Devant un moteur ouvert, range chaque pièce selon qu'elle bouge ou non. Les organes fixes forment l'enveloppe : bloc-cylindres, culasse, joint de culasse, carter d'huile. Les organes mobiles se partagent en deux groupes : l'équipage mobile, qui change la poussée des gaz en rotation (piston, segments, bielle, vilebrequin, volant moteur), et la distribution, qui ouvre et ferme les soupapes (arbre à cames, soupapes, ressorts). Exemple : le vilebrequin tourne et porte les bielles, il fait donc partie de l'équipage mobile.
Les organes fixes : l'enveloppe du moteur
Le bloc-cylindres, ou bloc moteur, est la pièce principale, en fonte ou en alliage d'aluminium. Il contient les cylindres, où glissent les pistons, et porte le vilebrequin dans sa partie basse. Des canaux le traversent pour l'huile et le liquide de refroidissement.
La culasse ferme le haut des cylindres. Elle porte les soupapes, souvent l'arbre à cames, et les bougies d'allumage sur un moteur essence ou les injecteurs sur un diesel. Quand le piston est tout en haut, il reste entre lui et la culasse un petit volume : la chambre de combustion, où le mélange brûle.
Entre le bloc et la culasse, le joint de culasse fait l'étanchéité : il garde les gaz dans les cylindres et empêche l'huile et le liquide de refroidissement de se mélanger ou d'y entrer. En bas, le carter d'huile, en tôle ou en alliage léger, ferme le bloc et sert de réserve d'huile.
L'équipage mobile : de la poussée à la rotation
Le piston coulisse dans le cylindre et reçoit sur sa tête la poussée des gaz qui brûlent. Il va et vient entre deux positions où il s'arrête un instant : le point mort haut (PMH), tout en haut, et le point mort bas (PMB), tout en bas.
Dans des gorges autour du piston se logent les segments, des anneaux métalliques qui frottent contre la paroi du cylindre. Du haut vers le bas, le segment de feu encaisse la chaleur et fait l'essentiel de l'étanchéité aux gaz. Le segment d'étanchéité retient les gaz qui passent malgré tout. Le segment racleur enlève l'excès d'huile de la paroi et le renvoie vers le carter.
La bielle relie le piston au vilebrequin. Son pied entoure l'axe du piston ; sa tête enserre un maneton, une portée du vilebrequin décalée par rapport à son axe. La tête s'ouvre en deux pour le montage : la partie qu'on retire est le chapeau, et deux demi-coussinets garnis de métal antifriction limitent le frottement sur le maneton.
Le vilebrequin est l'arbre qui tourne. Ses tourillons, des portées alignées sur son axe, tournent dans les paliers du bloc. La distance entre l'axe d'un maneton et l'axe des tourillons s'appelle l'excentration. Des contrepoids l'équilibrent pour limiter les vibrations.
Pense à un pédalier de vélo : ta jambe joue le rôle de la bielle, la pédale celui du maneton, l'axe du pédalier celui des tourillons. Sur un demi-tour, ton pied descend du point le plus haut au point le plus bas, soit deux longueurs de manivelle. Le piston fait de même entre PMH et PMB.
Formule : la course $C$, distance parcourue par le piston du PMH au PMB, vaut le double de l'excentration $e$ : $C = 2e$.
Au bout du vilebrequin est fixé le volant moteur, un disque lourd. Son inertie régularise la rotation entre deux combustions. Sa couronne dentée permet au démarreur de lancer le moteur, et il porte l'embrayage.
La distribution : ouvrir et fermer les soupapes
Chaque cylindre a au moins une soupape d'admission, qui laisse entrer l'air ou le mélange air-carburant, et une soupape d'échappement, qui laisse sortir les gaz brûlés. Une soupape ressemble à un gros clou : sa tête se plaque sur un siège, dans la culasse, et ferme le conduit.
L'arbre à cames porte des cames, des bosses en forme d'œuf. En tournant, une came appuie sur sa soupape par l'intermédiaire d'un poussoir ou d'un levier (culbuteur, linguet) et l'ouvre. Une fois la bosse passée, le ressort de soupape la referme.
Le vilebrequin entraîne l'arbre à cames par une courroie crantée ou une chaîne, et l'arbre à cames tourne deux fois moins vite que lui. Dans un moteur quatre temps, un cycle dure deux tours de vilebrequin, et chaque soupape ne s'ouvre qu'une fois par cycle.
Conseil : sur une culasse démontée, compare les têtes des soupapes d'un même cylindre : les soupapes d'admission ont les plus grandes.
Les cotes du moteur : course, cylindrée, rapport volumétrique
L'alésage $D$ est le diamètre intérieur du cylindre. La cylindrée unitaire $V_u$ est le volume balayé par le piston sur une course : un cylindre de diamètre $D$ et de hauteur $C$. Son volume, c'est l'aire du disque, $\pi \times \left(\dfrac{D}{2}\right)^2$, multipliée par la hauteur.
Formule : pour un moteur à $n$ cylindres,
$$V_u = \frac{\pi D^2}{4} \times C \qquad V = n \times V_u$$
$V$ est la cylindrée totale. Avec $D$ et $C$ en centimètres, tu obtiens des cm³ ; $1\,000$ cm³ font 1 L.
Piège classique : prendre l'excentration pour la course. Sur un vilebrequin dont les manetons sont décalés de 45 mm, la course vaut 90 mm : avec 45 mm, ta cylindrée serait deux fois trop petite.
Pour le rapport volumétrique, regarde le volume enfermé au-dessus du piston, soupapes fermées. Au PMB, il vaut $V_u + v$ ; au PMH, il ne reste que $v$, le volume de la chambre de combustion. Le rapport volumétrique $\varepsilon$ dit combien de fois la compression réduit ce volume (définition de la revue Technologie, n° 177).
Formule :
$$\varepsilon = \frac{V_u + v}{v}$$
C'est un nombre sans unité, souvent écrit sous la forme $10:1$.
Piège classique : calculer $\dfrac{V_u}{v}$. Au PMB, la chambre de combustion est toujours là, au-dessus du volume balayé. Avec $V_u = 450$ cm³ et $v = 50$ cm³, $\varepsilon = \dfrac{450 + 50}{50} = 10$, pas 9.
Exercices corrigés
Du plus direct au niveau d'un contrôle. Cherche sur ta feuille avant d'ouvrir chaque correction.
Exercice 1 : Sur l'établi, tu as un carter d'huile, des segments, un arbre à cames, un volant moteur, un joint de culasse, une bielle et des ressorts de soupape. Range chaque pièce parmi les organes fixes, l'équipage mobile ou la distribution, puis donne deux rôles du volant moteur.
Correction :
Organes fixes : le carter d'huile et le joint de culasse, qui ne bougent pas.
Équipage mobile : les segments et la bielle, qui bougent avec le piston, et le volant moteur, qui tourne avec le vilebrequin.
Distribution : l'arbre à cames et les ressorts de soupape, qui commandent l'ouverture et la fermeture des soupapes.
Le volant moteur régularise la rotation par son inertie, et sa couronne dentée permet au démarreur de lancer le moteur ; il porte aussi l'embrayage.
Exercice 2 : Un moteur quatre temps tourne à $2\,400$ tr/min (tours par minute). À quelle vitesse tourne son arbre à cames ? Combien de fois par seconde une soupape d'admission s'ouvre-t-elle ?
Correction :
L'arbre à cames tourne deux fois moins vite que le vilebrequin : $\dfrac{2\,400}{2} = 1\,200$ tr/min.
Chaque soupape s'ouvre une fois par tour d'arbre à cames, donc $1\,200$ fois par minute, soit $\dfrac{1\,200}{60} = 20$ fois par seconde. Répondre 40, c'est oublier qu'une soupape ne s'ouvre qu'un tour de vilebrequin sur deux.
Exercice 3 : Sur un moteur quatre cylindres, tu mesures un alésage de 76 mm. Sur le vilebrequin, l'axe des manetons est décalé de 40 mm par rapport à l'axe des tourillons. Calcule la course, puis la cylindrée totale en cm³ (à l'unité) et en litres (au centième).
Correction :
La course vaut le double de l'excentration : $C = 2 \times 40 = 80$ mm, soit $8{,}0$ cm. L'alésage fait $7{,}6$ cm.
Cylindrée unitaire : $V_u = \dfrac{\pi \times 7{,}6^2}{4} \times 8{,}0 \approx 362{,}9$ cm³.
Cylindrée totale : $V = 4 \times 362{,}9 \approx 1\,452$ cm³, soit environ $1{,}45$ L.
Avec 40 mm comme course, tu aurais trouvé la moitié, environ 726 cm³ : c'est le piège de l'excentration.
Exercice 4 : Un moteur de moto monocylindre a une cylindrée de 125 cm³ et une chambre de combustion de $12{,}5$ cm³.
a) Calcule son rapport volumétrique.
b) Quel volume de chambre donnerait un rapport volumétrique de 10 ? Arrondis au dixième de cm³.
Correction :
a) $\varepsilon = \dfrac{125 + 12{,}5}{12{,}5} = \dfrac{137{,}5}{12{,}5} = 11$.
b) On cherche $v$ tel que $\dfrac{125 + v}{v} = 10$. En multipliant par $v$ : $125 + v = 10v$, donc $9v = 125$ et $v = \dfrac{125}{9} \approx 13{,}9$ cm³.
Vérification : $\dfrac{125 + 13{,}9}{13{,}9} \approx 9{,}99$, soit 10 à l'arrondi près. Logique : avec une chambre plus grande, le gaz est moins comprimé, donc le rapport baisse.
À retenir
À retenir :
- Organes fixes : bloc-cylindres, culasse, joint de culasse, carter d'huile.
- Équipage mobile : piston, segments (feu, étanchéité, racleur), bielle, vilebrequin, volant moteur.
- Distribution : arbre à cames, soupapes, ressorts ; l'arbre à cames tourne deux fois moins vite que le vilebrequin.
- Bielle : le pied sur l'axe du piston, la tête sur le maneton.
- $C = 2e$ : la course vaut le double de l'excentration.
- $V_u = \dfrac{\pi D^2}{4} \times C$ et $V = n \times V_u$, avec $D$ et $C$ en cm pour des cm³.
- $\varepsilon = \dfrac{V_u + v}{v}$, sans oublier $v$ au numérateur.
Sources
- William Fourmental et Luc Nadalon, « Une compression intelligente », revue Technologie n° 177, janvier-février 2012, encadré « Taux de compression et rapport volumétrique » : article sur éduscol STI.