Moteur à combustion interne : principes de fonctionnement, constructions DIY et utilisations courantes

L'efficacité et la fiabilité de nombreuses machines modernes, notamment celles utilisées dans l'agriculture et les transports, reposent sur les moteurs à combustion interne. Ils alimentent en permanence les industries en convertissant le carburant en énergie mécanique grâce aux mouvements des pistons.

Dans ce guide, nous vous expliquerons ce qu'est un moteur à temps plein et ses différents types, notamment le moteur 2 temps et le moteur 4 temps . Nous explorerons également leurs principes de fonctionnement et leurs nombreuses utilisations, et partagerons avec vous un tutoriel étape par étape pour construire des maquettes de moteurs à temps plein à la maison grâce à un kit de modélisme . Alors, préparez-vous à découvrir les mystères de ces puissants moteurs !

1) Comprendre les bases des moteurs à course

• Qu'est-ce qu'un moteur à course ?

Un moteur à combustion interne extrait sa puissance du mouvement vertical d'un piston dans un cylindre confiné. Le mouvement du piston s'effectue par paliers, appelés courses, et chaque palier contribue à compléter un cycle de puissance complet.

Ces moteurs à course créent de l’énergie mécanique pour alimenter des véhicules, des outils et diverses machines.

• Types de moteurs à 2 temps : moteur à 2 temps et moteur à 4 temps

Les moteurs à temps sont divisés en deux catégories selon le nombre de mouvements de piston, ou courses, nécessaires à un cycle de puissance. Chaque temps commence par une phase d'admission, de compression, de puissance et d'échappement. De plus, certaines conceptions spécialisées, comme les moteurs rotatifs et les moteurs 6 temps, bien que rares, sont encore utilisées dans des secteurs de niche. Alors, commençons !

i) Moteur à 2 temps

UN Un moteur à deux temps réalise un cycle complet de puissance en deux coups de piston : le mouvement de va-et-vient du piston vers le vilebrequin et une rotation de 360 degrés de ce dernier. Chaque tour de vilebrequin produit de la puissance. Pour les machines compactes et à grande vitesse, ce cycle rapide fournit une puissance largement suffisante pour la taille du moteur.

Vous trouverez couramment des moteurs à deux temps dans les motos, les moteurs hors-bord, les tronçonneuses et les petits équipements de jardinage, car ils sont légers et faciles à utiliser.

Avantages	Poids plus léger et petite taille. Puissance élevée par unité de poids, car la puissance est gagnée à chaque tour. La structure de base facilite la réparation et le remontage sur le terrain.
Inconvénients	Combustion inefficace du carburant. Durée de vie réduite de l'équipement en raison de l'utilisation intense et rapide de la combustion du carburant. Les outils ou véhicules qui intègrent cette conception sont plus abrasifs et produisent plus de bruit.

ii) Moteur à 4 temps

Un moteur à quatre temps comporte deux courses de piston supplémentaires, soit quatre au total : deux vers le haut et deux vers le bas, pour un cycle de puissance complet. Ce cycle peut être réalisé sur une rotation du vilebrequin de 720 degrés ; la puissance est produite une fois tous les deux tours.

Contrairement au moteur 2 temps, son cycle de performance est plus lent, ce qui se traduit par un fonctionnement plus propre et plus économe en carburant. Ce type de moteur équipe un nombre considérable de véhicules, des voitures et tondeuses à gazon aux générateurs et motos de grande taille. Son cycle régulier améliore le rendement énergétique et prolonge la durée de vie du moteur.

Avantages	Efficacité de combustion du carburant améliorée. Réduit les émissions dangereuses (vert). Un fonctionnement équilibré augmente la longévité du moteur. Niveaux de bruit réduits et fonctionnement plus fluide.
Inconvénients	Poids accru et conception plus compliquée. Composants mobiles supplémentaires tels que les soupapes et les arbres à cames. Des coûts de maintenance plus élevés et un temps d'entretien accru moteur.

• Autres variantes

Les moteurs 2 et 4 temps sont les standards traditionnels, mais certains ont tenté d'adopter des concepts différents pour améliorer les performances. Le moteur 6 temps en est un bon exemple : il ajoute deux temps supplémentaires pour récupérer la chaleur, ou « respirer », ce qui réduit la quantité de carburant nécessaire et diminue les émissions. Bien que rare, il fait l'objet de tests en vue d'une utilisation dans les technologies propres.

Un autre exemple est le moteur rotatif (ou Wankel), qui remplace les pistons par un rotor triangulaire rotatif. Ce moteur offre un mouvement réduit et un nombre minimal de composants. Cependant, ces moteurs sont généralement utilisés sur les voitures de course et d'autres véhicules, comme les anciennes Mazda. Des problèmes d'étanchéité et une faible consommation de carburant ont donc freiné leur adoption.

2) Principes de fonctionnement des moteurs à course

Les moteurs à combustion interne servent de source d'énergie à des appareils allant des automobiles aux tondeuses à gazon. Cependant, comprendre les mécanismes impliqués dans leur conversion de carburant en mouvement est essentiel, que vous soyez passionné ou étudiant.

Principaux composants d'un moteur à combustion interne

Avant d’explorer le fonctionnement des moteurs à combustion interne, nous devons d’abord décrire les principaux composants pertinents à leur fonctionnement.

• Cylindre : Tube métallique creux dans lequel est placé un piston qui se déplace verticalement.

• Piston : Pièce métallique solide tournant à l'intérieur du cylindre pour comprimer puis expulser le mélange de carburant et d'air.

• Vilebrequin : C'est un dispositif métallique avec des bras décalés et des contrepoids qui convertit le mouvement linéaire en mouvement de rotation pour entraîner les roues.

• Bougie d'allumage : C'est également un dispositif métallique qui démarre la combustion dans les moteurs à essence en enflammant le mélange air-carburant.

• Soupapes (Admission et Échappement) : Régule l'admission d'air-carburant et l'échappement des gaz d'échappement.

• Bielle : Transfère le mouvement entre le piston et le vilebrequin, le piston et le vilebrequin étant reliés par cette pièce.

Procédure de travail étape par étape

Le fonctionnement des moteurs à combustion interne consiste à répéter un cycle de quatre phases, exécuté en continu. Chacune de ces phases est régie par des principes physiques tels que la loi de Boyle, concernant la relation entre pression et volume, et la troisième loi de Newton, qui définit l'action et la réaction. Ces lois sont importantes pour comprendre le fonctionnement du moteur.

Étape 1) Course d'admission :

Lors de la course d'admission, le piston descend. Eh bien ! Ce mouvement augmente le volume de gaz à l'intérieur du cylindre, créant ainsi une zone de basse pression (loi de Boyl).

Ainsi, la soupape d'admission s'ouvre simultanément et cette différence de pression (pression atmosphérique extérieure plus élevée et pression cylindre plus basse) aspire le mélange air-carburant de l'extérieur vers le cylindre. Cela s'explique par le déplacement naturel des gaz des zones de pression élevée vers les zones de pression plus basse.

Étape 2) Coup de compression :

Une fois le cylindre rempli de mélange air-carburant, la soupape d'admission se ferme. Le piston se déplace alors vers le haut, diminuant ainsi le volume intérieur du cylindre et augmentant ainsi la pression.

En raison de l'augmentation de la pression, le mélange air-carburant dans le cylindre est comprimé, ce qui entraîne également une augmentation de la température (conformément aux lois de Boyle et de Gay-Lussac, qui stipulent que la pression dans un système fermé augmente avec la température). Il convient de noter que le carburant sous pression élevée s'enflamme plus facilement par étincelle.

Étape 3) Coup puissant :

Ici, le piston est toujours orienté vers le haut, comprimant le mélange air-carburant. Il a été allumé par la bougie. Cet allumage augmente ainsi rapidement la température à plus de 2 000 °C à l'intérieur du cylindre, provoquant la dilatation des gaz. Selon la loi de Newton III, la dilatation des gaz exerce une force sur le piston, puis une force égale et opposée s'exerce sur le vilebrequin, convertissant l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique (mouvement).

Étape 4) Course d'échappement :

Enfin, à mesure que le piston continue de monter, la pression à l'intérieur du cylindre augmente, comme indiqué précédemment. La soupape d'échappement s'ouvre alors, poussant les gaz brûlés hors du cylindre. Vous vous demandez peut-être pourquoi c'est important ? Eh bien ! De l'air frais et du carburant doivent entrer dans le cylindre pour démarrer le cycle suivant, ce qui n'est possible que par l'élimination des gaz brûlés.

N'oubliez pas ! Pour un moteur 4 temps, l'ensemble du processus s'effectue en deux tours complets du vilebrequin (720°). En comparaison, un moteur 2 temps effectue ce processus en un seul tour (360°), ce qui permet une puissance plus élevée mais un rendement moindre.

3) Utilisations courantes des moteurs à course

Les moteurs à pistons sont utilisés dans de nombreuses machines nécessitant énergie et puissance. Examinons de plus près les différents secteurs qui utilisent leur puissance !

i) Transport

Dans le secteur des transports, les moteurs à combustion interne équipent principalement les motos et les scooters, notamment les moteurs 4 temps. Ces moteurs ont longtemps été privilégiés pour les véhicules, car ils brûlent entièrement le carburant. Ils permettent de parcourir plus de distance par litre et de réduire les émissions polluantes. C'est donc un choix écologique.

De même, dans les situations où le véhicule doit être léger, comme avec les moteurs hors-bord sur les bateaux ou les karts, les moteurs à 2 temps dominent en popularité en raison de leur petite taille et de leur légèreté.

ii) Équipement de pelouse et de jardin

De plus, les équipements de jardinage comme les tondeuses, les coupe-bordures et même les tronçonneuses sont également équipés de moteurs 2 temps. En effet, outre leur légèreté et leur compacité, ces moteurs sont faciles d'entretien et fournissent une puissance suffisante pour l'élagage des arbres ou la tonte de l'herbe. Leur simplicité et leur excellent rapport poids/puissance en font des outils de jardinage portables nécessitant une grande maniabilité.

iii) Machines agricoles et industrielles

De même, les machines industrielles et agricoles bénéficient également de moteurs à quatre temps. Les petits générateurs, les pompes à eau et les motoculteurs utilisent des moteurs à quatre temps et sont donc alimentés par ces moteurs. Ces moteurs sont réputés pour leur fiabilité et leur durabilité sur de longues périodes d'utilisation.

Ils fournissent une puissance constante pour les tâches difficiles à exécuter sur de longues durées. Comme pour la plupart des applications industrielles, où chaque seconde compte, la capacité du moteur 4 temps à fonctionner sans interruption pendant de longues heures avec un minimum d'entretien est inestimable.

iv) Applications des véhicules de loisirs et RC

Enfin, dans le domaine des loisirs, les voitures, bateaux et avions télécommandés sont équipés de moteurs 2 temps, très performants. Ces moteurs doivent être légers et offrir un excellent rapport puissance/poids, notamment pour les passionnés souhaitant alléger leur véhicule tout en lui permettant d'atteindre des vitesses élevées.

4) Constructions DIY du moteur Stroke

Vous vous demandez peut-être s'il est possible de construire un modèle de moteur à réaction à la maison. Eh bien ! Que vous soyez passionné ou étudiant, nous comprenons votre curiosité. C'est pourquoi, chez engineDIY, nous avons conçu un kit de maquette de moteur à monter soi-même contenant tous les outils et équipements nécessaires pour concevoir un modèle de moteur à réaction fonctionnel à la maison.

Il vous suffit de lire les instructions fournies dans le kit et vous pourrez commencer l'assemblage. Pour vous aider, nous allons partager avec vous un tutoriel étape par étape. En suivant ces instructions, vous n'aurez aucun problème à construire et stimulerez votre créativité !

Pièces incluses dans un kit de moteur 4 temps standard à monter soi-même

• Bloc moteur

• Vilebrequin

• Pistons avec segments de piston

• Bielles

• Culasse

• Arbre à cames

• Vannes

• Culbuteurs et tiges de poussée

• Ressorts de soupape et dispositifs de retenue

• Carburateur ou corps de papillon

• Bougie

• Volant

• Carter d'huile

• Joints et joints

• Manuel d'instructions

Tutoriel d'assemblage étape par étape

Étape 1) Tout d'abord, vous devez déballer votre kit DIY. À l'intérieur, vous trouverez un manuel d'instructions qui s'avérera très utile tout au long du processus. Il est donc important de vérifier que chaque pièce est bien présente et qu'il ne manque rien.

Étape 2) Eh bien ! Commençons par l'assemblage du vilebrequin. Les composants nécessaires se trouvent dans une boîte séparée, étiquetée « composants du vilebrequin ». Suivez les instructions du manuel et ajoutez-y un petit piston. N'oubliez pas de graisser les pièces mobiles pour un fonctionnement plus fluide.

Étape 3) Ensuite, vous devez placer le bloc moteur et assembler ses extrémités inférieure et supérieure si elles sont séparées et insérer le vilebrequin.

Étape 4) Il est maintenant temps d'assembler les composants de la culasse, notamment les culbuteurs, les soupapes d'admission (coupe à 45 degrés) et d'échappement (coupe à 33 degrés), ainsi que l'arbre à cames. Placez d'abord deux culbuteurs de soupapes percés de deux trous sur la culasse supérieure, comme illustré ci-dessous !

Prenez ensuite un arbre à cames miniature et insérez le pignon d'arbre à cames. N'oubliez pas que le repère monte et que le lobe descend.

Étape 5) Insérez maintenant l'arbre à cames dans la culasse. Le joint doit également être placé. Les boulons de culasse doivent être serrés en diagonale par rapport à la culasse.

Étape 6) Les repères du vilebrequin et de l'arbre à cames doivent être alignés. L'insertion des pignons de distribution ou de la chaîne/courroie doit également être effectuée sur les deux. Les pièces restantes, comme les culbuteurs et les tiges de culbuteur, doivent être montées sur la commande des soupapes. Les culbuteurs doivent être réglés pour minimiser le jeu aux soupapes. Les joints indiqués doivent être utilisés pour boulonner les collecteurs d'admission et d'échappement.

Étape 7) Le carburateur doit être monté directement sur le côté admission. L'installation des conduites de carburant doit ensuite avoir lieu. La bobine d'allumage et ses fils doivent être connectés à la bougie après son installation.

Étape 8) Le moteur et le volant d'inertie doivent être fixés sur la base de l'écran. Enfin, un ventilateur de refroidissement optionnel peut être ajouté si nécessaire.

Étape 9) Enfin, ajoutez de l'huile si nécessaire. Lancez le vilebrequin à la main. Si le système est alimenté, branchez le démarreur, le carburant et testez le système.

5) Notes conclusives

De tout ce qui précède, nous avons conclu que, que vous soyez amateur ou ingénieur en herbe, construire un moteur à partir d'un kit DIY peut être une entreprise passionnante et gratifiante. Avec des connaissances de base et les bons outils, vous pourrez apprendre le fonctionnement de votre secteur des transports et apprendre à conduire des voitures, des motos, etc.

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6) FAQ relatives au moteur à course

i) Quelle est la différence entre un moteur 2 temps et un moteur 4 temps ?

Un moteur 2 temps offre un meilleur rapport puissance/poids, mais effectue un cycle de puissance en deux temps. À l'inverse, un moteur 4 temps est plus économe en carburant et produit moins d'émissions, effectuant le cycle en quatre temps.

ii) Puis-je construire moi-même un moteur à réaction ?

Absolument oui, vous pouvez construire un moteur stroker vous-même à la maison grâce à un kit DIY. Ce kit contient tous les composants et outils nécessaires pour construire un moteur stroker. Cependant, une connaissance approfondie de la mécanique et de l'assemblage d'un moteur est nécessaire pour garantir son bon fonctionnement et sa sécurité.

iii) Quelles sont les applications courantes des moteurs à 2 temps ?

Si l'on parle de moteurs 2 temps, il faut savoir qu'ils équipent principalement les motos, les scooters, les moteurs hors-bord et les karts. Ils sont conçus pour les petits véhicules légers.

iv) Comment fonctionnent les moteurs à combustion interne ?

Les moteurs à quatre temps fonctionnent grâce à une séquence de mouvements de pistons (admission, compression, puissance et échappement), convertissant ainsi le carburant en énergie mécanique. Dans le cas des moteurs à quatre temps, ces mouvements s'effectuent sur quatre cycles, tandis que les moteurs à deux temps effectuent ce mouvement en un seul tour.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le moteur, n'hésitez pas à cliquer sur le lien ci-dessous pour plus de détails

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