Le moteur essence : comment ça fonctionne

1. Le moteur à combustion interne

Commençons par quelques notions générales !

L'appellation 'moteur à combustion interne', ou 'moteur thermique', désigne les systèmes mécaniques qui brûlent du carburant pour créer de l'énergie motrice. En d'autres termes plus simples : sur une voiture, le moteur thermique se sert du carburant pour faire tourner les roues. Le moteur essence appartient à cette famille.

En pratique, comment fait-il cela ?

Pour mieux comprendre, nous allons nous pencher sur ce qui se passe dans le moteur, là ou le carburant est brulé : la chambre de combustion.

Celle-ci de compose d'un cylindre métallique, dans lequel on vient enfermer de l'air et du carburant. On enflamme alors ce mélange gazeux pour dégager de l'énergie, qui poussera un piston. Celui-ci entrainera la rotation d'un axe (le villebrequin), qui servira à faire tourner la roue !

C'est un peu difficile à visualiser comme ca, alors le mieux, c'est un dessin !

Décomposons ce qui se passe :

• 1er temps : on aspire de l'air frais dans la chambre de combustion
• 2ème temps : on comprime l'air avec la remontée du piston, et on injecte le carburant
• 3ème temps : le mélange air + carburant prend feu. La combustion dégage de l'énergie et va pousser le piston vers le bas
• 4ème temps : on évacue les gaz brulés vers la sortie du moteur
• Et on répète ! Entre 400 et 4000 fois par minute pour une voiture essence classique !

Deux allers-retours du piston, quatre étapes, soit quatre temps ! C'est ce système qui équipe aujourd'hui la majorité des voitures et autres machines qui utilisent de l'essence. Pour la culture, on pourra néanmoins retenir qu'il existe des moteurs essence '2-temps' : ils reproduisent les memes étapes en un seul aller-retour du piston. On utilise par exemple cette solution pour les kartings ou pour les engins nautiques.

Généralement, on associe plusieurs chambres de combustion en parallèle (le plus souvent 4, mais cela peut monter jusqu'à 16 pour certaines hypercars !), et on décale le moment de l'explosion de chaque cylindre pour avoir une rotation régulière du villebrequin. Chaque chambre de combustion ayant une forme cylindrique, on parlera souvent de moteur '4-cylindres' (ou 6-cylindres, etc...) : cela indique simplement combien le moteur possède de chambres de combustions !

Pour les anglophones, n'hésitez pas à visiter ce site, qui propose de très belles animations sur le fonctionnement d'un moteur thermique !

Sinon, cette vidéo proposée par Total illustre très bien le fonctionnement d'un moteur 4-temps (40 premières secondes) !

2. Le moteur thermique dans une voiture

Si on devait schématiser l'architecture du moteur thermique dans une voiture :

3. Spécificités du moteur essence

Le fonctionnement décrit jusqu'ici est propre à tous les moteurs à combustion de l'automobile. Intéressons-nous maintenant à quelques spécificités du moteur à essence :

• Il utilise une étincelle pour allumer le mélange air + essence Cette étincelle est produite par une bougie d'allumage, qui ressemble à ceci :
  
  

  

  Cette bougie produit un arc électrique, qui suffira à mettre le feu au mélange gazeux !
• L'essence est injectée dans la chambre de combustion par un injecteur. Deux facons de faire existent :
  • Soit on l'injecte en amont de la chambre de combustion, et le carburant est déjà mélangé à l'air quand il entre dans le cylindre (étape 1). On parle d'injection indirecte. On utilisait par le passé un carburateur pour effectuer cette opération de mélange, mais les progrès techniques ont permis de s'en passer aujourd'hui.
  • Soit on injecte directement l'essence dans le cylindre, pendant la phase de compression de l'air (étape 2). Cette technologie assez nouvelle permet de réduire la consommation de carburant, mais requiert une plus forte pression d'injection de l'essence. Elle est donc plus chère et plus complexe à mettre en place. Néanmoins, elle est de plus en plus répandue aujourd'hui. On parle alors d'injection directe.
• La vitesse de rotation du villebrequin sur un moteur essence varie entre 750 et 8000 tours/minute environ. C'est cette vitesse moteur qui est affichée sur le tableau de bord de la voiture ! En-dessous de 750 tours/minute, le moteur cale : il n'arrive plus à maintenir sa vitesse et s'arrete (trop de temps entre deux combustions de carburant). Au-dessus de 8000 tours/minute... Certaines pièces du moteur risquent de ne plus etre assez bien accrochées !
  NB : les moteurs plus sportifs utiliseront des matériaux qui leur permettront de tourner encore plus vite. Par exemple, en Formule 1, le moteur pouvait tourner jusqu'à 25.000 tours/minute à la fin des années 2000 ! Ce grace à l'utilisation de matériaux légers et ultra-résistants, notamment.
• On mentionnera enfin du phénomène de cliquetis, dont on entend souvent parler pour le moteur essence : il s'agit d'un phénomène d'auto-inflammation du mélange air + carburant lorsque celui-ci est trop chauffé et trop comprimé. Quel est le problème, me direz-vous, puisque le mélange doit de toute facon etre brulé ?
  Effectivement, tout doit bruler, mais correctement. Et en cas de cliquetis, le mélange brule au mauvais moment, et de facon très localisée, ce qui peut abimer la chambre de combustion. Et ca, on ne veut pas, car il faudrait alors changer tout le moteur !
  La gestion de la température et de la pression dans la chambre de combustion est donc critique de ce point de vue pour le moteur essence. Lors de la conception du moteur, on s'assure également que les dimensions de la chambre de combustion évitent au maximum ce phénomène. Vous entendrez peut-etre, pour cette raison, que le moteur essence a un taux de compression assez faible.

4. Le système de post-traitement

Pour terminer, un petit mot sur le système de post-traitement des gaz d'échappement !

Aujourd'hui, les contraintes et normes environnementales ne permettent plus à un moteur thermique de bruler du carburant sans un système de post-traitement des gaz d'échappement. En effet, afin d'atténuer la pollution engendrée par l'automobile, chaque véhicule est aujourd'hui équipé d'un système (actif ou passif) dont le but est de filtrer ou convertir les gaz qui sortent du moteur. Il a pour objectif d'éviter la propagation de gaz polluants dans l'atmosphère.

Sur un moteur essence, le principal système de post-traitement est le catalyseur 3-voies.

Plus de détails dans le prochain chapitre !