Bien comprendre le cycle du quatre-temps .....................
La passion pour le bateau à moteur est indissociable de celle pour la mécanique ! Pour que celle-ci n’ait (presque) plus de secrets pour vous, notre journaliste est retournée à l’école aux côtés des élèves de l’INB en Certificat de qualification professio
La silhouette lascive des îles allongées sur l’horizon captive toute votre attention et la promesse de fouler le sable blanc vous fait oublier la machine extraordinaire qui se trouve juste derrière vous, accrochée au tableau arrière. Mais avez-vous conscience que sous le capot de votre moteur se joue un ballet parfaitement millimétré de danseuses de métal mues par les règles fascinantes de la chimie et de la dynamique des fluides ? La mécanique est un domaine bien plus subtil qu’il n’y paraît !
Si le moteur à combustion interne existe depuis la seconde moitié du 19e siècle et que son principe de fonctionnement n’a pas fondamentalement évolué, les constructeurs n’ont eu de cesse d’en améliorer la technologie. C’est aux côtés de Maël Derrien, formateur référent du CQP Mécanicien Nautique à l’Institut Nautique de Bretagne (Concarneau), que nous allons nous pencher sur l’anatomie et le fonctionnement d’un moteur. Bien connaître le fonctionnement d’un moteur, c’est tout d’abord intéressant voire passionnant ! Mais c’est aussi foncièrement utile car cela permet d’avoir les clés pour comprendre l’intérêt d’en assurer un entretien rigoureux et régulier, pour en prendre le meilleur soin possible, et en mer, pour l’utiliser correctement. Mais commençons par le commencement. Un moteur n’est autre qu’une petite usine qui transforme, par combustion, de l’énergie chimique (air + carburant) en énergie mécanique. Le mouvement rectiligne et alternatif des pistons est transformé par les bielles en mouvement rotatif et linéaire du vilebrequin. Un moteur produit également de l’énergie calorifique et des résidus de combustion, considérés comme des pertes (et comme une pollution, concernant les résidus).
Un peu d’anatomie
Côté anatomie, on distingue les organes fixes, les organes mobiles et les organes annexes. Le bloc-moteur, où se trouvent les cylindres, est l’organe fixe « central ». La culasse
« ferme » le bloc moteur en haut des cylindres. Elle contient les arbres à cames (les cames commandent l’ouverture et la fermeture des soupapes), les soupapes ainsi que les conduits d’air (admission et échappement). La culasse est recouverte d’une sorte de couvercle appelé cache-culbuteurs : à l’époque où les arbres à cames étaient situés sous ou sur le côté des cylindres, les tiges de culbuteurs actionnaient les soupapes « à distance ». Aujourd’hui, les moteurs quatre-temps sont quasiment tous dotés d’arbres à came en tête. Les poussoirs et les tiges de culbuteurs ont donc presque disparu. Le nom de cache-culbuteurs est resté. Sous le bloc moteur, faisant également partie des organes fixes, on trouve le bas-carter où est stockée l’huile. Sans oublier les joints, le principal étant le fameux joint de culasse. Les organes mobiles comptent les pistons, qui compriment le mélange air/essence et reçoivent
la poussée lors de la détente des gaz ; les bielles, qui transmettent la force motrice des pistons au vilebrequin ; le vilebrequin, qui fournit un mouvement circulaire à la sortie du moteur ; le volant moteur qui, entraîné par le démarreur, permet le démarrage du moteur puis régularise le mouvement de rotation du vilebrequin (la masse du volant amortit les coups de pistons) ; enfin, la distribution (pignonnerie ou chaîne ou courroie) qui gère l’ouverture et la fermeture des soupapes. Parmi les principaux organes annexes, citons : le système d’allumage (bougies, bobines haute tension, boîtier de gestion d’allumage, etc.) qui provoque, grâce à une étincelle, la combustion du mélange air/ essence comprimé ; le système d’alimentation qui assure le stockage, l’approvisionnement et la préparation du mélange air/essence (carburateur ou injecteurs, pompe basse pression et haute pression) ; le circuit de graissage qui permet la lubrification (l’huile est envoyée sous pression par des canalisations dans le bloc moteur pour lubrifier les pièces en mouvement à différents points stratégiques) ; les circuits électriques de démarrage et de charge (démarreur, alternateur…), les collecteurs (admission et échappement) ainsi que le circuit de refroidissement (pompe à eau, thermostat, clapet de pression d’eau, etc.).
Un cycle, quatre phases
Tous les organes du moteur s’animent au rythme d’un cycle comprenant quatre phases : la phase d’admission, la phase de compression, la phase de combustion/détente, la phase d’échappement.
La phase d’admission débute lorsque le piston est presque au point mort haut (PMH). La dépression créée par la descente du piston, à laquelle s’additionne la poussée de la pression atmosphérique via le conduit d’admission, remplissent le cylindre du mélange air/essence. Notez que le marché étant dominé par les moteurs quatre-temps à carburateur (organe à l’intérieur duquel se fait le mélange air/essence) ou à injection indirecte (pour un meilleur rendement, l’essence est injectée en amont de la soupape, dans le conduit d’admission), nous avons pris le parti de décrire le cycle de fonctionnement en postulant que c’est un mélange air/essence qui est admis dans le cylindre. Nous parlerons d’injection directe ultérieurement (seul l’air est admis dans le conduit d’admission et l’essence est directement injectée dans le cylindre). Le mélange air/essence se fait à un dosage dit stoechiométrique (en chimie, dosage parfait entre plusieurs éléments : les réactifs sont tous consommés à l’état final), soit 14,7 g d’air pour 1 g d’essence. La précision du dosage est très importante pour obtenir la totalité des chevaux du moteur. Le piston arrive au point mort bas (PMB) puis commence à remonter. La soupape d’admission est encore ouverte et se ferme un peu après le point mort bas. C’est ce qu’on appelle le retard à la fermeture de l’admission (RFA). Ce retard permet, en jouant sur l’inertie de la colonne du mélange admis dans le cylindre, d’optimiser le taux de remplissage afin de favoriser une meilleure combustion. La soupape d’admission se ferme.
La phase de compression commence alors.
La compression est déterminée par le constructeur et est exprimée en bars ou en en valeur américaine psi (pound per square inch). Le cylindre est alors complètement clos pour permettre, pendant la remontée du piston, la compression du mélange air/essence jusqu’au point d’avance à l’allumage (AA). Lorsque ce point est atteint, la phase de combustion/détente s’amorce. Le point d’avance à l’allumage détermine le déclenchement de l’étincelle de plusieurs dizaines de milliers de Volts et donc le départ de la combustion. Il est calculé pour que la dilatation maximum des gaz s’effectue à un moment très précis après le point mort haut, et ce pour obtenir la poussée maximale sur l’embiellage (ensemble vilebrequin-bielles). Imaginez que le pédalier de votre vélo représente le vilebrequin, votre jambe, la bielle et la force de votre jambe sur la pédale, la poussée des gaz due à la combustion. Déterminer le point d’avance à l’allumage, c’est choisir le meilleur moment pour donner un appui maximum sur la pédale afin d’obtenir la poussée la plus efficace possible. Plus le régime moteur augmente, plus l’avance à l’allumage se fait par anticipation (le temps de combustion nécessaire pour obtenir la dilatation maximum des gaz reste le même alors que le vilebrequin tourne plus vite), sinon
le moteur ne pourrait pas prendre ses tours. Reprenons : l’étincelle a déclenché la combustion. Les gaz se dilatent au-dessus du piston, dans la chambre de combustion. Avec un ratio de 14,7 g d’air pour 1 g d’essence, la combustion progresse au rythme de 40 m/s. Cet avancement est appelé « front de flamme » et dépend de la quantité de combustible
(les moteurs à injection directe ont un front de flamme plus rapide, nous y reviendrons). La détente des gaz crée une pression sur le piston qui descend.
Le cycle se termine par la phase d’échappement qui correspond à l’évacuation des gaz brûlés par le conduit d’échappement. Cette dernière phase démarre au moment de l’avance à l’ouverture de l’échappement (AOE), quand la soupape d’échappement s’ouvre un petit peu avant le point mort bas. Grâce à l’inertie, le piston n’a plus besoin de la poussée des gaz pour descendre. Il est donc possible d’ouvrir la soupape d’échappement, ce qui permet, en évacuant les gaz brûlés, de diminuer la pression au-dessus du piston pour que ce dernier ne soit pas ralenti quand il entame sa remontée dans le cylindre. Pendant toute la remontée, le piston évacue le restant des gaz vers le conduit d’échappement. La soupape d’admission s’ouvre un petit peu avant le point mort haut, c’est ce que l’on appelle l’avance à l’ouverture de l’admission. Le début de la phase d’admission empiète donc sur la fin de la phase d’échappement. La soupape d’admission et la soupape d’échappement sont très légèrement ouvertes de manière simultanée : la première s’ouvre et la seconde se ferme. Ce croisement des soupapes permet de bénéficier de l’effet siphon des gaz d’échappement pour accélérer l’arrivée de la colonne de mélange air/essence dans le cylindre. Le taux de remplissage se retrouve ainsi optimisé. Cet effet siphon est d’autant plus important que quand la soupape d’admission, lors du cycle précédent, s’est fermée, la colonne de mélange air/essence a rebondi contre la soupape. Cet effet rebond s’appelle le phénomène de ramjet. L’ouverture simultanée des deux soupapes permet au flux de repartir dans le bon sens, vers le cylindre. La soupape d’échappement se ferme et le cycle recommence. Sachant qu’un temps moteur correspond à la course du piston entre le point mort haut et le point mort bas (et inversement), il faut quatre-temps moteur, soit deux tours de vilebrequin (720°), pour réaliser les quatre phases de fonctionnement. On parle donc de moteur quatre-temps.
L’injection directe: technologie d’avenir
Nous l’avons dit précédemment, la plupart des moteurs quatre-temps sont aujourd’hui à carburateur ou à injection indirecte (l’injecteur vaporise le carburant en amont de la soupape d’admission, dans le conduit d’admission). Yamaha a récemment commercialisé le modèle 425 XTO, un moteur quatre-temps à injection directe. L’essence est vaporisée à haute pression directement dans la chambre de combustion, au-dessus du piston. L’injection directe permet de diminuer la consommation de carburant grâce à une meilleure maîtrise du volume injecté et de la vaporisation de l’essence. La combustion étant beaucoup mieux contrôlée, les motoristes peuvent travailler sur des cartographies à mélange très pauvre. Le ratio air/essence, fixé habituellement à 14,7 g d’air pour 1 g d’essence, est modifié à 18/1 par exemple. On parle de cartographie à mélange pauvre car la proportion de carburant est inférieure (la cartographie désigne l’ensemble des paramètres d’entrée définis par le constructeur et qui conditionnent le fonctionnement du moteur à tous les régimes et dans toutes les conditions d’utilisation). En plus de permettre une baisse de la consommation de carburant, l’injection directe augmente la compression à bas régime, l’essence étant injectée dans un volume d’air déjà sous pression dans la chambre de combustion. L’intérêt de ce système est enfin de vaporiser le carburant au moment où les deux soupapes sont fermées, ce qui évite le problème de la fuite d’une partie du mélange air/essence vers l’échappement, au moment du croisement des soupapes (la soupape d’admission n’admet que de l’air).
En optant pour ce système d’injection, Yamaha anticipe le durcissement des normes anti-pollution (en Californie, celles-ci sont déjà particulièrement drastiques).
Cette tendance, amenée à se généraliser, fait du moteur quatre-temps à injection directe une technologie d’avenir. ■