Nomenclature des pièces constituant le moteur (2) - PDF

Chapitre 2 : nomenclature des pièces constituant le moteur 1  Le piston Fonctions :  Par son mouvement alternatif dans le cylindre, il transmet la pression de combustion au vilebrequin via la bielle.  Il assure aussi l’étanchéité entre la chambre de combusti...

Chapitre 2 : nomenclature des pièces constituant le moteur 1  Le piston Fonctions :  Par son mouvement alternatif dans le cylindre, il transmet la pression de combustion au vilebrequin via la bielle.  Il assure aussi l’étanchéité entre la chambre de combustion et le carter du vilebrequin, tout en se déplaçant à grande vitesse entre le PMH et le PMB, et inversement.  Arrêté à ces deux points, il donc soumis à des accélérations considérables : VMP (en m/s) = course (en mm) x régime (en tr/min) / 30’000 Avec une longueur de bielle de 1,75 x la course (L/C 1,75), la vitesse maximale de piston est d’environ 1,63 fois la VMP.  Il supporte aussi les forces latérales engendrées par l’obliquité de la bielle, forces qui le pressent contre la paroi du cylindre.  Il doit absorber une bonne partie de la chaleur dégagée par la combustion (jusqu’à 2500°C) et la transférer principalement au système de refroidissement par l’intermédiaire de ses segments et de sa jupe à la paroi du cylindre, et secondairement au circuit de lubrification. Le piston Le piston  Le piston Matériaux utilisés : Tous en alliage d’aluminium (automobile) 12% - 12,5% de silicium (AlSi12CuNi), coulés en coquille ou forgés : L’aluminium est léger, a une bonne conductibilité thermique et est facile à être coulé et usiné. Toutefois, pour les moteurs Diesel lents et semi-rapides, l’acier et la fonte sont généralement utilisés. Pistons forgés pour moteur haute performance Pour des applications spéciales avec fortes contraintes thermiques, un alliage hypersilicié (hypereutectique) à faible dilatation et contenant 18% ou même 25 % de silicium est utilisé, au prix de grandes difficultés d’usinage.  Le piston Matériaux utilisés : Les températures de combustion sont largement supérieures à celle de fusion de l’aluminium (660°C) et elles sont supportées uniquement par le fait que la combustion est intermittente et les pics de température très brefs (différence avec la combustion est continue). Nouveaux pistons Diesel : Le « Monosteel » est composé d’une tête en acier forgé à haute résistance soudée par friction sur une jupe en acier moins coûteux  Le piston Matériaux utilisés : Aujourd’hui les pressions dépassent de pointe dans les chambres de combustion dépassent allègrement les 200 bar. Ils existent aussi des pistons monobloc en acier (les différentes pièces sont soudées par friction). Certains pistons en acier possèdent une chambre de refroidissement interne. Ils résistent à des pressions de plus de 230 bar et se déforment moins dans la zone de segmentation. Le piston  Le piston Refroidissement : La température de leur tête doit être en dessous de 250 - 350°C, sinon :  Dilatation trop élevée ;  Gommage des segments par cokéfaction de l’huile dans leur gorge. Moteur turbocompressé : La face interne des têtes de pistons est refroidie par un gicleur ou alimentation d’une galerie interne où l’huile circule et est agitée par les accélérations. Certains diesels ont même des pistons refroidis par circulation forcée d’huile, la température dans la zone du segment de feu peut être ainsi diminuée de 90 à 100°C. La jupe est fréquemment protégée par un revêtement antifriction.  Le piston Le piston a une forme « patatoïde » et légèrement ovale de façon à ce que la jupe devienne le plus cylindrique possible à chaud. Le jeu dans le cylindre varie de 0,04 mm à 0,25 mm selon l’endroit.  Le piston le piston « articulé » : Seule sa jupe absorbe la force latérale  Le piston Le piston des moteurs Diesel : Les pistons des diesels ne sont pas soumis à des accélérations aussi violentes que ceux des moteurs à essence. Par contre, ils subissent des contraintes mécaniques et thermiques d’autant plus fortes qu’en injection directe la chambre de combustion est logée dans leur tête. Leur durée de vie dépend en premier lieu de l’usure de la gorge de segment de feu. Cette gorge est souvent renforcée par un insert en NiResist (fonte austénitique résistante à la corrosion et contenant environ 15% de nickel) qui allonge la durée de vie des pistons 2 à 2,5 fois.  Le piston Remarque : La friction des pistons assemblés avec leurs segments contre les parois des cylindres compte pour 50 à 60% des pertes mécaniques totales dans un moteur ; elle augmente exponentiellement avec la vitesse moyenne de piston. D’où l’utilité de rechercher des revêtements de surface à faible coefficient de frottement.  Les segments Deux rôles :  Assurer l’étanchéité entre le piston et son cylindre pour éviter que les gaz de combustion (et le carburant) ne passent dans le carter et que l’huile de graissage remonte dans la chambre de combustion lors de l’aspiration.  Permettre le transfert de chaleur du piston vers la paroi de son cylindre car les jeux entre le piston et ce cylindre empêchent l’évacuation des calories.  Les segments Actuellement seulement 3 segments sont utilisés :  de compression, le premier en partant de la tête étant appelé « coup de feu » et le 2ème « d’étanchéité ».  Le 3ème est le « racleur d’huile ». Remarque : Certains moteurs de course n’en ont même plus que 2.  Les segments Matériaux : Coulés en fonte à graphite sphéroïdal, usinés et traités thermiquement. Ils subissent ensuite un traitement de surface dans le but d’accroître leur résistance à l’usure et de diminuer le coefficient de friction (chromage dur, et/ou une application de molybdène sur leur surface frottante). Etanchéité : L’étanchéité est imparfaite : une fente (qui augmente avec la dilatation du cylindre et avec son usure) engendre des fuites et par conséquent de la consommation d’huile et un passage de gaz de combustion dans le carter de vilebrequin. Les segments  Les segments Exemple d’application :  Axe de piston :  Axe creux dont les extrémités peuvent être alésées coniques (le plus léger possible)  L’acier est cémenté, ou nitruré (ex. 31CrMo12)  L’axe est rectifié avec des tolérances de 4 à 7 microns Fixation : Il peut pivoter soit dans le pied de bielle en l’occurrence garni d’une douille en alliage cuivreux (CuPbSn), soit dans les bossages du piston, soit dans les deux. L’axe est couramment désaxé de 1 à 2% l’alésage, de façon à diminuer la composante latérale de la pression de combustion et donc la pression contre le cylindre durant la course d’expansion. En contrepartie, cette pression est accrue lors de la course de compression, mais c’est un moindre mal. Voir la vidéo : Le Piston Contraintes - sollicitations - conception  Embiellage : L’invention du système bielle-manivelle date du moyen-âge : Le mouvement alternatif des pistons est converti en rotation  Embiellage : Actuellement, les bielles des moteurs à combustion interne sont forgées en acier à haute résistance au chrome-nickel, ou de préférence forgées-frittées à partir de poudres. Cette dernière technique, récente, permet de produire des bielles plus résistantes, plus légères et présentant des fluctuations de poids extrêmement réduites (meilleur équilibrage). Seuls les moteurs de course et quelques rares moteurs de série comme celui de la Corvette Z06 ont des bielles en titane qui sont jusqu’à 45% plus légères mais évidemment beaucoup plus coûteuses.  Embiellage : Montage : Vilebrequin démontable, l’ensemble piston-bielle est introduit par le bas du moteur. Fabrication : Aujourd’hui les chapeaux de bielles sont généralement séparés par fracture, ce qui leur procure un positionnement stable et exact, évitant l’éventualité d’un cisaillement des vis mieux que le ferait une surface d’appui dentelée, et à un coût moindre.  Embiellage : Les coussinets : Constitués de deux demicoquilles revêtues d’une couche de métal anti- friction sont intercalés entre les bielles et les manetons du vilebrequin. Il existe divers types de coussinets, en fonction de la charge spécifique à laquelle ils sont soumis : bi ou tri – métalliques Ils sont généralement composés d’une coquille en acier d’environ 1,5 mm d’épaisseur revêtue d’une frette de 0,2 à 0,4 mm d’alliage cuivreux antifriction ou de régule. La régule est constituée de grains de métal dur (cuivre, antimoine) enrobés de métal tendre (étain, plomb) dont le rôle est de répartir uniformément la charge.  Embiellage : Lubrification : Une mince couche d’huile doit toujours être présente entre le coussinet de bielle et son maneton. Au niveau du vilebrequin : L’huile est constamment amenée sous pression par des canalisations forées jusqu’à l’intérieur du vilebrequin. Bielles à coupe oblique : l’avantage de rendre les boulons de bielle plus accessibles dans un moteur en V ou opposé à plat avec bloc-cylindres d’une pièce.  Embiellage : Forme : A l’origine ronde ou tubulaire, la section du corps est aujourd’hui en I pour mieux résister aux efforts en traction, en compression et au flambage. Longueur de bielle : La longueur d’entraxe de bielle (L) est une des dimensions importantes d’un moteur. Le rapport L/C est généralement compris entre 1,45 et 2,2, c’est à dire que la bielle est longue de 1,45 à 2,2 fois la course du piston. Formule 1 : L/C est de l’ordre de 2,7 Une bielle courte est plus rigide, plus légère et elle diminue la hauteur du moteur. Par contre, plus elle est courte, plus son obliquité atteint des angles importants et plus elle accroît les accélérations de piston à proximité du point mort haut. La pression du piston contre la paroi du cylindre augmente également avec la diminution du rapport L/C  Embiellage : Exercice 1 : Bielle de 220 mm, alésage 130mm, course de 160 mm Exercice 2 : même que 1 sauf bielle de 160mm.  Embiellage : 1re triangle (rotation du vilebrequin de 45°) : a = 270mm ; b = 220 mm ; c = 80 mm ; A = 120° ; B = 45° ; C = 15°. a b c   sin A sin B sin C  Embiellage : Tableau récapitulatif : a (mm) b (mm) c (mm) A (°) B (°) C (°) 1re Δ (bielle longue) 270 220 80 120 45 15 2e Δ (bielle longue) 204 220 80 69 90 21 3e Δ (bielle longue) 155 220 80 30 135 15 1re Δ (bielle courte) 207 160 80 114 45 21 2e Δ (bielle courte) 179 160 80 60 90 30 3e Δ (bielle courte) 92 160 80 24 135 21 Embiellage : Embiellage :  Embiellage : Moteur en V :  Vilebrequin : La majeure partie du couple produit est prélevé à une extrémité du vilebrequin pour propulser le véhicule, alors qu’une fraction est prise à son autre extrémité (son «nez») pour entraîner les pompes à huile, à eau et d’injection, le générateur électrique et les divers organes auxiliaires.  Vilebrequin : La majeure partie du couple produit est prélevé à une extrémité du vilebrequin pour propulser le véhicule, alors qu’une fraction est prise à son autre extrémité (son «nez») pour entraîner les pompes à huile, à eau et d’injection, le générateur électrique et les divers organes auxiliaires. «Tourillons» est le nom des portées d’axe du vilebrequin, portées qui tournent dans des paliers dont la moitié est partie intégrante du bloc moteur, l’autre moitié étant constituée par des chapeaux de paliers ou par un carter-semelle. Les «manetons» sont les excentriques autour desquelles les têtes de bielles sont assemblées avec leurs chapeaux. Tourillons et manetons sont reliés par les flasques (bras de manivelle) du vilebrequin.  Vilebrequin : Un vilebrequin de moteur quatre cylindres en ligne moderne est supporté 5 paliers ; il a donc 5 tourillons et 4 manetons. Actuellement, pour une meilleure rigidité et éliminer les fréquences vibratoires critiques, on dispose toujours un palier entre chaque cylindre d’un moteur en ligne Jusqu'aux années 60, beaucoup de quatre cylindres en ligne produits en grande série n’avaient que 3 paliers (voir figure).  Vilebrequin : Le moteurs en V n’ont en général un palier qu’entre chaque paire de cylindres, soit quatre paliers pour un V6, cinq pour un V8, sept pour un V12. Si l’angle du V entre les rangs de cylindres correspond à celui séparant les cycles de deux cylindres, ces paires de cylindres peuvent partager un maneton commun.  Vilebrequin : Un cycle à 4 temps se déroulant sur deux tours de ce vilebrequin, soit 720°, l’angle du V entre les deux rangs doit pour cela être un nombre égal à de 720 / nbre cyl. ou a un multiple de ce nombre soit 45°, 90° ou 135° pour un V16, 60° ou 120° pour un V12, et de même 90° pour un V8 et 120° pour un V6.  Vilebrequin : Comme un moteur à 120° est très large, les V6 sont la plupart du temps à 60° ou à 90°. Chaque cylindre dispose alors de son propre maneton bien que le vilebrequin ne tourne que dans quatre paliers, comme celui d’un 3 cylindres en ligne. Il est toutefois possible de disposer deux bielles sur le même maneton d’un V6 à 90°, mais alors les intervalles entre les cycles de ses cylindres sont inégaux. Le V10 à 90° de la BMW M5 a des angles inter cycles de 54°- 90°-54° etc ; il en résulte que son espacement maximal entre deux impulsions motrices n’est pas réduit par rapport à un V8.  Vilebrequin : Une dimension importante d’un vilebrequin est le recouvrement des sections de tourillons et manetons. La rigidité et la solidité du vilebrequin augmente avec l’importance de ce recouvrement. Il est évidemment d’autant plus grand que la course est courte (et donc le rayon de manivelle court) pour des diamètres de tourillons et manetons donnés et c’est un des facteurs qui fait que les moteurs supercarrés peuvent être construits plus solidement à coût égal.  Vilebrequin : Quel que soit le nombre et la disposition des cylindres, le palier central ou celui côté transmission est garni de cales latérales (ou de demi-coussinets les incorporant) afin d’assurer le positionnement longitudinal du vilebrequin et absorber la poussée axiale produite par la butée d’embrayage lors du débrayage.  Vilebrequin : Quel que soit le nombre et la disposition des cylindres, le palier central ou celui côté transmission est garni de cales latérales (ou de demi-coussinets les incorporant) afin d’assurer le positionnement longitudinal du vilebrequin et absorber la poussée axiale produite par la butée d’embrayage lors du débrayage. Des contrepoids sont généralement placés à l’opposé des manetons pour équilibrer la répartition des masses du vilebrequin, limiter ses contraintes en flexion et celles sur les coussinets.  Vilebrequin : Fabrication, matériau : Les vilebrequins sont généralement coulés en fonte à graphite sphéroïdal ou forgés en acier au carbone. Des aciers alliés au nickel-chrome ou au chrome- molybdène-vanadium sont utilisés pour de fortes sollicitations. Les manetons et tourillons sont tournés et le vilebrequin peut ensuite être nitruré pour durcir la couche superficielle, après quoi ses portées sont rectifiées. Les embiellages sur roulements à billes ou à rouleaux sont aujourd’hui utilisés exclusivement dans les moteurs à 2-temps à essence, notamment de motos. Les vilebrequins démontables sont utilisés sur certains petits moteurs.  Vilebrequin : Le seul avantage d’un embiellage sur roulements est qu’il supporte une lubrification restreinte ou temporairement interrompue, contrairement aux coussinets lisses qui nécessitent un flux d’huile sous pression constant et sans cavitation. Les pertes par friction sont quasiment identiques pour les deux types d’embiellage car les molécules d’huile roulent sur elles-mêmes comme des billes.  Dégazage du carter moteur : Lorsque le moteur tourne, les gaz (dits de soufflage) passent du cylindre dans la chambre d'embiellage. En raison de la pression supérieure qui règne dans la chambre de combustion au moment de la compression et surtout durant le temps d'explosion, les gaz sont repoussés entre le piston et la paroi du cylindre. Plus la pression dans la chambre de combustion est grande, plus il y a de gaz de soufflage envoyés dans la chambre d'embiellage. Les gaz de soufflage contiennent du carburant imbrûlé et tous les composants du gaz d'échappement. Ceux-ci se mélangent à l'huile moteur, présente notamment sous la forme d'un brouillard d'huile, dans la chambre d'embiellage.  Dégazage du carter moteur : La quantité des gaz de soufflage dépend donc de la charge du moteur. Plus la charge du moteur est importante, plus la pression augmente dans la chambre de combustion. En raison de la présence de ces gaz de soufflage, une surpression par rapport à l'air ambiant se développe dans la chambre d'embiellage, qui dépend aussi du régime du fait du mouvement du piston. Cette surpression s'applique naturellement dans toutes les cavités reliées à la chambre d'embiellage (retour d'huile, logement de la chaîne etc.) et serait susceptible de provoquer une fuite d'huile au niveau des joints. C'est pour l'empêcher que le système de dégazage du carter a été mis en place. Au début, le mélange de gaz et d'huile moteur était simplement renvoyé dans l'atmosphère.  Dégazage du carter moteur : Pour des raisons liées à la protection de l'environnement, des systèmes fermés sont utilisés depuis quelques temps pour le dégazage du carter. Un système de dégazage envoie les gaz de soufflage, en grande partie épurés de l'huile moteur, dans le système d'admission et garantit ainsi l'absence de surpression à l'intérieur du carter. Dégazage du carter moteur :  Volant moteur :  Emmagasiner l’énergie cinétique et de la restituer entre les impulsions motrices pour procurer une rotation plus régulière.  Couronne de démarrage  Surface de friction pour l’embrayage  L’arbre primaire de la boîte à vitesse est prolongé de façon à venir s’engager dans le vilebrequin à travers le volant dans une douille en bronze ou un roulement à billes qui le centre.  Volant moteur : Un amortisseur de vibrations de torsion (damper) est fixé par une grosse vis à l’autre extrémité (nez) du vilebrequin. La circonférence de ce damper constitue généralement la poulie pour la courroie d’entraînement des auxiliaires. Si la distribution (arbre à cames) est également entraînée depuis le nez du vilebrequin, le pignon de courroie crantée ou de chaîne est inséré et claveté entre le damper et le premier tourillon.  bloc moteur, cylindres et paliers :  Généralement coulé d'une seule pièce  Le bloc-cylindres constitue le bâti du moteur  Les autres organes y sont confinés ou fixés  Le bloc moteur est relié à la caisse ou au châssis du véhicule par l'intermédiaire de supports souples.  bloc moteur, cylindres et paliers : Le bloc-cylindres peut prendre des conformations très diverses dépendant de l'architecture générale du moteur, de son nombre de cylindres, des technologies retenues et des matériaux utilisés.  bloc moteur, cylindres et paliers : De nos jours, les blocs moteur des voitures sont refroidis par un liquide. Plusieurs cylindres sont alors alignés dans un bloc rigide nommé " bloc- moteur " ou " bloc-cylindres ", ou encore " carter-cylindres ", en fonte ou en alliage d'aluminium. Des chambres d'eau sont moulés autour des cylindres alors que des canalisations d'huile vont aux paliers de vilebrequin et jusqu'au(x) plan(s) de joint(s) de culasse(s). La partie inférieure du bloc est fermée par le carter d'huile.  bloc moteur, cylindres et paliers : Ce bloc-moteur supporte généralement le transfert de force entre la culasse et les paliers de vilebrequin Pression très importante des gaz agissant entre les chambres de combustion et les pistons. Alternativement, ces forces de traction peuvent être reprises par de longs goujons qui traversent le bloc-cylindres de part en part en le comprimant pour solidariser les paliers du vilebrequin avec la culasse.  bloc moteur, cylindres et paliers : Si tous les cylindres sont disposés sur un seul rang, le moteur est dit " en ligne ". Le nombre de cylindres alignés peut aller de 2 à 14, mais en automobile il est actuellement compris entre 3 et 6. Plus engendre une longueur de vilebrequin élevée, et donc d'importantes flexions en torsion. Les moteurs d'automobile de 6 à 12 cylindres comportent donc aujourd'hui deux rangs de cylindres disposés en V. BMW reste quasiment le seul constructeur à produire des 6 cylindres en ligne Avantages : architecture idéale pour l'équilibrage et meilleur accessibilité mécanique dans une implantation longitudinale Inconvénient : manque d'espace de déformation de la coque en cas de choc frontal qu'un V6, plus court. bloc moteur, cylindres et paliers : Matériau La fonte grise (à graphite lamellaire) a longtemps été et reste encore souvent le matériau préféré pour les blocs-moteurs produits en grande série. Souvent alliée avec du silicium, du chrome et du nickel, elle permet le coulissement des pistons directement dans la matière du bloc (pas de chemise) La fonte ductile (à graphite sphéroïdal, ou encore nodulaire) a une résistance à la traction et une rigidité bien supérieure à la fonte grise mais elle est beaucoup plus dure à usiner et transmet plus les bruits et vibrations (pas d’amortissement car trop rigide). Utilisées surtout pour les vilebrequins. bloc moteur, cylindres et paliers : Matériau La fonte à graphite vermiculaire (CGI, Compacted Graphite Iron) est de plus en plus utilisée pour les blocs-cylindres de moteurs diesels (pressions de combustion très élevées). La fonte CGI est également en faveur aux Etats- Unis pour les blocs-moteur de compétition NASCAR. Ses propriétés se situent entre celles de la fonte grise et celles de la fonte ductile. Des parois minces de 3,5 mm seulement peuvent être obtenues de fonderie, si bien les moteurs ne sont guère plus lourds que ceux dont le bloc est en alliage d'aluminium. bloc moteur, cylindres et paliers : Matériau La fonte grise ordinaire contient du carbone ou graphite sous forme de flocons dont les surfaces aux angles vifs constituent des amorces de fracture à l'intérieur de la microstructure du métal coulé qui réduisent la solidité de la pièce. La fonte à graphite vermiculaire (CGI, pour Compacted Graphite Iron) contient plus de 80% de son graphite compacté sous forme de "vers" qui s'enchevêtrent. Ces formes irrégulières et arrondies remplacent les angles vifs des flocons de graphite allongés rencontrés dans la fonte grise, ce qui fait que les voies de propagation de fractures sont réduites. La rigidité et la résistance à la fatigue de la fonte CGI sont ainsi largement accrues, permettant ainsi de couler des blocs-cylindres à la fois plus solides et aux parois amincies, donc plus légers. Cependant cette fonte CGI est difficile à usiner, ce qui a constitué un obstacle à la production de masse tant que des solutions permettant l'usinage de blocs en grande série aux mêmes conditions que la fonte grise conventionnelle n'avaient pas été développées. bloc moteur, cylindres et paliers : Matériau Les blocs-cylindres en alliage d'aluminium sont coulés par gravité ou sous pression. L'aluminium est léger et à une conductivité thermique environ 4 fois supérieure à celle de la fonte, une meilleure coulabilité et un usinage relativement rapide. Par contre, les pistons ne peuvent pas coulisser directement dans l'aluminium car le coefficient de frottement serait exécrable, sans compter que les segments auraient tôt fait de mettre le cylindre hors d'usage. Jusqu'en 1971, les blocs en aluminium incorporaient donc toujours des chemises en fonte, généralement humides, c'est-à-dire baignant directement dans le liquide de refroidissement, ou éventuellement sèches, plus minces et insérées à l'intérieur des fûts de cylindres. Les blocs-moteurs en alliage d'aluminium (densité 2,64 contre 7,2 pour la fonte) restent plus légers, mais le coût est plus élevé. bloc moteur, cylindres et paliers : Matériau Exemple d’évolution de moteur : Le bloc-moteur du V8 de la BMW 740d était en fonte à graphite vermiculaire. Il pesait 80 kg, mais son successeur de 4,4 litres pour la 745d, basé sur le même entraxe de cylindres, dispose d'un bloc en alliage d'aluminium à chemises sèches qui ne pèse que 50 kg. Le poids du moteur complet est réduit de 272 à 250 kg malgré un embiellage assurément plus lourd et des entretoises en acier renforçant les chapeaux de paliers. Le silicium : L'ajout de silicium de haute pureté à l'aluminium entraîne une détérioration plus lente du métal. Il donne également au métal une température d'expansion thermique plus basse, améliorant la fluidité de la fonte. Enfin, le silicium diminue la contraction pendant le processus de solidification de l'alliage tout en ajoutant de la malléabilité et de la résistance. bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise Surtout pour les moteurs type industriel et véhicules poids lourds, les chemises facilitent les réparations et rectifications. bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise Les chemises humides, également courantes dans les moteurs à essence, procurent un meilleur refroidissement des cylindres et elles permettent le remplacement aisé de l'ensemble piston-chemise. La fabrication est facilitée, le bloc-cylindres étant plus simple et les chemises pouvant êtres obtenues par coulée centrifuge en fonte alliée (au chrome, nickel, molybdène, etc.) résistante à l'usure, à la corrosion et retenant bien le film d'huile. Leur principal inconvénient est que l'étanchéité doit être assurée de façon fiable par des joints annulaires afin que le liquide de refroidissement ne fuie pas dans le carter d'huile. bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise Si le bloc est en aluminium, les chemises sèches à paroi mince (2 à 4 mm) sont intégrées lors de la coulée sous pression ou introduites par contraction après refroidissement dans l'azote liquide à -195°C. Si le bloc est en fonte, elles peuvent êtres emmanchées à la presse sous une pression de plusieurs tonnes. Il faut deux alésages usinés précisément et comme les chemises doivent aussi êtres rectifiées et glacées sur leur diamètre extérieur, les coûts de fabrication sont accrus. Malgré ces précautions, le transfert de chaleur est moins bon qu'avec des chemises humides, même si les chemises sont intégrées à la coulée. bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise Quel que soit le procédé, l'incorporation de chemises en fonte dans un bloc- cylindres en aluminium crée une structure hétérogène soumise à des dilatations différentielles et va à l'encontre des buts recherchés, à savoir une diminution du poids et un meilleur transfert de la chaleur. De plus, l'épaisseur des parois de chemise nécessite un entraxe de cylindre accru à alésage égal, ce qui allonge le moteur. bloc moteur, cylindres et paliers : Chemise bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Alusil Cette technologie requiert que le bloc-moteur entier soit coulé à basse pression en alliage aluminium- silicium hypereutectique (AlSi17Cu4Mg) comprenant au moins 17 % de silicium - ce qui rend son usinage laborieux. En contrepartie les culasses et chapeaux de paliers peuvent être vissés directement dans le bloc, sans nécessité d'installer des goujons. Les parois des cylindres étaient soumises à un traitement de surface par décapage électrochimique, maintenant on effectue une série de trois honages successifs dont le dernier, effectué avec un matériau abrasif incorporé dans une matrice souple, achève la mise à nu des cristaux de silicium. Ces cristaux constitueront une surface résistante à l'usure et dotée d'excellentes propriétés tribologiques (lubrification). bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Audi V6 3.2 FSI et V8 4.2 : l'épaisseur de la paroi entre deux cylindres n'est que de 5,5 mm, ce qui permet un alésage de 84,5 pour un entraxe de 90 mm bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Alusil Les pistons pour les cylindres Alusil sont revêtus d'une couche ferreuse : les surfaces frottantes restent fer contre aluminium mais les rôles sont inversés. Le coefficient de dilatation des cylindres étant dès lors identique à celui des pistons, leur jeu à froid est réduit. La structure du bloc, monolithique (constitué d'un seul élément), n'est pas affaiblie par l'usinage de logements et d'épaulements pour des chemises. La conductivité thermique supérieure de l'aluminium permet de diminuer la capacité du système de refroidissement, d'où un gain de poids supplémentaire. Le moteur se réchauffe plus vite et plus uniformément. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Alusil Comme les culasses sont également en aluminium, leur expansion thermique est elle aussi semblable à celle du bloc, évitant ainsi de soumettre les joints de culasse à des déformations lors de chaque mise en température et chaque refroidissement du moteur. Les blocs peuvent êtres réalésés ou chemisés avec de minces chemises sèches Alusil. Pour cette opération, la différence de température entre le bloc et la chemise doit être d'environ 200°C. Ils peuvent aussi êtres recyclés sans difficulté étant donné qu'ils ne contiennent ni goujons ni inserts ferreux tels que des chemises en fonte. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Nikasil Les parois du cylindre en alliage aluminium-silicium sont revêtues par galvanisation d'une mince (0,07 mm) couche de nickel et de cristaux de carbure silicium. Le pourcentage de silicium dans l'alliage léger du bloc est moindre que pour l'Alusil, ce qui facilite l'usinage. En revanche, le réalésage est impossible. Le procédé Nikasil a été utilisé à partir de 1970 sur des moteurs de course (Porsche 917 notamment), puis en production de série par Porsche, BMW, Jaguar, Honda, Ferrari et Maserati. Les parois de cylindres traités au Nikasil retiennent bien l'huile et présentent un coefficient de friction particulièrement réduit ainsi qu'une excellente résistance. Toutefois, le soufre contenu dans l'essence distribuée notamment aux USA jusqu'aux années 90 peut conduire à la formation d'acide sulfurique, substance qui réagit de façon méchamment destructrice sur le Nikasil. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Nikasil Les parois du cylindre en alliage aluminium-silicium sont revêtues par galvanisation d'une mince (0,07 mm) couche de nickel et de cristaux de carbure silicium. Le pourcentage de silicium dans l'alliage léger du bloc est moindre que pour l'Alusil, ce qui facilite l'usinage. En revanche, le réalésage est impossible. Le procédé Nikasil a été utilisé à partir de 1970 sur des moteurs de course (Porsche 917 notamment), puis en production de série par Porsche, BMW, Jaguar, Honda, Ferrari et Maserati. Les parois de cylindres traités au Nikasil retiennent bien l'huile et présentent un coefficient de friction particulièrement réduit ainsi qu'une excellente résistance. Toutefois, le soufre contenu dans l'essence distribuée notamment aux USA jusqu'aux années 90 peut conduire à la formation d'acide sulfurique, substance qui réagit de façon méchamment destructrice sur le Nikasil. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Lokasil Lokasil est une technologie développée par Aluminium Technologie AG (ATAG), du groupe Rheinmetall Pierburg, inaugurée en 1996 par Porsche sur les moteurs des Boxster, Cayman, 911 Carrera 3.6 et Carrera S 3.8. Les parois des cylindres sont analogues à celles qui sont obtenues avec l'Alusil, mais le bloc peut être coulé en aluminium et il n'est renforcé que localement. A cette fin, des "préformes" hautement poreuses, composées de 20 ou 27% de silicium dans un liant céramique, sont disposées dans le moule à l'endroit des futurs cylindres et préchauffées à 700°C. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Projection de poudre par plasma Le procédé de projection de poudre dépose, au moyen d'une torche rotative, un revêtement résistant à l'usure sur les parois des cylindres. Après son introduction en Formule 1 et Formule 3 en 1999, ce procédé à été inauguré en production de série en octobre 2000 sur le 1.4 FSI de la VW Lupo, puis également par VW pour les V10 TDI et R5 TDI. Le choix de la poudre dépend des exigences tribologiques, mais ce peut être par exemple de l'acier au carbone faiblement allié. Le dépôt d'une couche de 0,2 mm à l'intérieur d'un cylindre de 80 mm d'alésage et de 120 mm de long prend moins de 60 secondes. Le moulage du bloc sous pression ou par moule perdu est possible avec un alliage tel qu'AlSi8Cu3, d'où un coût compétitif. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Moulage par modèle perdu Un modèle en polystyrène identique à la pièce finale est enduit d'une coquille céramique, puis vibré dans un lit de sable dont il est alors entièrement recouvert à l'exception du tube d'alimentation. Durant la coulée automatisée, l'aluminium liquide introduit par le tube prend la place de la maquette de polystyrène et adopte sa forme. La haute précision atteinte par ce procédé permet d'intégrer des détails de finition tels que par exemple les canalisations d'huile, ce qui dispense de nombreuses opérations d'usinage ultérieures. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Le moulage par modèle perdu ("lost foam") est utilisé notamment par General Motors pour la coulée des blocs-moteurs en aluminium Vortec 4, 5 et 6 cylindres de 92 x 103 mm. Après que le revêtement ait été déposé, un honage spécifique crée une topographie de surface comportant de nombreux micro-trous qui serviront de réservoirs d'huile et amélioreront la lubrification. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Conclusion Les frictions entre segments de pistons et cylindre sont réduites jusqu'à 30% par rapport à un cylindre en fonte alors que la consommation d'huile ainsi que l'usure des cylindres et segments peuvent être diminuées d'un facteur 2. La couche appliquée au plasma diminue encore les frictions par rapport aux procédés Nikasil, Alusil ou Lokasil. De plus son coût est inférieur et elle est appliquée avec succès sur des moteurs diesel, ce qui n'est pas le cas de ces trois autres technologies. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Composite aluminium – magnésium Le magnésium (densité 1,4) est encore plus léger que l'aluminium, mais il n'est pas utilisable pour des surfaces de friction comme les cylindres ou pour contenir le liquide de refroidissement, qui le corrode. Le module d'élasticité du magnésium est inférieur à celui de l'aluminium et sa résistance au fluage est insuffisante, particulièrement au-dessus de 120°C, température qui est facilement dépassée dans un bloc-moteur. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Composite aluminium – magnésium BMW est tout de même parvenu à produire des bloc-cylindres composite Al/Mg pour ses 6 cylindres à essence de 2,5 et 3 litres. Le bloc-cylindres est allégé de 24% par rapport à un bloc aluminium, si bien que le moteur 3 litres de 258 ch complet ne pèse que 161 kg. bloc moteur, cylindres et paliers : les matériaux spéciaux Composite aluminium – magnésium Les parois extérieures du bloc sont en magnésium alors qu'un insert en alliage d'aluminium (toujours AlSi17Cu4Mg) coulé à basse pression comprend les paliers, les cylindres (Alusil) et les chambres de liquide de refroidissement. Tous les périphériques et les supports moteur sont vissés sur le carter en magnésium qui intègre aussi le carter de chaîne de distribution et la face d'appui pour la transmission. Questionnaire socrative Mot. Th. Th. 1 chap 2 (1)  Paliers de ligne d'arbre : Le vilebrequin tourne dans les coussinets des paliers de ligne d'arbre. Les moitiés de ces paliers sont parties intégrantes du bloc cylindre et elles sont supportées par des cloisons transversales réparties entre chaque cylindre, si le moteur est en ligne, ou entre chaque paire de cylindre s'il est en V. Selon la conformation du carter inférieur, ces cloisons sont trouées pour laisser passer alternativement d'un côté et de l'autre l'air déplacé par la face interne des pistons. Elles doivent aussi êtres suffisamment résistantes pour que le vilebrequin ne soit pas éjecté hors du moteur par les pressions considérables générées dans les chambres de combustion sur les têtes de pistons et transmises par les bielles. Paliers de ligne d'arbre :  Paliers de ligne d'arbre : Une variante brevetée par BMW consiste à relier les chapeaux de paliers au plan de joint de carter d'huile par des entretoises en acier dont la différence de coefficient de dilatation avec le bloc permet de précharger l'ensemble lors de la montée en température. Cette solution évite les têtes de vis à l'extérieur de la jupe inhérentes au boulonnage en croix.  Paliers de ligne d'arbre : Les chapeaux de paliers peuvent faire partie d'une structure en échelle qui les solidarise, ce qui améliore aussi la rigidité de la ligne d'arbre. Mais la solution qui devient de plus en plus courante en technologie automobile - après avoir fait ses preuves depuis longtemps sur les puissants diesels marins et autres moteurs de course - c'est le carter semelle (" bed plate "). Ce concept intègre tous les chapeaux de paliers dans le carter inférieur du moteur, ce qui donne une rigidité optimale, pratiquement aussi bonne qu'avec la construction en carter tunnel.  Paliers de ligne d'arbre : Les blocs-cylindres en aluminium ont évidement le même coefficient de dilatation que les pistons de ce métal, nous l'avons vu. Mais le vilebrequin n'est jamais en alliage léger, toujours en acier ou en fonte nodulaire, si bien que des dilatations différentielles se retrouvent entre les tourillons et leurs paliers. Le jeu augmente à chaud, ce qui induit un épanchement d'huile d'autant plus grand que le moteur est chaud. Cela cause une baisse de pression d'huile malvenue qu'il faut compenser en augmentant le débit de la pompe. Pour éviter cet inconvénient, les carters-semelle en aluminium peuvent comporter des inserts de paliers en fonte, intégrés à la coulée. Carters des moteurs à cylindres opposés : Le vilebrequin des moteurs à cylindres opposés est usuellement enserré entre deux demi-carters symétriques contenant chacun une moitié des paliers. Une structure particulièrement rigide est ainsi obtenue, mais l'assemblage des pistons sur leur bielle et dans leur cylindre nécessite une solution. Carters des moteurs à cylindres opposés : Les ensembles piston-bielle peuvent être introduits après que le vilebrequin ait été monté entre les deux demi-carters si l'accès aux boulons de bielle est possible depuis dessous, par le carter d'huile. Des bielles à coupe oblique faciliteront alors l'assemblage. Sinon des cylindres séparés du carter de vilebrequin peuvent êtres enfilés autour des pistons préalablement montés sur l'embiellage, solution adoptée notamment sur les moteurs refroidis par air. Carters des moteurs à cylindres opposés : Chez Subaru, l'embiellage est mis en place entre les deux moitiés du bloc moteur, puis les pistons sont introduits dans les cylindres. Les axes de pistons sont ensuite enfilés au moyen d'un outillage spécifique passant par des trous dans les cylindres en face de la position des pistons au point mort bas. Carters des moteurs à cylindres opposés : Porsche emploie un autre concept pour les moteurs atmosphériques avec cylindres Lokasil monté sur les 911 Carrera, Cayman et Boxster: l'embiellage est supporté par deux demi "ponts de paliers" en alliage AlSi6Cu4 avec inserts en fonte grise au niveau des tourillons. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Les blocs-moteurs actuels se terminent tous à l'extrémité des cylindres au niveau des couronnes de pistons lorsque ces derniers sont au point mort haut (PMH). Cette face du bloc est planée de façon à constituer une surface parfaitement parallèle à la ligne d'arbre et perpendiculaire à l'axe des cylindres, surface contre laquelle la culasse sera plaquée et solidement vissée par l'intermédiaire d'un joint. Cela semble une mauvaise idée de prévoir une jointure entre le bloc et la culasse à un endroit soumis aux contraintes en pression et en températures les plus extrêmes et où l'huile et le liquide de refroidissement circulent. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) En fait, beaucoup de moteurs conçus jusqu'aux années 30 avaient leur culasse coulée d'une seule pièce avec le bloc-cylindres, ce dernier étant distinct du carter de vilebrequin. Il y avait donc une jointure entre les cylindres et le carter de vilebrequin, mais pas de joint de culasse. Une culasse détachable facilite les opérations de fonderie, d'usinage, de montage et de réparation du moteur. C'est pourquoi cette solution s'est généralisée malgré le fait qu'elle implique un joint de culasse avec ses inconvénients. En outre, le bloc-cylindres et la culasse peuvent êtres coulés dans des matériaux ou des alliages différents et avec un procédé de moulage spécifique à chacun. Les culasses de moteurs de voitures sont aujourd'hui toutes en aluminium alors que le bloc est parfois encore en fonte. Par contre, pour les diesels de poids-lourds, ces deux structures sont en fonte. Afin d'éviter des opérations d'usinage additionnelles, les plans de joint sont simplement surfacés. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Deux concepts coexistent à ce niveau : le bloc-cylindres peut-être ouvert (" open deck ") ou à tablature (" closed deck "). Les blocs en fonte sont quasiment tous à tablature alors que ceux en aluminium peuvent être réalisés selon l'une ou l'autre de ces deux formules - excepté avec le moulage par compression utilisé pour les cylindres Lokasil, qui nécessite un plan de joint ouvert. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Un plan de joint ouvert signifie que le liquide de refroidissement baigne entièrement le pourtour des cylindres jusqu'à la culasse. Le transfert de chaleur est facilité, mais le bloc est moins rigide et les contraintes sur le joint de culasse sont plus fortes. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Que l'une ou l'autre de ces solutions soit adoptée, il y a de toute façon des passages à travers le plan de joint pour le liquide de refroidissement, pour l'huile sous pression allant à la distribution et d'autres encore pour celle retombant par gravité. closed deck Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Une défectuosité du joint de culasse peut donc permettre :  Aux gaz de combustion de passer dans le circuit de refroidissement (ce qui peut le vider partiellement tout en remplissant son vase d'expansion),  A du liquide de refroidissement de passer dans les cylindres et dans l'huile, et à de l'huile de se mélanger au liquide de refroidissement (mayonnaise). Grâce à l'amélioration des joints de culasse, ces problèmes de gaz dans l'eau et autres sont moins courants de nos jours, mais le danger subsiste. Afin de l'éliminer, le MAN D20 dispose de canalisations de refroidissement et de lubrification séparés pour le bloc-cylindres et la culasse, si bien qu'il n'y a pas de passage de liquide à travers son joint de culasse. Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Cylindres siamois Plan de joint de culasse ouvert (open deck) ou à tablature (closed deck) Bloc-moteur partagé verticalement Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur Ordre de marche du moteur  Moteurs refroidis à air : Plus aucun moteur refroidi par air n'est produit pour des véhicules routiers, notamment pcq ce type de moteur est plus bruyant. En effet, les chambres d'eau et la paroi additionnelle qu'elles impliquent autour des cylindres et des chambres combustion limitent la transmission du bruit. En outre, le refroidissement à air nécessite un ventilateur lui aussi très bruyant et qui absorbe continuellement beaucoup plus de puissance qu'une pompe à eau. Cette puissance peut toutefois être diminuée si le moteur est à l'avant et est refroidi aussi par le flux d'air dû à la vitesse de la voiture.  Moteurs refroidis à air : Un radiateur d'huile est systématiquement monté : même les Citroën 2 CV et autres VW Coccinelle en avaient un. Les cylindres sont séparés, individuels et largement ailettés - ce qui nécessite un entraxe de cylindres accru. Ils sont généralement enserrés entre carter de vilebrequin et culasse par de longs goujons qui traversent leurs ailettes de part en part.  Moteurs refroidis à air : Un autre inconvénient est que le système de chauffage de l'habitacle est plus ardu à réaliser qu'avec un moteur refroidi à eau. Néanmoins, les avantages du refroidissement à air sont la légèreté et la simplicité dues à l'absence de circuit de refroidissement. Le moteur atteint plus rapidement sa température normale, mais il se refroidit aussi plus vite.  Moteurs refroidis à air : Les cylindres ailettés étaient réalisés en fonte, matériau dont la piètre conductivité thermique limitait la puissance spécifique. La firme Mahle produisit à partir de 1951, pour Porsche et pour des moteurs d'avions, des cylindres en aluminium (Chromal) dont la paroi était chromée dur. Etant donné que les surfaces chromées sont très peu absorbantes et qu'elles ne retiennent pas l'huile, un chromage poreux était effectué afin de remédier à cet inconvénient. Ces cylindres avaient une malheureuse tendance à s'écailler.  Moteurs refroidis à air : Des cylindres composites furent alors réalisés avec une frette en fonte dans des ailettages en aluminium (Alfin ou Biral). Mais ce fut finalement le procédé Nikasil qui assura une fiabilité irréprochable et des performances supérieures aux moteurs Porsche refroidis à air. Etonnamment, ces moteurs semblent avoir supporté l'essence soufrée sans problèmes.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : La chaleur générée au cours de la combustion n'est pas totalement convertie en énergie mécanique. Une partie demeure sous la forme d'énergie calorifique. Par ailleurs, une chaleur supplémentaire est produite par le frottement et la compression. Une partie de la chaleur est évacuée par les gaz d'échappement. Le reste est absorbé par les composants du moteur et par l'huile moteur. Du fait de la résistance limitée des matériaux et de l'huile à la chaleur, cette chaleur doit être dissipée. C'est le rôle du refroidissement. Les diverses composantes de l'énergie calorifique se différencient entre un moteur diesel et un moteur à essence. Ainsi, le moteur diesel peut convertir davantage l'énergie emmagasinée dans le carburant en travail exploitable. Mais même ici, le rendement n'est que d'env. 42 %. Le reste est perdu sous forme de chaleur. Moteurs refroidis par liquide de refroidissement :  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : L'objectif du refroidissement n'est par principe pas d'évacuer le plus de chaleur possible. Lorsqu'un moteur démarre à froid, une formation optimale du mélange ne peut se dérouler qu'à partir du moment où les composants du moteur ont atteint une température définie. De plus, les frottements à l'intérieur du moteur sont plus faibles. Cette température est appelée température de fonctionnement. Elle doit être atteinte le plus rapidement possible. La limite supérieure de température dépend, comme nous l'avons indiqué auparavant, essentiellement de la résistance à la chaleur des composants et de l'huile moteur. En règle générale, les moteurs automobiles travaillent à une température de fonctionnement de 80 à 90 °C.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : Le système de refroidissement d'un moteur moderne possède un circuit fermé. Le liquide de refroidissement est refoulé par une pompe spécifique à travers le moteur et un radiateur air-liquide de refroidissement. L'air du refroidissement est envoyé par le vent aérodynamique et/ou un ventilateur auxiliaire à travers le radiateur air-liquide de refroidissement. Un moteur moderne fonctionne dans des conditions climatiques très changeantes et à des charges très variables. Pour maintenir la température du liquide de refroidissement constante dans des limites étroites, et par conséquent aussi la température du moteur, la température du liquide de refroidissement est régulée.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : Un thermostat régule le débit du liquide de refroidissement à travers le radiateur ou en contournant le radiateur. Lorsque le thermostat est ouvert, le liquide de refroidissement passe par le radiateur et la chaleur du moteur est évacuée. On parle ici aussi du grand circuit de refroidissement. Lorsque le thermostat est fermé, le liquide de refroidissement ne va pas dans le radiateur, mais retourne directement à la pompe. Il s'agit du petit circuit de refroidissement.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : La chaleur du liquide de refroidissement n'est pas prélevée du liquide de refroidissement. La température du moteur peut ainsi augmenter. Le thermostat peut aussi prendre une position intermédiaire, dans laquelle une partie du liquide de refroidissement passe à travers le radiateur, tandis que l'autre partie retourne directement à la pompe. Cette disposition permet d'atteindre une température du liquide de refroidissement constante dans le moteur.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : Le système de refroidissement des véhicules modernes est un peu plus complexe :  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : application actuelle. Maintenant, la température de fonctionnement usuelle dans la culasse de 85 °C et une valeur maxi de 95 °C en utilisation intensive sont courantes. Cette température relativement basse est favorable au remplissage et à l’obtention de la puissance maximale mais elle accroît les frottements dans les paliers et têtes de bielles ainsi qu’entre les pistons et les alésages. Les motoristes ont donc décidé de séparer les circuits de refroidissement, la température dans le bloc-cylindres pouvant alors être montée à 115 °C.  Moteurs refroidis par liquide de refroidissement : application actuelle. Chaque circuit dispose de ses propres radiateur, thermostat et pompe mécanique pour la culasse et électrique pour le bloc-cylindres afin de disposer d’un débit indépendant du régime. Cette dernière est peu utilisée lorsque la puissance est moyenne alors qu’elle passe en débit maxi lors de forte charge afin de limiter le transfert thermique vers la culasse.  Circuit de lubrification : Le système de lubrification du moteur (aussi alimentation en huile) doit alimenter les composants du moteur avec une quantité suffisante d'huile moteur. La bonne pression doit alors être assurée. Fonctions : L'huile moteur remplit les fonctions suivantes : Lubrification ; Refroidissement des organes ; Etanchéité fine ; Nettoyage ; Protection anticorrosion ; Transmission de la force.  Circuit de lubrification : En des termes simples, la lubrification consiste à séparer des surfaces frottant l'une sur l'autre. La lubrification est assurée par l'huile amenée aux points à lubrifier par la pompe à huile. L'huile a pour rôle d'abaisser la friction entre les surfaces en contact au cours du mouvement et à réduire ou éviter totalement l'usure et les pertes d'énergie. On distingue trois types de friction : Friction sèche Friction mixte Friction liquide.  Circuit de lubrification : Dans la friction sèche, deux pièces se touchent avec des surfaces entièrement sèches. Chaque surface présente, par principe, une certaine rugosité, même si elle est très finement usinée. Les pointes microrugueuses des surfaces s'accrochent et s'arrachent mutuellement. Le mouvement des pièces produit une usure importante. Dans la pratique, les zones de lubrification d'un moteur ayant déjà tourné ne sont jamais totalement sèches. Lorsque le moteur est arrêté, la séparation des surfaces n'est toutefois pas complète. On parle ici de friction mixte. Les pointes micro-rugueuses des surfaces métalliques s'arrachent sans cesse mutuellement, notamment au début d'un démarrage à froid. Il n'est possible d'obtenir un fonctionnement sans usure que si les surfaces sont séparées par un film d'huile. C'est pourquoi les démarrages à froid provoquent une usure relativement importante sur le moteur. Rem. : Deux démarrages à froid par jour occasionnent en un an une usure qui correspond à un kilométrage de 20.000 km. Circuit de lubrification :  Circuit de lubrification : Sur les moteurs de forte puissance à fortes sollicitations thermiques, l'huile de lubrification risque de s'échauffer trop fortement pendant la conduite. L'huile devient fluide dans ce cas ; son pouvoir lubrifiant diminue et la consommation d'huile augmente. Il en résulte des dépôts dans la chambre de combustion et une altération du processus de combustion. Le film d'huile risque de rompre, ce qui peut entraîner des dommages au niveau des paliers et des pistons. La mise en œuvre d'un refroidisseur d'huile permet d'éviter ces problèmes. N'étant pas requis quand le moteur est froid, le refroidisseur d'huile n'intervient qu'à partir d'une température d'huile de l'ordre de 90 °C. Il existe des refroidisseurs d'huile refroidis par air et des refroidisseurs d'huile refroidis par eau (liquide de refroidissement). Circuit de lubrification : Circuit de lubrification : Circuit de lubrification : Circuit de lubrification : Circuit de lubrification : Culasse et distribution :  Culasse et distribution : Les culasses et la distribution, composants complexes s'il en est, constituent des éléments essentiels du moteur parmi lesquels une grande variété de concepts coexiste, ce qui en rend leur étude d'autant plus captivante. Les performances d'un moteur dépendent principalement de la conception de sa culasse (ou des ses culasses) et de la distribution qui est y intégrée. En effet, deux moteurs identiques mais coiffés d'une culasse de type différent peuvent présenter des caractères totalement opposés.  Culasse et distribution : Fonctions de base de la culasse A moins de disposer de deux pistons face à face dans un cylindre une culasse est évidemment nécessaire pour fermer l’extrémité du ou des cylindres et confiner les chambres de combustion. Dans un moteur à 4 temps, en plus de la bougie d'allumage et/ou des injecteurs, les organes de distribution - c'est à dire les soupapes et leur système de commande - sont supportés par la culasse, pièce de forme complexe, en fonte ou en alliage d’aluminium coulé. Sa face jointive est planée et elle enserre un joint spécifique contre la face réciproque du bloc- cylindres. La culasse est assemblée au bloc-moteur par des vis ou des goujons qui la traversent et qui sont répartis autour de chaque cylindre. La face opposée de la culasse est fermée par un couvercle dit "cache-soupapes" ou "couvre-culasse" alors que ses côtés supportent les collecteurs d'admission et d'échappement.  Culasse et distribution : Du fait de son serrage contre le bloc-moteur et de la pression des gaz, une culasse est soumise à de fortes contraintes mécaniques cependant que son échauffement non uniforme lui impose des contraintes thermiques non moins fortes. Elle est donc soigneusement refroidie par des chambres d'eau (ou des ailettes si le moteur est refroidi par air) qui entourent les chambres de combustion, les bougies ou/et les injecteurs, les guides de soupapes et les conduits d'échappement.  Culasse et distribution : Des passages dans le plan de joint relient ces chambres avec celles du bloc- cylindres. L'huile parvient sous pression à la distribution par des canalisations qui traversent le joint. Cette huile retombe dans le carter par d’autres passages pouvant aussi servir en sens inverse au circuit de réaspiration des vapeurs d’huile et des gaz de combustion qui ont fui à travers la segmentation ("blow-by").  Culasse et distribution : Les moteurs d’automobile modernes n’ont qu’une seule culasse par rangée de cylindres. Par contre, sur les moteurs d’avion refroidis par air et sur les Diesel de poids lourds, stationnaires et marins, pour autant que l’arbre à cames soit logé dans le bloc-moteur et non sur la culasse, chaque cylindre est souvent coiffé d’une culasse individuelle, moins sensible à la déformation du plan de joint et facilitant une éventuelle réparation. Un moteur peut aussi comporter plusieurs culasses de 2 ou 3 cylindres chacune.  Culasse et distribution : Les culasses en fonte sont totalement abandonnées pour les moteurs de voitures, qu’ils soient à allumage commandé ou diesel. Elles sont aujourd’hui toutes coulées en alliage d’aluminium, métal qui procure un important gain de poids et dont la conductivité thermique environ 4 fois plus grande que celle de la fonte permet une meilleure évacuation de la chaleur, ce qui est primordial pour éviter l’auto-allumage des moteurs à essence. En revanche, les Diesel de poids-lourds ont tous des culasses en fonte.  Distribution (historique) : Si les moteurs de course et d’avions refroidis par eau ont eu leurs arbres à cames dans la ou les culasse(s) à partir de 1903, cette conception dite à "arbre à came en tête" n’a été adoptée que très tardivement (dans les années 60 à 70) pour les moteurs propulsant les voitures de grande série.  Distribution (historique) : L’entraînement d’arbres à cames dans la culasse demandait des solutions jugées trop coûteuses telles que train d’engrenages ou arbre de renvoi perpendiculaire avec pignons coniques car le battement et l’allongement d’une chaîne de la longueur nécessaire posaient des problèmes difficiles à résoudre. Ce n’est que lorsque les courroies crantées furent disponibles pour l’entraînement des arbres à cames que la plupart des constructeurs se mirent enfin à produire en masse des moteurs à arbre(s) à cames en tête.  Distribution (historique) : Jusque-là, l’arbre à cames était logé dans le bloc-cylindres, ce qui facilitait sa lubrification et son entraînement, simplifiait la culasse tout en permettant le réglage aisé du jeu aux soupapes et le « déculassage » sans avoir à rétablir le calage de la distribution. Cette disposition provenait du fait que la plupart des moteurs d’automobile produits jusqu’aux années 40 avaient une distribution par soupapes latérales.  Distribution (historique) : Cela donnait une culasse très simple, plate et basse, mais créait une chambre de combustion qui débordait largement du cylindre, donc volumineuse et présentant une grande surface de parois. Tant que l’essence à bas indice d’octane prohibait des taux de compressions supérieurs à 7 et qu’on se contentait de régimes nominaux inférieurs à 4000 tr/min, des soupapes latérales pouvaient convenir aux moteurs à essence.  Distribution (historique) : L’étape qui fut finalement franchie en production de grande série dans les années 30 à 50 consista à placer les soupapes dans la culasse (OHV = OverHead Valves), mais en conservant l’arbre à cames dans le bloc-cylindres afin de pouvoir l’entraîner par un engrenage simple ou une courte chaîne ne nécessitant pas de tendeur. Il en résultait une commande des soupapes comptant un grand nombre de pièces : poussoirs, longues tiges et culbuteurs.  Distribution (historique) : Le progrès était considérable, mais ces composants intermédiaires entre cames et soupapes augmentent les forces d’inerties dues à leurs masses en mouvement alternatif, ce qui nécessite des ressorts de soupapes plus forts. De plus, tiges et culbuteurs fléchissent et se déforment, nuisant ainsi à la précision de la commande des soupapes.  Distribution (historique) : Devant l’augmentation continuelle des puissances spécifiques extraites des moteurs, la solution des arbres à cames en tête - jusque-là réservée aux moteurs de course et de sport - finit par s’imposer, tout au moins en Europe et au Japon. Mais si les moteurs de compétition ont généralement 2 arbres à cames en tête par rang de cylindre (2 ACT ou DOHC = Double OverHead Camshaft) soit un d’admission et un d’échappement, la solution à simple arbre à cames en tête (SOHC = Single OverHead Camshaft) reste souvent retenue en production de masse.  Distribution (historique) : Devant l’augmentation continuelle des puissances spécifiques extraites des moteurs, la solution des arbres à cames en tête - jusque-là réservée aux moteurs de course et de sport - finit par s’imposer, tout au moins en Europe et au Japon. Mais si les moteurs de compétition ont généralement 2 arbres à cames en tête par rang de cylindre (2 ACT ou DOHC = Double OverHead Camshaft) soit un d’admission et un d’échappement, la solution à simple arbre à cames en tête (SOHC = Single OverHead Camshaft) reste souvent retenue en production de masse.