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STI Opt Systèmes Motorisés Productique : Document Technique « LE MOTEUR »

Première STI Page 1 Année 2006/2007

Etude structurelle du Moteur



A-Principe de base

La combustion de l’essence mélangée à l’air dégage de la chaleur et crée une augmentation considérable du volume des gaz. Il en résulte une augmentation de pression qui se traduit par une force F sur le piston. Cette force F déplace le piston : il y a ainsi création d’un travail. Plus on introduira de mélange gazeux dans le cylindre, plus le travail, donc la puissance seront élevées.

B- Le cycle 4 temps théorique ou cycle Beau de Rochas

Pour permettre au moteur de fonctionner sa parie supérieure est équipée : D’une bougie d’allumage pour déclencher la combustion D’une soupape d’admission pour (A) pour autoriser l’entrée du mélange D’un papillon G pour contrôler la quantité de mélange d’admis D’une soupape d’échappement (G) pour permettre l’évacuation des gaz brûlés.

Cette partie supérieure amovible s’appelle la culasse.

B1-Le premier temps : l’admission

Rôle : admettre, dans le cylindre, le mélange de gaz air - essenceDescription : La soupape d’admission s’ouvre quand le piston est au point mort haut (PMH) Le piston descend du point mort haut (PMH) au point mort bas (PMB) La descente du piston crée une dépression dans le cylindre ce qui permet au mélange

carburé d’y pénétrer La soupape d’admission se ferme quand le piston est au PMB

B2-Le deuxième temps : la compression

Rôle : Comprimer le mélange gazeux air - essenceDescription : Les soupapes sont fermées Le piston remonte du PMB au PMH

B3-Le troisième temps : La combustion – détente

Rôle : Créer un travail à partir de la combustion du mélange. C’est le temps moteur.Description : Les soupapes sont toujours fermées Quand le piston est au PMH, l’étincelle électrique fournie par la bougie enflamme le

mélange La température, donc la pression, augmente dans le cylindre, ce qui permet de

chasser le piston vers le bas Le piston redescend du PMH au PMB



B4-Le quatrième temps : L’échappement

Rôle : Evacuer les gaz brûlés hors du cylindreDescription : La soupape d’échappement s’ouvre quand le piston est au PMB Le piston remonte du PMB au PMH grâce à l’énergie cinétique accumulée pendant

le temps moteur Les gaz brûlés sont chassés par le piston à l’extérieur La soupape d’échappement se ferme quand le piston est au PMH Puis un nouveau cycle recommence (Voir premier temps)

C- Les principaux constituants d’un moteur

Voir le schéma en fin de document

C1-Le carter cylindre ou bloc moteur ou bloc cylindres.

Il sert de support à tous les organes principaux (pistons, vilebrequin..,) et aux organes annexes (démarreur, alternateur...).

Il doit être rigide pour résister aux efforts engendrés par la combustion. Il doit permettre d'évacuer, par conduction, une partie de la chaleur dégagée par la combustion. Il doit pouvoir résister à la corrosion due au liquide de refroidissement, si ce système de refroidissement a été retenu. Il est soit fabriqué en fonte (bonne rigidité), soit en aluminium (Bonne conduction thermique et masse volumique plus

faible que la fonte)

1.1-Sans chemise

Les cylindres sont directement alésés dans le bloc.

Le bloc cylindres doit posséder les éléments de refroidissement, chambres d'eau ailettes, ce qui complique sa fonderie,

Il doit être en fonte de bonne qualité (fonte au nickel-chrome) pour résister à la corrosion due à la combustion et à l'usure due au mouvement des pistons.

Des réalisations de bloc cylindres en aluminium n'ont pas donné satisfaction.

En Après-Vente, il faut réaléser le bloc cylindres

1.2-Chemise sèches

Les cylindres sont constitués de fourreaux emmanchés dans le bloc

Cas d’un bloc fonte :la fonte n'aura pas besoin d'être d'aussi bonne qualité que dans le cas précédent ;les chemises sèches pourront être remplacées après usure

Cas d’un bloc aluminium :les chemises sèches sont mises en place à la couléeil en résulte qu'elles pourront être réalésées, mais non pas changées.



1.3-Les chemises humides

Les cylindres sont amovibles et au contact du liquide de refroidissement.

Le bloc peut être en fonte ou en aluminium.C'est un simple carter creux donc plus facile à usiner.Les chemises seront maintenues à la partie supérieure par la culasse et il faudra en assurer l'étanchéité à la partie inférieure.L'avantage de ce système est la facilité de remplacement des chemises.

C2-Les chemises

Elles doivent avoir une bonne résistance aux frottements et à l'usure.Elles doivent avoir une bonne résistance, aux chocs thermiques.Elles doivent avoir de faibles déformations.

DANS LE CAS DE CHEMISES HUMIDES, celles-ci sont maintenues en place par la culasse.Pour ce faire, les chemises dépassent légèrement du bloc - cylindres (= 0,1 mm) :un dépassement trop important déformerait la culasse,un dépassement trop faible n'assurerait pas un bon maintien.

De plus, il faut assurer l'étanchéité entre l'eau qui est à l'extérieur des chemises et l'huile qui est à l'intérieur. Le joint de culasse remplit ce rôle à la partie supérieure. A, la partie inférieure, on trouve un joints d'embase.

C3-Les pistons

Ils doivent avoir une bonne résistance mécanique (la pression est de l’ordre de 50 bars) et thermique (le dessus de piston est à environ 400°C).

Ils doivent présenter un bon coefficient de frottement par rapport à la chemise

Ils doivent présenter une bonne conductibilité thermique. Ils doivent être légers pour réduire l'inertie de l'attelage mobile.

Ils sont en alliage de magnésium ou d’aluminium.

La têteElle comporte les gorges des segments qui permettent d’assurer l’étanchéitéLa forme de la tête dépend de la forme de la chambre de combustion, du rapport volumétrique, des levées de soupapes, etc.

La jupe Elle sert au guidage du piston.Elle porte les bossages pour le passage de l'axe de piston.Sa hauteur est fonction du guidage, du graissage et de la vitesse du pistonLes deux métaux de la chemise et du piston étant de natures différentes, il est nécessaire de prévoir l'ajustement de ces deux pièces d'ailleurs vendues ensemble en après-vente.



C4-Les segments

Ils doivent assurer l’ETANCHEITE entre la chambre de combustion et le carter pour éviter toute perte de puissance. Ils doivent empêcher l'huile de remonter vers la chambre de combustion pour éviter la consommation d'huile. Ils doivent faciliter l'échange calorifique entre le piston et la chemise. Ils doivent participer au guidage du piston résister à l’usure, à la corrosion et tenir aux vibrations.

Le piston comporte généralement 3 segments. Ce sont des anneaux fendus, élastiques, de section uniforme, prenant place dans des gorges aménagées sur la tête du piston

C5-L’axe de piston

Il assure la liaison entre le piston et la bielleIl existe trois types de montages.

Le segment d’étanchéité :Rôle : Assurer l’étanchéité et éviter les consommations d’huile

Le segment coupe feu :Rôle : Assurer l’étanchéité de la chambre de combustion. Il doit résister à la température au manque de lubrification, à la pression et à la corrosion.

Le segment racleurRôle : Racler l’huile pour éviter les remonter tout en laissant une certaine pellicule pour permettre la lubrification



C6- Les bielles

Elles doivent être très rigides pour ne pas se déformer lors de la pression exercée par la combustion.Elles doivent être d'un poids identique sur un même moteur (il existe des classes de poids chez certains constructeurs).

6.1-Le pied de bielle

C’est la liaison entre la bielle et le piston11 est percé et alésé en cas d'axe serré dans la bielle.11 est perce et alésé avec une bague en bronze en cas d'axe libre dans la bielle; la bague est alors percée pour assurer la lubrification de l'axe.

6.2-Le corps de bielle

11 assure la rigidité de la pièce.11 est généralement de section en forme de H, croissant du pied vers la tête.

6.3- La tête de bielle

C'est la liaison avec le vilebrequin {au niveau des manetons).Elle comporte deux parties l'une solidaire du corps de bielle : "la tête", l'autre rapportée : "le chapeau". Ce dernier est généralement fixé par des boulons et des écrous auto – serreurs. La

coupe peut être droite ou oblique par rapport à l’axe de la bielle.Pour permettre le «tourillonnement» sur le vilebrequin .On peut utiliser : - soit des roulements; - soit des coussinets minces (s'ils fondent, on a «coulé» la bielle).

C7-Le vilebrequin

Il reçoit l'effort transmis par les pistons et les bielles et fournit un mouvement circulaire à la sortie du moteur.Il entraîne aussi en rotation :

l'arbre à came la pompe a huile du circuit de graissage, le générateur de courant (un alternateur en général), le distributeur d'allumage, la pompe à eau du circuit de refroidissement et éventuellement le ventilateur s'il est mécanique, la pompe à huile de la direction assistée, le compresseur du circuit de climatisation si le véhicule en est équipé,

Il doit être très rigide pour résister à la flexion et à la torsion. Il doit être équilibré tant en statique (en état de repos) qu’en dynamique en état de mouvement.



7.1-Les tourillons

Ce sont les portées de l'axe du vilebrequin à l’intérieur des paliers du bloc-cylindresIls sont en quantité variable : Pour augmenter leur nombre permet d'accroître la rigidité (la majorité

des moteurs 4 cylindres sont à 5 Paliers) Diminuer leur nombre permet de diminuer les frottements

7.2-Les manetons

Ce sont les manivelles sur lesquelles s'attachent les têtes de bielles.Si le moteur est en ligne ou à plat, il y a autant de manetons que de bielles-Si le moteur est en V, il y a 2 bielles par maneton. .La répartition angulaire des manetons est fonction du nombre de cylindres. Le cycle étant de 2tours soit 720', on tire la répartition des manetons en divisant 720 par le nombre deCylindres (ex. : 4 cylindres 720° : 4 = 180°).

7.3-Les flasques et équilibrage

Les flasques sont les liaisons entre les manetons et les tourillons. Elles portent en plus les masses d’équilibrage qui sont ajustées par meulage et perçage

C8-Les soupapes

Les soupapes d'admission et d’échappement sont très différentes dans leur composition car elles travaillent à des températures très différentes.

8.1-Soupape d’admission

Très généralement c'est une soupape monométallique pleine.Elle est réalisée en acier mi-dur au chrome ou au chrome-molybdène recevant un traitement local pour renforcer la dureté dans certaines zones : sommet de tige, zone du clavetage

8.2-Soupape d’échappement

Soupape monométallique pleine.

Elle est réalisée en acier austénitique(résistant à la haute température et à la déformation).Ces aciers sont au chrome-nickel-tungstène ou au chrome-mangarlèse-nickel avec addition d’azote.Pour favoriser le glissement, il est réalisé un chromage ou une nitruration.Pour tenir à la corrosion, les portées sont blindées au «Stellite» ou au «Brightray» (alliage au nickel-chrome).

Soupape monométallique creuse

La cavité contient 50 % de sodium liquide (fusion 98 'C , ébullition 735'). Le sodium a une conductibilité thermique 9 fois supérieure à celle de l'acier austénitique, et une très faible densité : il transmet la chaleur de la tête vers la tige. Cette solution permet d'abaisser la température de la soupape d’une valeur comprise entre 60et 150'.



C9-La culasse

Elle est en fonte ou plus généralement en alliage d'aluminium. L'étanchéité entre le carter-cylindres et la culasse est assurée par le joint de culasse.C'est un bloc, fixé au carter-cylindres par des vis et qui comporte :

Les orifices d'admission et d'échappement. Tout ou partie des éléments de distribution. Les soupapes. Les bougies. Des éléments de refroidissement (chambres d'eau ou ailettes). L'évidement au-dessus du piston qui s'appelle chambre de combustion

C10-Le joint de culasse

11 assure l’étanchéité entre culasse et bloc-moteur. C'est généralement un joint métallo-plastique composé d’une plaque d'amiante recouverte de 2 feuilles d'acier, de cuivre, ou d’aluminium, avec sertissage au niveau des ouvertures. Il peut être recouvert d'un «vernis» qui le colle au carter-cylindres et à la culasse : 11 en résulte une meilleure étanchéité, mais le remplacement du joint de culasse est plus délicat,

1 1 - Le carter inférieur

11 sert de réservoir d'huile.11 est généralement en tôle emboutie.Sur certaines voitures de sport il est en alliage d'aluminium et parfois cloisonné pour éviter les déjaugeages en courbe rapide.En compétition pour diminuer la hauteur et éviter le déjaugeage, on utilise un «carter sec» : L'huile est rejetée dans un réservoir. On a alors deux pompes à huile : une pompe de vidange et une pompe de pression.



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