames situé dans le carter près du vilebrequin.
Une courroie de distribution ou la chaîne de distribution relie le vilebrequin à l'arbre à cames afin que les soupapes soient synchronisées avec les pistons. L'arbre à cames est conçu pour tourner à la moitié de la vitesse du vilebrequin. De nombreux moteurs hautes performances ont quatre soupapes par cylindre (deux pour l'admission, deux pour l'échappement), et cette disposition nécessite deux arbres à cames par banc de cylindres, d'où l'expression "double arbre à cames en tête".
Le système d'allumage (Figure 6) produit une charge électrique à haute tension et la transmet aux bougies d'allumage via les fils d'allumage . La charge est d'abord transmise à un distributeur , que vous pouvez facilement trouver sous le capot de la plupart des voitures. Le distributeur a un fil qui va au centre et quatre, six ou huit fils (selon le nombre de cylindres) qui en sortent. Ces fils d'allumage envoyer la charge à chaque bougie. Le moteur est calé de manière à ce qu'un seul cylindre reçoive une étincelle du distributeur à la fois. Cette approche offre une fluidité maximale.
Nous verrons comment le moteur de votre voiture démarre, refroidit et fait circuler l'air dans la section suivante.
Le système de refroidissement dans la plupart des voitures se compose du radiateur et de la pompe à eau. L'eau circule à travers des passages autour des cylindres, puis traverse le radiateur pour le refroidir. Dans quelques voitures (notamment les Coccinelles Volkswagen d'avant 1999), ainsi que la plupart des motos et des tondeuses à gazon, le moteur est refroidi par air à la place (vous pouvez distinguer un moteur refroidi par air par les ailettes ornant l'extérieur de chaque cylindre pour aider dissiper la chaleur.). Le refroidissement par air rend le moteur plus léger mais plus chaud, ce qui réduit généralement la durée de vie du moteur et les performances globales.
Alors maintenant, vous savez comment et pourquoi votre moteur reste froid. Mais pourquoi la circulation de l'air est-elle si importante ? La plupart des voitures sont à aspiration normale , ce qui signifie que l'air circule à travers un filtre à air et directement dans les cylindres. Les moteurs modernes et performants économes en carburant sont soit turbo ou suralimenté , ce qui signifie que l'air entrant dans le moteur est d'abord pressurisé (afin que plus de mélange air/carburant puisse être pressé dans chaque cylindre) pour augmenter les performances. La quantité de pressurisation est appelée boost . Un turbocompresseur utilise une petite turbine fixée au tuyau d'échappement pour faire tourner une turbine de compression dans le flux d'air entrant. Un compresseur est fixé directement au moteur pour faire tourner le compresseur.
Étant donné que le turbocompresseur réutilise les gaz d'échappement chauds pour faire tourner la turbine et comprimer l'air, il augmente la puissance des moteurs plus petits. Ainsi, un quatre cylindres gourmand en carburant peut voir la puissance que vous pourriez attendre d'un moteur six cylindres tout en obtenant une économie de carburant de 10 à 30 % supérieure.
Augmenter les performances de votre moteur, c'est bien, mais que se passe-t-il exactement lorsque vous tournez la clé pour le démarrer ? Le système de démarrage se compose d'un démarreur électrique et d'un solénoïde de démarreur . Lorsque vous tournez la clé de contact, le démarreur fait tourner le moteur de quelques tours afin que le processus de combustion puisse démarrer. Il faut un moteur puissant pour faire tourner un moteur froid. Le démarreur doit surmonter :
Parce qu'il faut tant d'énergie et parce qu'une voiture utilise un système électrique de 12 volts, des centaines d'ampères d'électricité doivent circuler dans le démarreur. Le solénoïde du démarreur est essentiellement un gros interrupteur électronique qui peut gérer autant de courant. Lorsque vous tournez la clé de contact, elle active le solénoïde pour alimenter le moteur.
Ensuite, nous examinerons les sous-systèmes du moteur qui maintiennent ce qui entre (huile et carburant) et ce qui en sort (gaz d'échappement et émissions).
En ce qui concerne l'entretien quotidien de votre voiture, votre première préoccupation est probablement la quantité d'essence dans votre voiture. Comment fonctionne le gaz que vous mettez en puissance dans les bouteilles ? Le système d'alimentation en carburant du moteur pompe l'essence du réservoir d'essence et la mélange avec de l'air afin que le bon mélange air/carburant puisse s'écouler dans les cylindres. Le carburant est livré dans les véhicules modernes de deux manières courantes :l'injection de carburant dans l'orifice et l'injection directe de carburant.
Dans un moteur à injection de carburant, la bonne quantité de carburant est injectée individuellement dans chaque cylindre, soit juste au-dessus de la soupape d'admission (injection de carburant dans l'orifice), soit directement dans le cylindre (injection directe de carburant). Les véhicules plus anciens étaient à carburateur, où le gaz et l'air étaient mélangés par un carburateur lorsque l'air circulait dans le moteur.
Le pétrole joue également un rôle important. La lubrification garantit que chaque pièce mobile du moteur reçoit de l'huile afin qu'elle puisse se déplacer facilement. Les deux principales pièces nécessitant de l'huile sont les pistons (afin qu'ils puissent glisser facilement dans leurs cylindres) et tous les roulements qui permettent à des éléments tels que le vilebrequin et les arbres à cames de tourner librement. Dans la plupart des voitures, l'huile est aspirée du carter d'huile par la pompe à huile, passe à travers le filtre à huile pour éliminer tout grain, puis est projetée sous haute pression sur les roulements et les parois des cylindres. L'huile s'écoule ensuite dans le puisard, où elle est à nouveau collectée et le cycle se répète.
Maintenant que vous connaissez certaines des choses que vous mettez dedans votre voiture, regardons quelques-unes des choses qui en sortent. Le système d'échappement comprend le tuyau d'échappement et le silencieux. Sans silencieux, vous entendriez le bruit de milliers de petites explosions sortant de votre tuyau d'échappement. Un silencieux atténue le son.
Le système de contrôle des émissions dans les voitures modernes se compose d'un convertisseur catalytique , une collection de capteurs et d'actionneurs, et un ordinateur pour surveiller et régler le tout. Par exemple, le convertisseur catalytique utilise un catalyseur et de l'oxygène pour brûler tout carburant inutilisé et certains autres produits chimiques dans les gaz d'échappement. Un capteur d'oxygène dans le flux d'échappement s'assure qu'il y a suffisamment d'oxygène disponible pour que le catalyseur fonctionne et ajuste les choses si nécessaire.
Outre l'essence, qu'est-ce qui alimente votre voiture ? Le système électrique se compose d'une batterie et un alternateur . L'alternateur est relié au moteur par une courroie et génère de l'électricité pour recharger la batterie. La batterie fournit une alimentation de 12 volts à tout ce qui a besoin d'électricité dans la voiture (le système d'allumage, la radio, les phares, les essuie-glaces, les vitres et sièges électriques, les ordinateurs, etc.) via le câblage du véhicule.
Maintenant que vous savez tout sur les principaux sous-systèmes du moteur, examinons les moyens d'améliorer les performances du moteur.
En utilisant toutes ces informations, vous pouvez commencer à voir qu'il existe de nombreuses façons d'améliorer les performances d'un moteur. Les constructeurs automobiles jouent constamment avec toutes les variables suivantes pour rendre un moteur plus puissant et/ou plus économe en carburant.
Augmenter le déplacement : Plus de cylindrée signifie plus de puissance car vous pouvez brûler plus de gaz à chaque tour du moteur. Vous pouvez augmenter le déplacement en agrandissant les cylindres ou en ajoutant plus de cylindres. Douze cylindres semble être la limite pratique.
Augmentez le taux de compression : Des taux de compression plus élevés produisent plus de puissance, jusqu'à un certain point. Cependant, plus vous comprimez le mélange air / carburant, plus il est susceptible de s'enflammer spontanément (avant que la bougie ne l'allume). Les essences à indice d'octane plus élevé empêchent ce type de combustion précoce. C'est pourquoi les voitures hautes performances ont généralement besoin d'essence à indice d'octane élevé :leurs moteurs utilisent des taux de compression plus élevés pour obtenir plus de puissance.
En mettre plus dans chaque cylindre : Si vous pouvez entasser plus d'air (et donc de carburant) dans un cylindre d'une taille donnée, vous pouvez obtenir plus de puissance du cylindre (de la même manière que vous le feriez en augmentant la taille du cylindre) sans augmenter le carburant nécessaire à la combustion . Les turbocompresseurs et les surpresseurs pressurisent l'air entrant pour entasser efficacement plus d'air dans un cylindre.
Refroidir l'air entrant : La compression de l'air élève sa température. Cependant, vous aimeriez avoir l'air le plus frais possible dans le cylindre car plus l'air est chaud, moins il se dilatera lors de la combustion. Par conséquent, de nombreuses voitures turbocompressées et suralimentées ont un intercooler . Un refroidisseur intermédiaire est un radiateur spécial à travers lequel passe l'air comprimé pour le refroidir avant qu'il n'entre dans le cylindre.
Faire entrer l'air plus facilement : Lorsqu'un piston descend dans la course d'admission, la résistance de l'air peut priver de puissance le moteur. La résistance de l'air peut être considérablement réduite en installant deux soupapes d'admission dans chaque cylindre. Certaines voitures plus récentes utilisent également des collecteurs d'admission polis pour y éliminer la résistance de l'air. Des filtres à air plus grands peuvent également améliorer la circulation de l'air.
Laissez l'échappement sortir plus facilement : Si la résistance de l'air empêche les gaz d'échappement de sortir d'un cylindre, cela prive le moteur de puissance. La résistance de l'air peut être réduite en ajoutant une deuxième soupape d'échappement à chaque cylindre. Une voiture avec deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement a quatre soupapes par cylindre, ce qui améliore les performances. Lorsque vous entendez une publicité pour une voiture vous dire que la voiture a quatre cylindres et 16 soupapes, ce que dit la publicité, c'est que le moteur a quatre soupapes par cylindre.
Si le tuyau d'échappement est trop petit ou si le silencieux a beaucoup de résistance à l'air, cela peut provoquer une contre-pression, qui a le même effet. Les systèmes d'échappement hautes performances utilisent des collecteurs, de gros tuyaux d'échappement et des silencieux à écoulement libre pour éliminer la contre-pression dans le système d'échappement. Lorsque vous entendez dire qu'une voiture a un "double échappement", l'objectif est d'améliorer le flux d'échappement en ayant deux tuyaux d'échappement au lieu d'un.
Allégez tout : Les pièces légères aident le moteur à mieux fonctionner. Chaque fois qu'un piston change de direction, il consomme de l'énergie pour arrêter la course dans une direction et la démarrer dans une autre. Plus le piston est léger, moins il consomme d'énergie. Cela se traduit par une meilleure efficacité énergétique ainsi que de meilleures performances.
Injectez le carburant : L'injection de carburant permet un dosage très précis du carburant dans chaque cylindre. Cela améliore les performances et l'économie de carburant.
Dans les sections suivantes, nous répondrons à certaines questions courantes liées au moteur soumises par les lecteurs.
Voici un ensemble de questions relatives au moteur posées par les lecteurs et leurs réponses :
Le nombre de cylindres que contient un moteur est un facteur important dans la performance globale du moteur. Chaque cylindre contient un piston qui pompe à l'intérieur de celui-ci et ces pistons se connectent et font tourner le vilebrequin. Plus il y a de pistons qui pompent, plus les événements de combustion se produisent à un moment donné. Cela signifie que plus de puissance peut être générée en moins de temps.
Les moteurs à quatre cylindres sont généralement disponibles dans des configurations "droites" ou "en ligne", tandis que les moteurs à 6 cylindres sont généralement configurés dans la forme plus compacte en "V", et sont donc appelés moteurs V6. Les moteurs V6 étaient le moteur de prédilection des constructeurs automobiles américains en raison de leur puissance et de leur silence, mais les technologies de suralimentation ont rendu les moteurs à quatre cylindres plus puissants et attrayants pour les acheteurs.
Historiquement, les consommateurs automobiles américains ont tourné le dos aux moteurs à quatre cylindres, les croyant lents, faibles, déséquilibrés et à court d'accélération. Cependant, lorsque les constructeurs automobiles japonais, tels que Honda et Toyota, ont commencé à installer des moteurs à quatre cylindres très efficaces dans leurs voitures dans les années 1980 et 1990, les Américains ont trouvé une nouvelle appréciation pour le moteur compact. Les modèles japonais, tels que la Toyota Camry, ont rapidement dépassé les modèles américains comparables
Les moteurs à quatre cylindres modernes utilisent des matériaux plus légers et une technologie de suralimentation, comme le moteur EcoBoost de Ford, pour obtenir les performances du V6 des moteurs à quatre cylindres plus efficaces. L'aérodynamique et les technologies avancées, telles que celles utilisées par Mazda dans ses conceptions SKYACTIV, mettent moins de pression sur ces petits moteurs turbocompressés, augmentant encore leur efficacité et leurs performances.
Quant à l'avenir du V6, ces dernières années, l'écart entre les moteurs quatre cylindres et V6 s'est considérablement réduit. Mais les moteurs V-6 ont toujours leur utilité, et pas seulement dans les voitures de performance. Les camions utilisés pour tracter des remorques ou transporter des charges ont besoin de la puissance d'un V-6 pour accomplir ces tâches. La puissance dans ces cas est plus importante que l'efficacité.
Publié à l'origine :5 avril 2000
