Un moteur alternatif utilise le mouvement linéaire d'un ou plusieurs pistons pour convertir la pression du fluide en travail mécanique, généralement sous la forme d'un mouvement rotatif. Ce procédé permet la production d'énergie mécanique, essentielle à de nombreuses applications industrielles et de transport. En revanche, les machines tournantes, comme les turbines ou le moteur Wankel, génèrent de l’énergie directement grâce au mouvement de rotation de leurs composants.
Le moteur alternatif, également connu sous le nom de moteur à pistons, est une catégorie de moteurs largement reconnue et utilisée. Parmi ceux-ci, les moteurs à combustion interne sont les plus courants car ils sont massivement utilisés dans la fabrication de véhicules automobiles, des voitures aux motos et aux camions, en raison de leur efficacité et de leur capacité à produire une grande quantité d’énergie.
Bien que dans cet article nous nous concentrions sur les moteurs thermiques alternatifs, il est important de souligner qu’il existe d’autres types de moteurs alternatifs. Il s'agit notamment des moteurs électriques alternatifs, qui convertissent l'énergie électrique en mouvement linéaire ou rotatif, et des moteurs pneumatiques ou hydrauliques, qui utilisent de l'air comprimé ou des fluides sous pression pour générer du mouvement.
Types de moteurs alternatifs
Les moteurs alternatifs peuvent être classés de différentes manières. Les principales formes de classification sont les suivantes :
- Selon la disposition des cylindres dans le moteur. Ceux-ci peuvent être : en ligne si tous les cylindres sont disposés sur une seule rangée, en V si les cylindres sont disposés sur deux rangées formant un « V », en Boxer (ci-contre) s'ils sont disposés horizontalement sur deux rangées opposées et radial si l ' les cylindres sont disposés autour d'un axe central, couramment utilisé dans les avions.
- Selon la cylindrée : La cylindrée fait référence au volume total déplacé par tous les pistons du moteur pendant un tour complet du vilebrequin. Elle se mesure en litres ou centimètres cubes (cc).
- Selon le taux de compression : Le taux de compression est le rapport entre le volume total du cylindre lorsque le piston est au point le plus bas et le volume lorsque le piston est au point le plus haut.
- Selon la relation entre le diamètre et la course : le diamètre est la largeur du cylindre et la course est la distance parcourue par le piston à l'intérieur du cylindre. Les moteurs peuvent être à course courte, à course longue ou à course carrée (diamètre et course égaux).
- Selon le nombre de mouvements dans chaque cycle : on distingue ici les moteurs à deux temps , dans lesquels le moteur effectue un cycle de puissance en deux mouvements du piston (un tour de vilebrequin), et le moteur à quatre temps, qui en effectue un. cycle de puissance en quatre mouvements du piston (deux tours du vilebrequin).
Classification des moteurs à combustion alternatifs
Les moteurs à combustion sont principalement divisés en deux catégories :
- Moteur à essence (moteur Otto) : utilise une bougie d'allumage pour démarrer la combustion du mélange air-carburant. On le trouve couramment dans les voitures et les motos. Ils sont également connus sous le nom de moteur à allumage commandé.
- Moteur diesel : La combustion est initiée par la compression de l'air dans le cylindre, ce qui augmente suffisamment la température pour enflammer le carburant. Utilisé dans les véhicules lourds, les machines et les générateurs. Il est également connu sous le nom de moteur à allumage par compression.
Autres types de moteurs alternatifs
Outre les moteurs endothermiques, il existe d’autres types de moteurs alternatifs qui ont également des applications importantes :
- Machine à vapeur : Fondamentale de la révolution industrielle, elle utilise de la vapeur d’eau pour déplacer les pistons et générer de l’énergie mécanique.
- Moteur Stirling : utilise la compression et la détente d'un gaz à différentes températures pour produire de l'énergie. Il est efficace et silencieux, avec des applications dans les systèmes d'énergie renouvelable et de réfrigération.
Types de moteurs à allumage commandé
Les principaux types de moteurs à allumage commandé sont les suivants :
- Moteur à essence : C'est la version la plus courante puisqu'elle est installée dans une partie importante des voitures. Il dispose de deux options d'alimentation en carburant : un injecteur et un carburateur.
- Moteur à carburateur. Une particularité est la production d'un mélange de carburant et de gaz dans un mélangeur spécial, un carburateur. Auparavant, ces moteurs à essence prévalaient ; Aujourd'hui, avec le développement des microprocesseurs, leur champ d'application diminue rapidement.
- Moteur à injection. Une caractéristique est la réception du mélange de carburant dans le collecteur ou dans les cylindres du moteur alimentant le système d'injection de carburant.
- Moteurs à gaz. Moteur qui brûle des hydrocarbures gazeux comme carburant dans des conditions normales : mélanges de gaz liquéfiés, gaz naturels comprimés, gaz obtenus par conversion d'un combustible solide en combustible gazeux. Le charbon, la tourbe et le bois sont utilisés comme combustible solide.
Ces moteurs sont largement utilisés, par exemple dans les centrales électriques de petite et moyenne puissance, utilisant le gaz naturel comme carburant (dans le domaine des grandes puissances, les centrales à turbine à gaz règnent).
Types de moteurs à allumage par compression
Les moteurs à allumage par compression, appelés moteurs diesel, se caractérisent par l'allumage du carburant par compression de l'air dans le cylindre. Dans cette catégorie, il existe plusieurs types importants.
Moteur à deux temps
Le moteur diesel à deux temps effectue un cycle complet en deux mouvements de piston et est utilisé dans les applications où une puissance et une densité élevées sont requises, comme dans les navires et les machines lourdes. Ce type de moteur est de conception plus simple mais peut être moins efficace et plus polluant que les moteurs à quatre temps.
Moteur à quatre temps
En revanche, le moteur diesel à quatre temps effectue un cycle en quatre mouvements de piston : admission, compression, combustion et échappement. C'est le type le plus couramment utilisé dans les véhicules de tourisme, les camions et les générateurs en raison de son efficacité et de sa propreté supérieures à celles des moteurs à deux temps.
moteur à injection directe
Le moteur diesel à injection directe injecte le carburant directement dans la chambre de combustion, offrant un meilleur rendement énergétique et une plus grande puissance, c'est le type utilisé dans la plupart des véhicules diesel modernes. En revanche, le moteur diesel à injection indirecte injecte du carburant dans une pré-chambre de combustion avant d'entrer dans le cylindre principal, offrant une combustion plus douce bien qu'avec une efficacité moindre, et est utilisé dans des applications plus anciennes et certains petits moteurs.
Moteurs diesel à grande vitesse
Les moteurs diesel à grande vitesse sont conçus pour fonctionner à des régimes par minute (RPM) élevés et sont utilisés dans les véhicules utilitaires légers et les engins de construction. En revanche, les moteurs diesel à basse vitesse fonctionnent à bas régime et sont courants dans les applications marines et les générateurs à grande échelle en raison de leur durabilité et de leur rendement énergétique élevés. Ces différents types de moteurs diesel répondent à un large éventail de besoins et d’applications, chacun présentant ses avantages spécifiques en termes d’efficacité, de puissance et de durabilité.
Histoire du moteur alternatif
L’histoire du moteur alternatif trouve ses racines dans le mécanisme à manivelle, un des premiers exemples de conversion du mouvement rotatif au mouvement alternatif. Les manivelles les plus anciennes sont apparues en Chine sous la dynastie Han (202 avant JC-220 après JC). Plusieurs scieries d'Asie romaine et de Syrie byzantine au cours des IIIe et VIe siècles après J.-C. utilisaient des mécanismes à bielle qui convertissaient le mouvement rotatif d'une roue hydraulique en mouvement linéaire des lames de scie. En 1206, l'ingénieur arabe Al-Jazari inventa le vilebrequin, élément crucial dans l'évolution des moteurs alternatifs.
Le développement important des moteurs alternatifs a eu lieu en Europe au XVIIIe siècle. Tout d’abord, les moteurs atmosphériques sont apparus, suivis par les moteurs à vapeur, qui ont révolutionné l’industrie. Au XIXe siècle, le moteur Stirling et le moteur à combustion interne ont été développés, ouvrant la voie à une nouvelle ère dans la technologie des moteurs.
Aujourd'hui, le type de moteur alternatif le plus courant est le moteur à combustion interne, qui fonctionne à l'essence, au diesel, au gaz de pétrole liquéfié (GPL) ou au gaz naturel comprimé (GNC). Ces moteurs sont essentiels à la propulsion des véhicules automobiles et au fonctionnement des centrales électriques, se distinguant par leur efficacité et leur polyvalence dans de multiples applications industrielles et de transport.
Terminologie des moteurs alternatifs
Tous les moteurs alternatifs ne correspondent pas au schéma décrit, mais les pièces essentielles et leur fonctionnement sont similaires.
Nous joignons ci-dessous une terminologie utilisée universellement dans le domaine des moteurs à combustion interne ou des moteurs endothermiques. Cette terminologie est utilisée pour indiquer certaines dimensions et valeurs fondamentales de ce type de moteur.
- Point mort haut (PMH). Position du piston le plus proche de la culasse. Point Mort Bas (PMI). Position du piston la plus éloignée de la culasse.
- Point Mort Bas (PMI). Position du piston la plus éloignée de la culasse.
- Diamètre (en anglais : Bore). Diamètre intérieur du cylindre. Généralement exprimé en millimètres (mm).
- Course (en anglais : Stroke). Il comprend la distance entre le PMH et le PMI, elle est égale, à de rares exceptions près, à deux fois le rayon du vilebrequin du vilebrequin. Elle est généralement exprimée en mm.
- Volume total du cylindre (V1). C'est l'espace entre la culasse et le piston lorsqu'il est au PMB. Il s'exprime généralement en cm3.
- Volume de la chambre de combustion (V2). Il se situe entre la culasse et le piston lorsqu'il est au PMH. Il s'exprime généralement en cm3.
- Volume déplacé par le piston ou déplacement (V1 - V2). C'est la génératrice du piston dans son mouvement alternatif du PMH au PMB : Il s'exprime généralement en cm3.
- Taux de compression volumétrique (
). On entend par là la différence entre le volume total du cylindre V1 et le volume de la chambre de combustion V2. En général, en abrégé, on l'appelle simplement taux de compression :
