Moteurs à combustion interne à deux et quatre temps et processus de combustion

L'avantage des moteurs à deux temps est leur conception simple: pas de soupapes susceptibles de s'encrasser, pas de cames. Une puissance et une vitesse plus élevées peuvent être extraites du même volume, par rapport à un moteur à quatre temps. La chaîne d'une tronçonneuse doit tourner à grande vitesse, et dans une machine que l'on tient dans les mains toute la journée, il est peu efficace, en termes d'espace et de place, d'avoir des réservoirs de carburant et d'huile séparés pour la lubrification du moteur. En outre, une tronçonneuse nécessite un espace pour un réservoir d'huile pour la lubrification à perte de la chaîne. Les moteurs à essence à deux temps sont donc bien adaptés à une utilisation dans des conditions exigeantes - par exemple, les motos tout-terrain sont beaucoup plus faciles à nettoyer et à entretenir grâce à eux. La compagnie suédoise Husqvarna s'est fait un nom avec ses outils et ses motos à deux temps. Les moteurs à deux temps sont encore utilisés aujourd'hui dans les motoneiges et les moteurs de bateaux.

Pendant de nombreuses années, les outils de jardinage, et notamment les machines portée sur le dos ou tenue dans les mains, n'était disponible qu'en version deux temps. Toutefois, l'évolution technique a permis de mettre sur le marché de petits moteurs à essence à quatre temps. La japonaise Honda, par exemple, les propose dans des produits tels que les coupe-bordures et les taille-haies.

Les moteurs à deux temps sont donc plutôt en déclin et le seul domaine où l'on peut espérer leur essor à long terme est celui des moteurs marins à deux temps à vitesse lente. Ce qui est étrange, c'est que si les émissions sont très importantes pour les véhicules routiers, les moteurs marins ne sont pas couverts par les normes d'émissions habituelles. La consommation des moteurs marins est calculée en tonnes et ils sont alimentés par du diesel marin (mazoute/fioul), un carburant bon marché dont la teneur en soufre peut atteindre 3,5 %. À titre d'exemple, un navire de croisière de seize ponts et de plus de 2 500 cabines, l'Harmony of the Seas, brûle 5 200 litres de ce carburant de mauvaise qualité en une heure de voyage. Il n'en reste pas moins que le trafic automobile modifie le climat cinq fois plus que les navires. En effet, il y a beaucoup plus de voitures que de navires.

Dans le passé, des locomotives diesel à deux temps ont été produites, par exemple, les locomotives soviétiques de la série 781 (appelées Sergei). Leur principal inconvénient était leur consommation élevée de carburant et leur niveau de bruit. Le moteur diesel à 12 cylindres de cette locomotive avait une puissance maximale de 2000 cv, brûlant 410 litres de diesel par heure. Le moteur au ralenti ne consomme que 40 litres de carburant par heure.

Aujourd'hui, les moteurs à combustion interne à quatre temps dominent absolument le marché, et cet article traitera de l'évolution de l'efficacité de ces moteurs, puisque les nouveaux moteurs à deux temps ne sont plus généralement construits pour être utilisés dans les voitures ou les camions.

Pour les moteurs à essence et diesel à quatre temps, le vilebrequin tourne deux fois pendant ses quatre périodes de fonctionnement consécutives. Le travail du moteur se déroule au-dessus du piston et en dessous des soupapes, qui sont commandées par l'arbre à cames. Le moteur assure l'échange de charge dans le cylindre (mélange air-carburant et gaz d'échappement).

Le piston se déplace vers le bas et le mélange air-carburant est aspiré par la soupape d'admission ouverte. Pour que l'effet d'admission soit optimal, la soupape d'admission s'ouvre et un moment avant que le piston n'atteigne le sommet de la levée (le point où le piston, se déplaçant le long d'une trajectoire définie, change de direction de mouvement). Cette avance équivaut à plusieurs degrés de rotation de la manivelle. Lorsque le piston atteint l'extrémité inférieure, la soupape reste ouverte pendant un court moment pour maximiser le remplissage du cylindre.

Le piston se déplace vers le haut, comprimant le mélange dans le cylindre. Dans le cas d'un moteur à essence, le carburant est allumé par la bougie d'allumage avant que le piston n'atteigne l'extrémité supérieure. Le carburant d'un moteur diesel n'a pas besoin d'une bougie d'allumage pour s'enflammer, car le moteur diesel fonctionne à des pressions de compression beaucoup plus élevées et les vapeurs de carburant et d'air s'enflamment d'elles-mêmes car la température du mélange augmente avec la pression.

Après l'allumage (essence) ou la mise à feu (diesel), le cylindre subit une augmentation de la température et de la pression. En raison de l'expansion des gaz, le piston est poussé vers le bas et le travail est effectué. Parfois, cette course est également appelée course de travail, car c'est seulement à ce stade que le moteur effectue un travail utile.

Un moteur à deux temps, contrairement à un moteur à quatre temps, est beaucoup plus simple et son cycle de travail est accompli en une révolution du vilebrequin. Dans un moteur à quatre temps, c'est une fois tous les deux tours. Un moteur à combustion interne à deux temps n'utilise pas de soupapes pour alimenter le mélange d'allumage et évacuer les gaz d'échappement, le piston et les canaux se chargent du mélange d'allumage. C'est le nombre réduit de composants et la conception plus simple qui font que le moteur à deux temps est idéal pour être utilisé dans des environnements sales, car la machine est beaucoup plus facile à nettoyer. Les moteurs à deux temps de même cylindrée sont généralement plus légers que les moteurs à quatre temps et fournissent plus de puissance que les moteurs à quatre temps plus modernes. C'est leur légèreté, leur couple élevé et leur facilité d'entretien qui les rendent idéales pour les outils à main et les environnements sales (motocross, motos de terre). Le problème des moteurs à deux temps est leur faible rendement, de l'ordre de 20 % seulement, et, en raison de la combustion d'un mélange d'huile et d'essence, les émissions ne sont pas très bonnes. Dans les tronçonneuses, les deux temps sont encore irremplaçables et les tronçonneuses à quatre temps ne sont pas vendues du tout.

Le piston se déplace de l'alésage inférieur vers l'alésage supérieur. Une dépression est créée dans le carter et le piston qui se déplace vers le haut ouvre le canal d'admission, aspirant ainsi le mélange dans le carter (s'il s'agit d'un moteur à deux temps plus moderne, une soupape d'admission à tiroir rotatif ou à orifice unique est utilisée). Lorsque le piston se déplace vers le haut, cela ferme les canaux d'échappement et d'overboost. Le mélange d'allumage qui se trouve au-dessus du piston est comprimé (compression).

Quelques instants avant que le piston n'atteigne l'orifice supérieur, une étincelle jaillit, le mélange d'allumage commence à brûler et l'énergie de l'échappement pousse le piston de l'orifice supérieur vers l'orifice inférieur. Le bord inférieur du piston ferme le conduit d'admission. Le mouvement du piston comprime le mélange, et lors du mouvement suivant du piston, le bord supérieur du piston ouvre le conduit d'échappement, et à son tour le bord supérieur du piston ouvre également le conduit de balayage, le mélange fondu commence à déplacer les résidus d'échappement. Ensuite, le piston reprend sa course vers le haut, le canal d'échappement et d'admission se ferme, le mélange est à nouveau sucré et l'admission a lieu au bas du piston.

Le carburateur est composé des éléments suivants : chambre de mélange, diffuseur, flotteur, chambre de flotteur, vanne de purge, vanne à pointeau, tube de pulvérisation, papillon des gaz.

Le Suédois Jonas Hesselman a contribué au développement de l'injection de carburant en 1925. Cet inventeur est remarquable car son moteur utilisait de l'essence pour démarrer, et après le réchauffement, du fioul lourd était brûlé.

Aux premiers jours de la technologie de l'injection, la puissance était augmentée en délivrant plus de carburant dans le cylindre. La technologie du carburateur n'a pas complètement disparu des nouvelles voitures avant les années 1990. L'injection présente de nombreux avantages par rapport à la préparation du mélange du carburateur. Il est possible d'obtenir jusqu'à 20 % de puissance supplémentaire à partir d'un litre de carburant tout en réduisant la consommation de carburant jusqu'à 15 %, le temps de réaction à la pédale est amélioré et les moteurs à injection ne nécessitent plus de starter manuel. On pourrait dire qu'il est ainsi plus facile de démarrer une voiture moderne qu'une vieille Citroën à carburateur. Ainsi, les conducteurs modernes ont généralement du mal à démarrer les vieilles voitures, car les voitures modernes n'ont pas de starter manuel.

L'injection de carburant est mise en œuvre dans une pléthore de conceptions. Selon le type de conception choisi, il injecte soit dans la préchambre, soit dans le collecteur d'admission, soit dans la tubulure d'admission, soit dans le cylindre.

Afin d'assurer le meilleur mélange carburant/air et la meilleure atomisation possible, le carburant est injecté sous haute pression à partir d'une petite ouverture de buse. Cela crée de petites gouttelettes. Pour les moteurs à essence, on injecte du carburant facilement vaporisable (essence, éthanol E85...), les moteurs diesel du carburant liquide (gazole, fioul, huiles diverses).