Moteurs à explosion : les deux temps prédominent-ils ?

1989/03/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza

La base physique des moteurs à explosion est le deuxième principe de la thermodynamique publié par Carnot en 1824. Selon ce principe, la machine thermique (par exemple, le moteur à explosion) doit transporter la chaleur de la source chaude au froid pour fonctionner. En conséquence, Jammes Watt fabriqué une machine à vapeur en 1767 et Lenoir, moteur à gaz en 1859. Plus tard, Beau de Rochase a pensé à améliorer les performances du gaz qui allait brûler avec une compression préalable. L'Allemand Otto a terminé cette idée dans le moteur à piston en 1877.

Depuis 1900, les moteurs à piston ont été divisés en deux grands groupes: les moteurs quatre temps et deux temps. Vers 1900, un moteur a été découvert qui remplacerait le moteur de quatre temps par deux fois. Dans ce nouveau moteur, il n'y avait ni systèmes de distribution, ni valves, ni ressorts, ni arbres à cames. Le moteur est plus léger, plus petit et plus facile à fabriquer.

Superposée à l'absorption et au vidage, la force motrice est recueillie dans chaque demi-vie du vilebrequin dans les moteurs de deux temps et dans ceux de quatre temps en deux tours seulement au milieu.

En termes de performance, le moteur à deux temps a ses inconvénients (sinon les voitures n'auraient pas de moteurs à quatre temps). D'une part, quand le piston est en bas, les gaz brûlés ne vont pas complètement par la fenêtre de sortie et on accède un peu à la fenêtre venant le mélange froid. À son tour, le mélange froid a tendance à sortir directement de la fenêtre d'échappement sans remplir le cylindre. Cela signifie une augmentation de la consommation du moteur et une plus grande pollution des gaz émis.

En outre, les moteurs à deux temps pour la recherche thermodynamique sont plus difficiles. Simuler dans des conditions turbulentes les gaz brûlés et l'évolution du mélange froid de combustible est impossible dans les moteurs à deux temps.

Moteur 4 temps

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La première fois que la soupape d'entrée est ouverte, le piston descend en aspirant le mélange air et essence à l'intérieur du cylindre. Lorsque le piston monte, la deuxième fois, la valve est fermée et le mélange est comprimé. Lorsque le piston est en haut, une étincelle apparaît dans la bougie et le mélange explose. Par l'action de Presia le piston descend avec force (pour la troisième fois le piston ne travaille qu'à cette occasion). Ensuite, lorsque le piston monte (quatrième fois), la soupape d'échappement s'ouvre et les gaz brûlés sortent à l'extérieur. Enfin, la soupape d'échappement est fermée, la soupape d'entrée est ouverte et le cycle de quatre temps est répété. Dans le moteur à deux temps, le cylindre manque de valve. En bas, il y a deux fenêtres opposées et lorsque le piston est en haut, sa surface cylindrique ferme les deux fenêtres. Sous ces deux fenêtres se trouve la troisième connectée au carburateur et s'ouvre lorsque le piston est en haut. Il y a aussi un chemin qui relie le carter à une fenêtre supérieure. Lorsque le piston monte, les deux fenêtres opposées sont fermées et le mélange de carburant est comprimé. Dans le même temps, sous le piston (carter) se produit une dépression. Lorsque le piston est en haut, la fenêtre inférieure est ouverte et communique avec le carter, qui est immédiatement rempli de mélanges de carburant. Toutes ces opérations sont effectuées en une seule fois. Avec le piston sur le dessus, le mélange de l'étincelle de la bougie explose et le piston subit une force vers le bas. La surface cylindrique du piston ferme la fenêtre d'entrée et comprime le mélange de carburant dans le carter. Lorsque le piston arrive presque au fond, les deux fenêtres opposées apparaissent libres et tandis que les gaz brûlés sortent d'un côté, de l'autre, un mélange froid de combustible entraîné par la compression du carter est introduit. Une fois cette deuxième étape terminée, le cycle recommence.

Mais l'ingénieur australien Ralph Sarich a introduit de nombreuses améliorations dans le moteur à deux temps. M. Sarich est l'inventé en 1973 d'un moteur d'explosion spécial. Il avait un piston central pivotant mais pas de type Wankel, il formait une sorte d'orbite. Avec le prix qu'il a remporté, il a formé une association de recherche de moteurs à explosion.

Tout d'abord, il a commencé à travailler son moteur “orbital”, la recherche et le développement du système d'injection directe pour améliorer ses performances. Le système d'injection est pneumatique, semblable à celui des grands moteurs diesel des bateaux. L'air comprimé est injecté dans la chambre de combustion en pulvérisant le combustible. Il s'agit donc d'un système à deux fluides qui fonctionne comme un pistolet de peinture.

L'injection pneumatique développée par l'équipe de Sarich avait deux objectifs : améliorer les performances et réduire les gaz polluants de sortie.

Mais la chose surprenante est que le système obtient les meilleurs rendements dans les moteurs à deux temps. Car en plus de gagner de la puissance, il réduit beaucoup la consommation. C'est pourquoi maintenant toutes les recherches sont menées dans des moteurs à deux temps. Le système de M. Sarich recueille tous les organes nécessaires dans un collecteur d'injection: tuyaux, doseurs, alimentation, contrôle électronique, etc. Dans les premiers essais, un compresseur d'air indépendant a été utilisé, mais la pression nécessaire est maintenant prise directement de la chambre de combustion grâce à six trous parfaitement calibrés.

La pression nécessaire dans la chambre de cuisson n'est pas élevée, mais d'environ cinq bars. À cette basse pression, il est plus facile de contrôler le retard d’injection (nécessaire pour améliorer les performances) et on peut charger le mélange sur le ruisseau « stratifié ». Le tourbillon généré lors du remplissage du cylindre est utilisé pour obtenir des couches de différentes concentrations de carburant (un peu comme les couches géologiques). La couche la plus riche de combustibles est à côté de la bougie et les couches les plus pauvres sont les plus éloignées. Quand il est exploité de cette façon, il améliore les performances du moteur, la consommation et la composition des gaz de sortie.

L'injection gouvernée par capteur électronique a empêché dans les moteurs à deux temps le mélange froid de sortir de l'échappement. Cependant, il existe d'autres obstacles comme le manque de temps à faible vitesse de rotation, l'instable “ralenti” et la consommation élevée de lubrifiant.

Pour améliorer le problème du moment, Sarich a installé des fenêtres à section variable. Une valve rotative permet d'obtenir la section la plus appropriée à tout moment. Sur la voie d'entrée, des palettes flottantes s'ouvrent dans la menuiserie et sont recueillies au moment de la compression. Ainsi, le moment est passé de 90 Nm à 135 Nm entre 1000 et 6000 rpm. Le résultat a été meilleur que dans les moteurs 4 temps. La géométrie variable de la fenêtre d'échappement a également permis de stabiliser le ralenti. En ce qui concerne la consommation de lubrifiant, dans le moteur de Sarich le carburant n'est pas en contact avec le carter et l'essence ne se mélange pas d'huile comme dans les moteurs normaux de deux temps (cette huile d'essence pollue ensuite les gaz de sortie). La lubrification est réalisée avec une pompe supplémentaire dans le moteur de Sarich et à partir de 2500 km environ un litre d'huile est dépensé.

En général, ce moteur a plus d'avantages que les voitures actuelles. D'une part, il a facilement dépassé les tests américains les plus exigeants contre la pollution et, grâce à cela, il n'a pas besoin de catalyseur réducteur pour les gaz de sortie. Cela permet d'économiser la moitié du système d'échappement. D'autre part, la puissance du moteur est très différente. Le moteur de Sarich, avec une cylindrée de 1,2 litres, donne une puissance de 91 chevaux et pèse 41 kilos. De son côté, tout moteur des quatre temps actuels, avec une cylindrée de 1,6 litres, atteint une puissance de 85 chevaux et pèse 128 kilos. Dans le moteur Sarich, les vibrations sont plus faibles, les accélérations sont meilleures, la consommation a diminué de 10% à 20%, etc.

Pour le moment, Ford et General Motors testent ce nouveau moteur de deux temps et dans quelques années leur domination ne sera pas surprenant.