Guide du débutant sur les moteurs à combustion interne : principes de fonctionnement, constructions DIY et utilisations courantes

Vous savez que la roue a été inventée en 3500 av. J.-C., à l'époque mésopotamienne, et que jusqu'au début du XIXe siècle, les charrettes à animaux ont été le seul moyen de transport pendant plus de 5500 ans. Au début du XIXe siècle, nous avons assisté au développement de la machine à vapeur, et à la fin du XIXe siècle, du moteur à combustion interne (MCI).

En seulement 200 ans, ce moteur nous a permis de passer de 5 à 8 km/h à des milliers de km/h. Alors, pour en savoir plus sur cette incroyable invention humaine, poursuivez votre lecture !

Qu'est-ce qu'un moteur à combustion interne ?

« Comme son nom l’indique, tout le processus de combustion se produit à l’intérieur du moteur, c’est pourquoi on l’appelle un moteur à combustion interne . »

À ses débuts, lorsqu'Étienne Lenoir construisit le premier moteur à combustion interne, il était dépourvu de cycle de compression, ce qui le rendait peu économe en carburant. Mais plus tard, Nikolaus Otto introduisit un cycle théorique qui devint la base de tous les moteurs à combustion interne (Wankel et à pistons).

Le cycle de Nikolaus Otto est connu sous de nombreux noms, tels que le cycle Beau de Rochas , ou cycle d'Otto, qui s'explique ainsi :

Étape 1) Admission - Dans cette étape, les vapeurs de carburant et d'air sont injectées dans le cylindre.

Étape 2) Compression : le piston remonte, comprimant le mélange air-carburant (déjà présent dans le cylindre). Cette étape crée la pression, la température et la concentration élevées nécessaires à la combustion.

Étape 3) Combustion - Maintenant, à l'aide d'une bougie d'allumage (ou haute pression), le carburant est enflammé, créant un boom à haute pression qui pousse le piston vers le bas, ce qui en retour fait tourner le vilebrequin.

Étape 4) Échappement - Le gaz résiduel restant est forcé à l'extérieur du cylindre.

Il est important de noter qu'outre le cycle Otto, il existe le cycle Brayton , qui est essentiellement utilisé pour les moteurs à réaction et a une fonction un peu différente, dont nous parlerons ci-dessous dans les catégories de moteurs ICE, mais le concept est presque le même que le cycle Otto ci-dessus.

À l'inverse, il existe des moteurs à combustion externe, dans lesquels la combustion se produit à l'extérieur du moteur. Par exemple, dans une machine à vapeur, l'eau est chauffée dans une chaudière grâce à un feu extérieur au moteur, ce qui produit de la vapeur à haute pression, qui alimente ensuite le moteur.

• Bref historique

Au XIXe siècle, Étienne Lenoir (Belgique/France) a fabriqué en 1860 l'un des premiers et des plus pratiques moteurs à gaz . Il s'agissait cependant d'un moteur à un temps sans compression, qui n'était pas du tout efficace.

Cependant, après quelques années, Nikolaus Otto (Allemagne) a amélioré ces conceptions et a mis au point le moteur à quatre temps plus efficace, qui a facilité la plupart des moteurs modernes en 1876.

Peu de temps après, Sir Dugald Clerk (Écosse) introduisit le tout premier moteur à deux temps en 1879, qui fut le premier à fonctionner avec succès et à prendre beaucoup moins de place.

Finalement, Rudolf Diesel (Allemagne) a développé en 1897 le moteur diesel , qui offrait une puissance accrue ainsi qu'une meilleure efficacité énergétique.

Tous les moteurs mentionnés ci-dessus sont des moteurs à pistons. Cependant, en 1957, Felix Wankel a développé un moteur à combustion interne de type rotatif, connu sous le nom de moteur Wankel.

Aperçu des types de moteurs à combustion interne

Au fil de l'histoire, il existe principalement 3 types de moteurs à combustion interne en fonction de leur conception de fonctionnement ;

Type 1 : Moteur Wankel / Rotatif : Possède un cylindre circulaire dans lequel tourne un rotor pour créer de l'énergie.

Type 2 : Moteur à pistons : Ce type de moteur est conçu avec un cylindre dans lequel le piston monte et descend pour produire de la puissance. Plus loin, les moteurs à pistons peuvent être classés en deux types selon le nombre de coups effectués en un seul coup moteur.

Type 3 : Moteurs Brayton/turbine : Il s'agit d'une configuration de turbines et d'hélices dans laquelle il y a une combustion continue.

Au fur et à mesure que nous avançons, les moteurs à piston peuvent être classés en fonction du type de carburant qu'ils utilisent, des méthodes d'allumage, des méthodes d'admission d'air et des systèmes hybrides.

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Type 1) Moteur Wankel / Rotatif

Comme son nom l'indique, le moteur Wankel, ou moteur rotatif, possède un rotor triangulaire au lieu de pistons et tourne dans un carter ovale. Cette conception permet au rotor d'effectuer simultanément l'admission, la compression, la combustion et l'échappement, rendant ainsi l'ensemble du processus fluide.

Pourquoi ils échouent : Les moteurs Wankel ou rotatifs sont sans aucun doute compacts, légers et performants. Mais ils présentaient des inconvénients majeurs, comme une faible consommation de carburant, des émissions plus élevées et une courte durée de vie, ce qui en faisait un échec.

Utilisations : Les moteurs Wankel équipent quelques voitures, comme les Mazda RX-7 et RX-8. Ils ont également été utilisés dans quelques motos, motoneiges, drones et avions. Mais de nos jours, on les retrouve rarement dans les véhicules neufs en raison de politiques environnementales strictes (leurs émissions sont plus élevées).

Moteur à piston de type 2)

« Comme leur nom l’indique, ces moteurs sont équipés de pistons qui déplacent le vilebrequin et génèrent de la puissance. »

Nous connaissons tous les moteurs à pistons, utilisés dans tous les véhicules terrestres, maritimes et aériens. Avant d'en apprendre le fonctionnement , découvrons ses composants de base.

• Cylindre – une chambre où se produit la combustion

• Piston – un bloc rond qui se déplace de haut en bas à l'intérieur du cylindre

• Bielle – relie le piston au vilebrequin

• Vilebrequin – une longue tige qui convertit le mouvement du piston en rotation

• Soupapes – contrôlent l'admission et l'échappement d'air et de carburant

• Bougie d'allumage – enflamme le mélange air-carburant (dans les moteurs à essence)

• Arbre à cames – ouvre et ferme les soupapes en synchronisation

Sous-types de moteurs à pistons : mécanisme de fonctionnement du moteur à combustion interne à 2 temps et à 4 temps

Avant de discuter du 2 ou du 4 temps, étudions d’abord ce qu’est un temps ;

« Dans un moteur, lorsque le piston se déplace du point le plus haut (PMH) au point le plus bas (PMB) du cylindre ou du plus bas au plus haut, cela s'appelle une course. »

Ainsi, en fonction du nombre de coups nécessaires pour compléter un cycle complet de moteur à combustion interne (admission, compression, combustion et échappement), nous pouvons classer les moteurs à pistons en deux autres sous-types ;

• Moteur ICE à 2 temps

• Moteur ICE à 4 temps

Sous-type n° 1) Moteur ICE à 2 temps

Dans ce moteur, l'admission, la compression, la combustion et l'échappement se font en deux temps. Par exemple,

• Premier temps : lorsque le piston descend (en raison de la combustion), le tuyau d'admission est exposé, ce qui permet l'admission de carburant et d'air dans le cylindre et l'expulsion du carburant résiduel par le tuyau d'échappement . Ainsi, la puissance, l'admission et l' échappement se produisent lors du premier temps .

• 2e temps : Le piston remonte (2e temps), comprime le carburant et, lorsqu'il atteint le point mort haut (PMH), une étincelle enflamme le carburant, créant une combustion (2e temps terminé) . Le piston est ensuite poussé vers le bas (1er temps, répétition), ce qui fait tourner le vilebrequin.

Sous-type n° 2) Moteur ICE 4 temps

Comme son nom l'indique, dans ce moteur, l'admission, la compression, la combustion et l'échappement se produisent en 4 temps ;

• Premier temps : Après l'échappement, lorsque le piston descend du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB), une dépression se crée. Simultanément, les soupapes d'admission s'ouvrent, laissant entrer un mélange air-carburant dans la chambre à dépression. Cette étape est également appelée « temps d'admission ».

• 2e temps : Le piston se déplace alors de bas en haut et le carburant qu'il contient est comprimé, ce qui augmente la pression et la température nécessaires à la combustion. Ce temps est également appelé temps de compression.

• Troisième temps : lorsque le piston est en position haute, les bougies s'allument, provoquant une combustion et d'énormes pressions qui poussent le piston à pleine vitesse vers le bas, ce qui entraîne en retour la rotation du vilebrequin. Ce temps est également appelé temps de combustion/temps de puissance. 

• 4ème coup : Lors de cette course, le piston se déplace du bas vers le haut et expulse le carburant résiduel vers l'extérieur par la soupape d'échappement. Cette course est également appelée course d'échappement.

C'est tout. Le cycle se répète encore et encore.

Type 3 : Moteurs Brayton/Turbine

Les moteurs à turbine fonctionnent selon le cycle de Brayton, également composé de quatre étapes, comme le cycle thermodynamique d'Otto. Voici une explication simple du cycle de Brayton et du fonctionnement d'un moteur à turbine classique :

Étape 1) Compression isentropique : Dans cette étape, l'air entrant passe par un compresseur, qui le comprime pour produire de l'air à haute pression et à haute température.

Étape 2) Ajout de chaleur à pression constante : Dans cette étape, l'air comprimé entre dans une chambre thermique, dans laquelle la combustion du carburant (moteur à réaction) ou la chaleur nucléaire augmente encore la température de l'air comprimé, mais une pression constante est maintenue.

Étape 3) Expansion isentropique : Dans cette étape, l'air chaud et à haute pression est autorisé à passer à travers une turbine, ce qui lui donne une zone pour se dilater, et donc il pousse les pales avec une force importante et crée une rotation, qui produit alors de l'énergie mécanique.

Étape 4) Rejet de chaleur à pression constante : Dans un moteur à réaction, après avoir traversé la turbine, l'air peut quitter le système par la tuyère située à son extrémité. En revanche, dans un système en circuit fermé (centrales nucléaires, vaisseaux spatiaux et moteurs marins), l'air est à nouveau dévié par des tuyaux vers l'entrée du compresseur.

Utilisations du moteur à combustion interne

Le moteur à combustion interne a de nombreuses utilisations dans presque tous les domaines de la vie, comme vous pouvez le voir dans les exemples ci-dessous ;

La plupart des automobiles, comme les voitures, les motos et les camions, utilisent généralement des moteurs à essence ou diesel à 4 temps, bien que les motos plus petites puissent utiliser des moteurs à 2 temps.

Les avions civils, comme les avions légers et les hélicoptères à moteur à pistons, utilisent des moteurs à essence 4 temps (AVGA). Cependant, les avions ultralégers utilisent parfois des moteurs 2 temps en raison de leur faible poids.

Le transport maritime, qui comprend les bateaux et autres embarcations de plaisance comme les jet-skis, utilise une combinaison de moteurs à essence. Les plus gros navires utilisent généralement des moteurs diesel, tandis que les plus petits embarcations sont souvent équipées de moteurs à essence 2 ou 4 temps.

Les groupes électrogènes portables et de secours peuvent être équipés de moteurs à essence ou diesel à 4 temps. Les unités plus petites peuvent être équipées de moteurs à 2 temps, mais tous les groupes, quelle que soit leur taille, utilisent des moteurs à essence ou diesel à 4 temps.

Les équipements de construction les plus demandés (bulldozers, excavatrices et grues) sont construits autour de moteurs diesel à 4 temps, qui fournissent le couple et la durabilité requis pour leur travail.

Secteur agricole : les moteurs diesel à 4 temps sont l'option la plus privilégiée pour les machines agricoles telles que les tracteurs, les moissonneuses et les pulvérisateurs, car leur capacité à alimenter la machine pendant des heures est plus polyvalente que les autres options disponibles.

Les machines industrielles, les compresseurs, les pompes et les petits moteurs sont le plus souvent alimentés par des moteurs à essence ou diesel à 4 temps, avec un nombre limité d'équipements plus petits utilisant des moteurs à 2 temps à la place.

Les véhicules récréatifs tels que les VTT et les motoneiges peuvent utiliser des moteurs à essence à 2 ou 4 temps, selon le rapport poids/puissance souhaité.

Véhicules d'urgence : les camions de pompiers, les ambulances et les bateaux de sauvetage font tous partie des véhicules de service d'urgence et sont principalement alimentés par des moteurs diesel à 4 temps en raison de leurs bonnes performances et de leur fiabilité.

Applications militaires : Les moteurs diesel 4 temps sont souvent utilisés pour alimenter des unités militaires, notamment des unités blindées et mobiles. Cependant, les moteurs 2 temps et à turbine équipent les petits drones et les drones en raison de leur compacité et de leur faible consommation de carburant.

Constructions DIY du moteur à combustion interne

De nombreux vendeurs proposent des kits de moteurs à monter soi-même, dont certains fonctionnent. Mais parmi tous les vendeurs, celui que je préfère est EngineDIY , car ils proposent toutes sortes de modèles DIY fonctionnels à des prix très bas.

Si vous travaillez dans une école enseignant les sciences, la technologie, l'ingénierie et les mathématiques (STEM) ou si vous êtes simplement un passionné souhaitant apprendre le fonctionnement d'un moteur à combustion interne de manière ludique, vous pouvez acheter ce kit de moteur V8 . L'un des atouts de ce kit de moteur V8 à combustion interne est que son piston, son vilebrequin et même les soupapes d'admission et d'échappement se déplacent grâce à la courroie de distribution. De plus, il est équipé d'un éclairage et d'un cierge magique pour une sensation de réalisme incroyable.

Voici un guide étape par étape pour assembler le kit de manière simple ;

Étape 1) Préparez les pièces : Tout d'abord, sortez toutes les pièces et placez-les sur la table comme indiqué sur l'image.

Étape 2) Commencez par le vilebrequin : choisissez le boîtier du bouton et placez-y le vilebrequin. Ensuite, choisissez tous les pistons et fixez-les au vilebrequin.

Étape 3) Fermez le boîtier : Fixez maintenant les vannes d'entrée et de sortie et fermez complètement le boîtier.

Étape 4) Fixation de la courroie de distribution : Prenez tous les pignons, fixez-les au carter, puis réglez la courroie de distribution. Refermez ensuite le couvercle de la courroie de distribution.

Étape 5) Finalisation et démarrage du moteur : Fixez le ventilateur et les câbles d'alimentation au moteur. Enfin, serrez toutes les vis et profitez du fonctionnement du moteur en un seul clic.

Conclure:

En bref, le moteur à combustion interne nous a propulsés des charrettes lentes à 10 km/h jusqu'aux cieux grâce à des moteurs à réaction (atteignant des milliers de kilomètres par heure). Ces moteurs à combustion interne ont complètement transformé nos modes de transport, nos pratiques agricoles et même nos méthodes de guerre.

Il est tragique que les travaux d'Étienne Lenoir sur les moteurs n'aient pas été appréciés à son époque, bien qu'il ait fabriqué la première voiture au monde en 1863, baptisée Hippomobile. Malheureusement, il est mort pauvre à la fin de sa vie. C'est pourquoi nous dédions cet article à celui qui a radicalement changé le monde.

Enfin et surtout, si vous souhaitez acheter des modèles de moteurs STEM DIY de toutes sortes comme des kits de moteurs Stirling , des kits de moteurs à vapeur , des moteurs diesel, ICE ou même des moteurs à réaction, vous pouvez acheter chez nous chez EngineDIY .

FAQ

1. Quand la première voiture au monde a-t-elle été fabriquée ?

Eh bien, dans les livres d'histoire, la première voiture au monde a été fabriquée par Karl Benz en 1885, et il l'a nommée motorwagen.

Mais je ne pense pas que ce soit la première voiture au monde, car Eteiner Leiner (le premier constructeur de moteurs au monde) a construit une Hippomobile en 1863 et l'a conduite sur les 11 km qui séparent Paris de Joinville-le-Pont. C'était donc véritablement la première voiture au monde.

Mais elle était rudimentaire, sans système d'embrayage, et elle n'a pas été fabriquée commercialement, c'est pourquoi les historiens ne la considèrent pas comme la première voiture du monde, ce qui est injuste, car il a posé les bases qui ont donné l'idée à Karl Benz de fabriquer sa voiture.

2. Le premier pilote au monde ?

Eh bien, à mon avis, je dirais qu'Eteiner Leiner a été le premier pilote au monde à parcourir 11 km entre Paris et Joinville-le-Pont. Mais comme son Hippomobile n'est pas considérée comme la première voiture au monde, il n'était pas non plus considéré comme le premier pilote au monde.

Ainsi, en 1888, Bertha Benz conduisit la voiture à moteur de son mari Karl Benz de Mannheim à Pforzheim, soit environ 106 km. Elle parcourut cette distance avec ses fils sans même prévenir son mari.