Comment fonctionnent les moteurs de voiture

1. Combustion interne
2. Pièces de base du moteur
3. Problèmes de moteur
4. Train de soupapes du moteur et systèmes d'allumage
5. Systèmes de refroidissement, d'admission d'air et de démarrage du moteur
6. Lubrification du moteur, carburant, échappement et systèmes électriques
7. Produire plus de puissance moteur
8. Questions et réponses sur le moteur
9. En quoi les moteurs 4 cylindres et V6 sont-ils différents??

Le principe de tout moteur à combustion interne alternatif: si vous mettez une petite quantité de carburant à haute densité d'énergie (comme de 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 pour 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 Figure 1. Elles sont:

• Course d'admission
• Course de compression
• Course de combustion
• Course d'échappement

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Figure 1

Le piston est connecté au vilebrequin par un bielle. Lorsque le vilebrequin tourne, cela a pour effet de «réinitialiser le canon». Voici ce qui se passe pendant que le moteur effectue son cycle:

1. Le piston démarre en haut, la soupape d'admission s'ouvre et le piston descend pour laisser le moteur absorber un cylindre plein d'air et d'essence. C'est le course d'admission. Seule la moindre goutte d'essence doit être mélangée dans l'air pour que cela fonctionne. (Partie 1 de la figure)
2. Puis le piston remonte pour comprimer ce mélange carburant / air. Compression rend l'explosion plus puissante. (Partie 2 de la figure)
3. Lorsque le piston atteint le sommet de sa course, la bougie d'allumage émet une étincelle pour enflammer l'essence. La charge d'essence dans le cylindre explose, enfoncer le piston. (Partie 3 de la figure)
4. Une fois que le piston atteint le bas de sa course, la soupape d'échappement s'ouvre et le échappement quitte le cylindre pour sortir du tuyau d'échappement. (Partie 4 de la figure)

Le moteur est maintenant prêt pour le cycle suivant, 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 les roues de la voiture avec quand même.

Examinons maintenant toutes les pièces qui fonctionnent ensemble pour y parvenir, en commençant par les cylindres.

Le noyau 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 à plusieurs cylindres, les cylindres sont généralement disposés de trois manières: en ligne, V ou plat (également appelé horizontalement opposé ou boxer), comme le montrent les figures à gauche.

Donc, le quatre en ligne que nous avons mentionné au début est un moteur à quatre cylindres disposés en ligne. Différentes configurations présentent différents avantages et inconvénients en termes de douceur, 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.

Bougie d'allumage

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.

Vannes

Les soupapes d'admission et d'échappement s'ouvrent au bon moment pour laisser entrer l'air et le carburant et laisser s'échapper. Notez que les deux vannes sont fermées pendant la compression et la combustion afin que la chambre de combustion soit étanche.

Piston

Un piston est un morceau de métal cylindrique qui se déplace de haut en bas à l'intérieur du cylindre.

Segments de piston

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:

• Ils empêchent le mélange air / carburant et l'échappement dans la chambre de combustion de fuir dans le carter pendant la compression et la combustion.
• Ils empêchent l'huile dans le carter de fuir dans la zone de combustion, où elle serait brûlée et perdue.

La plupart des voitures qui «brûlent de l'huile» et doivent avoir un quart ajouté tous les 1 000 milles la brûlent parce que le moteur est vieux et que les anneaux 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 changements d'huile.

Bielle

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.

Vilebrequin

Le vilebrequin transforme le mouvement de haut en bas du piston en mouvement circulaire, tout comme le fait une manivelle sur un cric-dans-la-boîte.

Puisard

Le carter entoure le vilebrequin. Il contient une certaine quantité d'huile, qui s'accumule au fond du puisard (le carter d'huile).

Ensuite, nous apprendrons ce qui peut mal tourner avec les moteurs.

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. Regardons 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 a des lobes qui déplacent les soupapes de haut en bas, comme indiqué dans Figure 5.

La plupart des moteurs modernes ont ce qu'on appelle cames aériennes. Cela signifie que l'arbre à cames est situé au-dessus des soupapes, comme le montre la figure 5. Les cames sur l'arbre activent les soupapes directement ou par l'intermédiaire d'une liaison 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 de sorte que les soupapes sont synchronisées avec les pistons. L'arbre à cames est conçu pour tourner à la moitié de la vitesse du vilebrequin. De nombreux moteurs haute performance ont quatre soupapes par cylindre (deux pour l'admission, deux pour l'échappement), et cet agencement nécessite deux arbres à cames par banc de cylindres, d'où l'expression «double cames en tête».

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le système de mise à feu (Figure 6) produit une charge électrique haute tension et la transmet aux bougies d'allumage via fils d'allumage. La charge s'écoule d'abord vers un distributeur, que vous pouvez facilement trouver sous le capot de la plupart des voitures. Le distributeur a un fil passant au centre et quatre, six ou huit fils (selon le nombre de cylindres) qui en sortent. Celles-ci fils d'allumage envoyer la charge à chaque bougie. Le moteur est chronométré de sorte qu'un seul cylindre reçoive une étincelle du distributeur à la fois. Cette approche offre une douceur 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 Volkswagen Beetles d'avant 1999), ainsi que dans la plupart des motos et des tondeuses à gazon, le moteur est refroidi par air à la place (vous pouvez dire à 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.

Vous savez maintenant comment et pourquoi votre moteur reste froid. Mais pourquoi la circulation de l'air est-elle si importante? La plupart des voitures sont normalement aspiré, ce qui signifie que l'air circule à travers un filtre à air et directement dans les cylindres. Les moteurs modernes à haute performance et économes en carburant sont soit turbocompressé ou suralimenté, ce qui signifie que l'air entrant dans le moteur est d'abord pressurisé (de sorte que plus de mélange air / carburant puisse être pressé dans chaque cylindre) pour augmenter les performances. La quantité de pressurisation est appelée renforcer. 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 directement attaché 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 petits moteurs. Ainsi, un quatre cylindres à consommation de carburant peut voir la puissance que vous pourriez vous attendre d'un moteur à six cylindres tout en obtenant une économie de carburant de 10 à 30% supérieure..

Augmenter les performances de votre moteur est formidable, 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 du 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:

• Tous les frottements internes causés par les segments de piston
• La pression de compression de tout cylindre (s) qui se trouve être dans la course de compression
• L'énergie nécessaire pour ouvrir et fermer les vannes avec l'arbre à cames
• Toutes les autres choses directement attachées au moteur, comme la pompe à eau, la pompe à huile, l'alternateur, etc..

Parce que beaucoup d'énergie est nécessaire et qu'une voiture utilise un système électrique de 12 volts, des centaines d'ampères d'électricité doivent circuler dans le démarreur. Le solénoïde de démarreur est essentiellement un gros interrupteur électronique qui peut gérer autant de courant. Lorsque vous tournez la clé de contact, il active le solénoïde pour alimenter le moteur.

Ensuite, nous examinerons les sous-systèmes de moteur qui maintiennent ce qui entre (huile et carburant) et ce qui en sort (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 le gaz que vous mettez en marche alimente-t-il les bouteilles? Le moteur Système de carburant pompe le gaz du réservoir d'essence et le mélange à l'air afin que le mélange air / carburant approprié puisse s'écouler dans les cylindres. Le carburant est livré dans les véhicules modernes de deux manières courantes: l'injection de carburant par port et l'injection de carburant directe.

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 alors que l'air pénétrait dans le moteur.

Le pétrole joue également un rôle important. le lubrification Le système 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 comme le vilebrequin et les arbres à cames de tourner librement. Dans la plupart des voitures, l'huile est aspirée hors du carter d'huile par la pompe à huile, passe à travers le filtre à huile pour éliminer tout grain, puis giclée sous haute pression sur les roulements et les parois du cylindre. L'huile s'écoule ensuite dans le puisard, où elle est à nouveau collectée et le cycle se répète.

Maintenant que tu connais certains des trucs que tu as mis dans votre voiture, regardons quelques-unes des choses qui en sortent. le système d'échappement comprend le tuyau d'échappement et le silencieux. Sans silencieux, ce que vous entendez est le son de milliers de petites explosions sortant de votre tuyau d'échappement. Un silencieux amortit 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 tout surveiller et tout régler. Par exemple, le convertisseur catalytique utilise un catalyseur et de l'oxygène pour brûler tout carburant inutilisé et certains autres produits chimiques dans l'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'un batterie Et un alternateur. L'alternateur est relié au moteur par une courroie et génère de l'électricité pour recharger la batterie. La batterie met à disposition une alimentation de 12 volts pour tout ce qui se trouve dans la voiture qui a besoin d'électricité (le système d'allumage, la radio, les phares, les essuie-glaces, les vitres et sièges électriques, les ordinateurs, etc.) à travers 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 d'essence à chaque tour du moteur. Vous pouvez augmenter le déplacement en agrandissant les cylindres ou en ajoutant plus de cylindres. Douze cylindres semblent 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 comprenez 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 élevé empêchent ce type de combustion précoce. C'est pourquoi les voitures haute performance ont généralement besoin d'essence à indice d'octane élevé - leurs moteurs utilisent des taux de compression plus élevés pour obtenir plus de puissance..

Remplissez 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 augmente sa température. Cependant, vous aimeriez avoir l'air le plus froid 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 refroidisseur intermédiaire. Un intercooler est un radiateur spécial à travers lequel l'air comprimé passe pour le refroidir avant qu'il n'entre dans le cylindre.

Laissez l'air entrer plus facilement: Lorsqu'un piston descend dans la course d'admission, la résistance de l'air peut priver le moteur de la puissance. La résistance de l'air peut être considérablement réduite en mettant deux soupapes d'admission dans chaque cylindre. Certaines voitures plus récentes utilisent également des collecteurs d'admission polis pour y éliminer la résistance à l'air. Des filtres à air plus gros peuvent également améliorer le débit d'air.

Laisser les gaz d'échappement sortir plus facilement: Si la résistance de l'air empêche l'échappement de sortir d'un cylindre, cela prive le moteur de sa puissance. La résistance de l'air peut être réduite en ajoutant une seconde 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 annonce de voiture vous dire que la voiture a quatre cylindres et 16 soupapes, ce que l'annonce dit, 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 haute performance 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», le but est d'améliorer le débit d'échappement en ayant deux tuyaux d'échappement au lieu d'un.

Rendez tout plus léger: Les pièces légères aident le moteur à mieux fonctionner. Chaque fois qu'un piston change de direction, il utilise de l'énergie pour arrêter le déplacement dans un sens et le démarrer dans un 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 vers chaque cylindre. Cela améliore les performances et l'économie de carburant.

Dans les sections suivantes, nous répondrons à certaines questions courantes liées aux moteurs soumises par les lecteurs.

Voici un ensemble de questions relatives aux moteurs des lecteurs et leurs réponses:

• Quelle est la différence entre un moteur à essence et un moteur diesel? Dans un moteur diesel, il n'y a pas de bougie d'allumage. Au lieu de cela, du carburant diesel est injecté dans le cylindre, et la chaleur et la pression de la course de compression provoquent l'enflammation du carburant. Le carburant diesel a une densité d'énergie plus élevée que l'essence, de sorte qu'un moteur diesel obtient un meilleur kilométrage. Voir Comment fonctionnent les moteurs diesel pour plus d'informations.
• Quelle est la différence entre un moteur à deux temps et un moteur à quatre temps? La plupart des scies à chaîne et des moteurs de bateaux utilisent des moteurs à deux temps. Un moteur à deux temps n'a pas de soupapes mobiles et la bougie d'allumage se déclenche chaque fois que le piston atteint le sommet de son cycle. Un trou dans la partie inférieure de la paroi du cylindre laisse entrer le gaz et l'air. Lorsque le piston monte, il est comprimé, la bougie d'allumage enflamme la combustion et l'échappement sort par un autre trou dans le cylindre. Vous devez mélanger l'huile dans le gaz dans un moteur à deux temps car les trous dans la paroi du cylindre empêchent l'utilisation d'anneaux pour sceller la chambre de combustion. En général, un moteur à deux temps produit beaucoup de puissance pour sa taille car il y a deux fois plus de cycles de combustion par rotation. Cependant, un moteur à deux temps utilise plus d'essence et brûle beaucoup d'huile, il est donc beaucoup plus polluant. Voir Fonctionnement des moteurs à deux temps pour plus d'informations.
• Vous avez mentionné les moteurs à vapeur dans cet article - y a-t-il des avantages aux moteurs à vapeur et autres moteurs à combustion externe? Le principal avantage d'une machine à vapeur est que vous pouvez utiliser tout ce qui brûle comme carburant. Par exemple, une machine à vapeur peut utiliser du charbon, du papier journal ou du bois comme combustible, tandis qu'un moteur à combustion interne a besoin d'un carburant liquide ou gazeux pur et de haute qualité. Voir Comment fonctionnent les moteurs à vapeur pour plus d'informations.
• Pourquoi avoir huit cylindres dans un moteur? Pourquoi ne pas avoir un gros cylindre de la même cylindrée que les huit cylindres à la place? Il y a deux raisons pour lesquelles un gros moteur de 4,0 litres a huit cylindres d'un demi-litre plutôt qu'un gros cylindre de 4 litres. La raison principale est la douceur. Un moteur V-8 est beaucoup plus doux car il a huit explosions régulièrement espacées au lieu d'une grosse explosion. Une autre raison est le couple de démarrage. Lorsque vous démarrez un moteur V-8, vous ne conduisez que deux cylindres (1 litre) par leurs courses de compression, mais avec un gros cylindre, vous auriez à comprimer 4 litres à la place..

Le nombre de cylindres que contient un moteur est un facteur important dans les performances globales 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 de pompage, plus les événements comburants se produisent à un moment donné. Cela signifie que plus d'énergie 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 en forme de «V» plus compacte et sont donc appelés moteurs V6. Les moteurs V6 étaient le moteur de choix des constructeurs automobiles américains car ils sont puissants et silencieux, mais les technologies de suralimentation ont rendu les moteurs à quatre cylindres plus puissants et plus attrayants pour les acheteurs..

Historiquement, les consommateurs automobiles américains ont tourné le nez vers les moteurs à quatre cylindres, les estimant 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 ventes de 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 optimiser les performances du V-6 à partir de 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, la disparité entre les moteurs quatre cylindres et V6 s'est considérablement atténuée. Mais les moteurs V-6 ont toujours leurs utilisations, et pas seulement dans les voitures de performance. Les camions qui sont 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.

Dernière mise à jour éditoriale le 16 août 2018 16:15:43.

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Sources

• Presse associée. «Les consommateurs se tournent vers les moteurs à 4 cylindres au milieu des prix élevés de l'essence». 10 juillet 2007. http://www.foxnews.com/story/0,2933,288644,00.html
• Collins, Dan. "Comment fonctionnent les moteurs de voiture?" http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html
• Ofria, Charles. "Un cours court sur les moteurs automobiles." http://www.familycar.com/engine.htm