Je n’ai jamais été un gars de voiture. Je n’avais tout simplement aucun intérêt à utiliser des outils sous le capot pour comprendre comment fonctionne ma voiture. À l’exception du remplacement de mes filtres à air ou du changement d’huile de temps en temps, si j’avais un problème avec ma voiture, je l’apportais simplement au mécanicien et quand il est sorti pour expliquer ce qui n’allait pas, j’ai acquiescé poliment et j’ai fait semblant de savoir de quoi il parlait.
Mais dernièrement, j’ai eu la démangeaison d’apprendre les bases du fonctionnement des voitures. Je n’ai pas l’intention de devenir un singe à part entière, mais je veux avoir une compréhension de base de la façon dont tout dans ma voiture le fait fonctionner. Au minimum, ces connaissances me permettront d’avoir une idée de ce dont parle le mécanicien la prochaine fois que je prendrai ma voiture. De plus, il me semble qu’un homme devrait être capable de saisir les fondamentaux de la technologie qu’il utilise tous les jours. En ce qui concerne ce site Web, je connais le fonctionnement du codage et du référencement; il est temps pour moi d’examiner les choses les plus concrètes de mon monde, comme ce qu’il y a sous le capot de ma voiture.
Je pense qu’il y a d’autres hommes adultes qui sont comme moi — des hommes qui ne sont pas des gars de voiture mais qui sont un peu curieux de savoir comment fonctionnent leurs véhicules. Je prévois donc de partager ce que j’apprends dans ma propre étude et de bricoler dans une série occasionnelle que nous appellerons Gearhead 101. L’objectif est d’expliquer les bases du fonctionnement des différentes pièces d’une voiture et de fournir des ressources sur les endroits où vous pouvez en apprendre davantage par vous-même.
Alors sans plus tarder, nous commencerons notre première classe de Gearhead 101 en expliquant les tenants et les aboutissants du cœur d’une voiture: le moteur à combustion interne.
Le moteur à combustion interne
Un moteur à combustion interne est appelé « moteur à combustion interne » car le carburant et l’air brûlent à l’intérieur du moteur pour créer l’énergie nécessaire au déplacement des pistons, qui à leur tour déplacent la voiture (nous vous montrerons comment cela se produit en détail ci-dessous).
Contraste avec un moteur à combustion externe, où le carburant est brûlé à l’extérieur du moteur et l’énergie créée par cette combustion est ce qui l’alimente. Les machines à vapeur en sont le meilleur exemple. Le charbon est brûlé à l’extérieur du moteur, ce qui chauffe l’eau pour produire de la vapeur, qui alimente ensuite le moteur.
La plupart des gens pensent que dans le monde du mouvement mécanisé, les moteurs à combustion externe à vapeur sont venus avant la variété de la combustion interne. La réalité est que le moteur à combustion interne est arrivé en premier. (Oui, les anciens Grecs s’amusaient avec des moteurs à vapeur, mais rien de pratique ne venait de leurs expériences.)
Au XVIe siècle, les inventeurs ont créé une forme de moteur à combustion interne utilisant de la poudre à canon comme carburant pour alimenter le mouvement des pistons. En fait, ce n’est pas la poudre à canon qui les a déplacés. La façon dont ce premier moteur à combustion interne fonctionnait était de fourrer un piston jusqu’au sommet d’un cylindre, puis d’enflammer de la poudre à canon sous le piston. Un vide se formerait après l’explosion et aspirerait le piston dans le cylindre. Parce que ce moteur reposait sur les changements de pression de l’air pour déplacer le piston, ils l’appelaient le moteur atmosphérique. Ce n’était pas très efficace. Au 17ème siècle, les machines à vapeur montraient beaucoup de promesses, de sorte que le moteur à combustion interne a été abandonné.
Il faudra attendre 1860 pour qu’un moteur à combustion interne fiable et fonctionnel soit inventé. Un compatriote belge du nom de Jean Joseph Etienne Lenoir a breveté un moteur qui injectait du gaz naturel dans un cylindre, qui a ensuite été allumé par une flamme permanente près du cylindre. Il fonctionnait de la même manière que le moteur atmosphérique à poudre à canon, mais pas trop efficacement.
S’appuyant sur ce travail, deux ingénieurs allemands nommés Nicolaus August Otto et Eugen Langen fondent en 1864 une entreprise qui fabrique des moteurs similaires au modèle de Lenoir. Otto a abandonné la direction de l’entreprise et a commencé à travailler sur une conception de moteur avec laquelle il travaillait depuis 1861. Sa conception a conduit à ce que nous appelons maintenant le moteur à quatre temps, et la conception de base est toujours utilisée dans les voitures aujourd’hui.
L’anatomie d’un moteur de voiture
Un moteur V-6
Je vais vous montrer un peu comment fonctionne le moteur à quatre temps ici, mais avant de le faire, j’ai pensé qu’il serait utile de passer en revue les différentes parties d’un moteur afin que vous ayez une idée de ce qui fait quoi dans le processus à quatre temps. Il y a une terminologie tout au long de ces explications qui s’appuie sur d’autres termes de la liste, alors ne vous inquiétez pas si vous êtes confus au début. Lisez le tout pour avoir une compréhension globale, puis relisez-le pour avoir une compréhension de base de chaque pièce au fur et à mesure qu’on en parle.
Bloc moteur (Bloc-cylindres)
Le bloc moteur est la base d’un moteur. La plupart des blocs moteurs sont coulés dans un alliage d’aluminium, mais le fer est toujours utilisé par certains fabricants. Le bloc moteur est également appelé bloc-cylindres en raison des gros trous ou tubes appelés cylindres qui sont coulés dans la structure intégrée. Le cylindre est l’endroit où les pistons du moteur glissent de haut en bas. Plus un moteur a de cylindres, plus il est puissant. En plus des cylindres, d’autres conduits et passages sont intégrés dans le bloc qui permettent à l’huile et au liquide de refroidissement de s’écouler vers différentes parties du moteur.
Pourquoi un moteur est-il appelé « V6 » ou « V8 »?
Excellente question! Cela a à voir avec la forme et le nombre de cylindres d’un moteur. Dans les moteurs à quatre cylindres, les cylindres sont généralement montés en ligne droite au-dessus du vilebrequin. Cette disposition du moteur s’appelle un moteur en ligne.
Une autre disposition à quatre cylindres est appelée « flat four ». »Ici, les cylindres sont posés horizontalement sur deux bancs, le vilebrequin descendant au milieu.
Lorsqu’un moteur a plus de quatre cylindres, ils sont divisés en deux bancs de cylindres — trois cylindres (ou plus) par côté. La division des cylindres en deux banques fait ressembler le moteur à un « V ». Un moteur en forme de V à six cylindres = moteur V6. Un moteur en forme de V à huit cylindres = V8 – quatre dans chaque banque de cylindres.
Chambre de combustion
La chambre de combustion d’un moteur est l’endroit où la magie se produit. C’est là que le carburant, l’air, la pression et l’électricité se réunissent pour créer la petite explosion qui déplace les pistons de la voiture de haut en bas, créant ainsi la puissance nécessaire pour déplacer le véhicule. La chambre de combustion est composée du cylindre, du piston et de la culasse. Le cylindre fait office de paroi de la chambre de combustion, le haut du piston fait office de plancher de la chambre de combustion et la culasse sert de plafond de la chambre de combustion.
Culasse
La culasse est un morceau de métal qui repose sur les cylindres du moteur. Il y a de petites indentations arrondies moulées dans la culasse afin de créer de la place au sommet de la chambre pour la combustion. Un joint de culasse scelle le joint entre la culasse et le bloc-cylindres. Des soupapes d’admission et de sortie, des bougies d’allumage et des injecteurs de carburant (ces pièces sont expliquées plus loin) sont également montés sur la culasse.
Piston
Les pistons montent et descendent du cylindre. Ils ressemblent à des boîtes de soupe à l’envers. Lorsque le carburant s’enflamme dans la chambre de combustion, la force pousse le piston vers le bas, ce qui déplace le vilebrequin (voir ci-dessous). Le piston se fixe au vilebrequin via une bielle, alias la bielle. Il se connecte à la bielle via un axe de piston et la bielle se connecte au vilebrequin via un palier de bielle.
Sur le dessus du piston, vous trouverez trois ou quatre rainures moulées dans le métal. À l’intérieur des rainures, des segments de piston sont placés. Les segments de piston sont la partie qui touche réellement les parois du cylindre. Ils sont fabriqués à partir de fer et se déclinent en deux variétés: les anneaux de compression et les anneaux d’huile. Les bagues de compression sont les bagues supérieures et elles appuient vers l’extérieur sur les parois du cylindre pour assurer une étanchéité solide à la chambre de combustion. L’anneau d’huile est l’anneau inférieur d’un piston et empêche l’huile du carter de s’infiltrer dans la chambre de combustion. Il essuie également l’excès d’huile dans les parois du cylindre et dans le carter.
Vilebrequin
Le vilebrequin est ce qui convertit le mouvement de haut en bas des pistons en un mouvement de rotation qui permet à la voiture de se déplacer. Le vilebrequin s’adapte généralement dans le sens de la longueur dans le bloc moteur près du fond. Il s’étend d’une extrémité du bloc moteur à l’autre. À l’avant de l’extrémité du moteur, le vilebrequin se connecte à des courroies en caoutchouc qui se connectent à l’arbre à cames et fournissent de la puissance à d’autres parties de la voiture; à l’arrière du moteur, l’arbre à cames se connecte à la chaîne cinématique, qui transfère la puissance aux roues. À chaque extrémité du vilebrequin, vous trouverez des joints d’huile, ou « joints toriques », qui empêchent l’huile de s’échapper du moteur.
Le vilebrequin réside dans ce qu’on appelle le carter moteur d’un moteur. Le carter est situé sous le bloc-cylindres. Le carter protège le vilebrequin et les bielles des objets extérieurs. La zone au fond d’un carter s’appelle le carter d’huile et c’est là que l’huile de votre moteur est stockée. À l’intérieur du carter d’huile, vous trouverez une pompe à huile qui pompe l’huile à travers un filtre, puis cette huile est déversée sur le vilebrequin, les roulements de bielle et les parois du cylindre pour assurer la lubrification du mouvement de la course du piston. L’huile finit par redescendre dans le carter d’huile, pour recommencer le processus
Le long du vilebrequin, vous trouverez des lobes d’équilibrage qui agissent comme contrepoids pour équilibrer le vilebrequin et éviter les dommages au moteur dus au vacillement qui se produit lorsque le vilebrequin tourne.
Également le long du vilebrequin, vous trouverez les roulements principaux. Les roulements principaux fournissent une surface lisse entre le vilebrequin et le bloc moteur pour que le vilebrequin tourne.
Arbre à cames
L’arbre à cames est le cerveau du moteur. Il fonctionne conjointement avec le vilebrequin via une courroie de distribution pour s’assurer que les soupapes d’admission et de sortie s’ouvrent et se ferment au bon moment pour des performances optimales du moteur. L’arbre à cames utilise des lobes en forme d’œuf qui s’étendent à travers lui pour contrôler le calage de l’ouverture et de la fermeture des soupapes.
La plupart des arbres à cames s’étendent à travers la partie supérieure du bloc moteur, directement au-dessus du vilebrequin. Sur les moteurs en ligne, un seul arbre à cames contrôle à la fois les soupapes d’admission et de sortie. Sur les moteurs en V, deux arbres à cames séparés sont utilisés. L’un commande les vannes d’un côté du V et l’autre les vannes du côté opposé. Certains moteurs en forme de V (comme celui de notre illustration) auront même deux arbres à cames par banc de cylindres. Un arbre à cames contrôle un côté des soupapes et l’autre arbre à cames contrôle l’autre côté.
Système de distribution
Comme mentionné ci-dessus, l’arbre à cames et le vilebrequin coordonnent leur mouvement via une courroie de distribution ou une chaîne. La chaîne de distribution maintient le vilebrequin et l’arbre à cames dans la même position relative l’un par rapport à l’autre en tout temps pendant le fonctionnement du moteur. Si l’arbre à cames et le vilebrequin deviennent désynchronisés pour une raison quelconque (la chaîne de distribution saute un rouage, par exemple), le moteur ne fonctionnera pas.
Groupe de soupapes
Le groupe de soupapes est le système mécanique monté sur la culasse qui contrôle le fonctionnement des soupapes. Le train de soupapes se compose de soupapes, de culbuteurs, de poussoirs et de poussoirs.
Vannes
Il existe deux types de vannes: les vannes d’admission et les vannes de sortie. Les soupapes d’admission amènent un mélange d’air et de carburant dans la chambre de combustion pour créer la combustion nécessaire à l’alimentation du moteur. Les soupapes de sortie permettent à l’échappement créé après la combustion de sortir de la chambre de combustion.
Les voitures ont généralement une soupape d’admission et une soupape de sortie par cylindre. Les voitures les plus performantes (Jaguars, Maseratis, etc.) ont quatre soupapes par cylindre (deux d’admission, deux de sortie). Bien qu’elle ne soit pas considérée comme une marque « haute performance », Honda utilise également quatre soupapes par cylindre sur ses véhicules. Il existe même des moteurs à trois soupapes par cylindre — deux soupapes d’admission, une soupape de sortie. Les systèmes à soupapes multiples permettent à la voiture de mieux « respirer », ce qui améliore les performances du moteur.
Culbuteurs
Les culbuteurs sont de petits leviers qui touchent les lobes, ou cames, de l’arbre à cames. Lorsqu’un lobe soulève une extrémité de la bascule, l’autre extrémité de la bascule appuie sur la tige de soupape, ouvrant la soupape pour laisser entrer de l’air dans la chambre de combustion ou pour laisser sortir les gaz d’échappement. Cela fonctionne un peu comme une scie à scie.
Poussoirs / Poussoirs
Parfois, les lobes d’arbre à cames touchent directement le culbuteur (comme vous le voyez avec les moteurs à arbre à cames en tête), ouvrant et fermant ainsi la soupape. Sur les moteurs à soupapes en tête, les lobes d’arbre à cames n’entrent pas en contact direct avec les culbuteurs, de sorte que des poussoirs ou des poussoirs sont utilisés.
Injecteurs de carburant
Afin de créer la combustion nécessaire pour déplacer les pistons, nous avons besoin de carburant dans les cylindres. Avant les années 1980, les voitures utilisaient des carburateurs pour alimenter en carburant la chambre de combustion. Aujourd’hui, toutes les voitures utilisent l’un des trois systèmes d’injection de carburant: injection directe de carburant, injection de carburant à portage ou injection de carburant de corps de papillon.
Avec l’injection directe de carburant, chaque cylindre reçoit son propre injecteur, qui pulvérise le carburant directement dans la chambre de combustion au bon moment pour brûler.
Avec l’injection de carburant portée, au lieu de pulvériser le carburant directement dans le cylindre, il pulvérise dans le collecteur d’admission juste à l’extérieur de la soupape. Lorsque la vanne s’ouvre, l’air et le carburant pénètrent dans la chambre de combustion.
Les systèmes d’injection de carburant du corps de papillon fonctionnent comme les carburateurs, mais sans le carburateur. Au lieu que chaque cylindre reçoive son propre injecteur de carburant, il n’y a qu’un seul injecteur de carburant qui va à un corps de papillon. Le carburant se mélange à l’air dans le corps de papillon, puis est dispersé dans les cylindres via les soupapes d’admission.
Bougie d’allumage
Au-dessus de chaque cylindre se trouve une bougie d’allumage. Quand il fait des étincelles, il enflamme le carburant et l’air comprimés, provoquant la mini-explosion qui pousse le piston vers le bas.
Le Cycle à quatre temps
Maintenant que nous connaissons toutes les pièces de base du moteur, jetons un coup d’œil au mouvement qui fait réellement bouger notre voiture: le cycle à quatre temps.
L’illustration ci-dessus montre le cycle à quatre temps dans un seul cylindre. Cela se passe également dans les autres cylindres. Répétez ce cycle mille fois en une minute, et vous obtenez une voiture qui bouge.
Eh bien, voilà. Les bases du fonctionnement d’un moteur de voiture. Allez jeter un coup d’œil sous le capot de votre voiture aujourd’hui et voyez si vous pouvez signaler les pièces dont nous avons discuté. Si vous souhaitez plus d’informations sur le fonctionnement d’une voiture, consultez le livre Comment fonctionnent les voitures. Cela m’a beaucoup aidé dans mes recherches. L’auteur fait un excellent travail pour décomposer les choses en un langage que même le débutant total peut comprendre.
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