II- A : Le fonctionnement du moteur à explosion

 

Comme son nom l’indique, un moteur à explosion fonctionne par la répétition d’explosions issues de la combustion d’un combustible comme l’essence ou le gasoil. Ces explosions permettent de repousser un piston qui effectue un mouvement de va et vient en actionnant un vilebrequin qui entraine par un jeu d'engrenage la rotation des roues. On provoque donc à partir d'une réaction chimique une libération d'énergie sous forme thermique et mécanique.

On parle de moteur 4 temps car le cycle comporte quatre étapes qui sont respectivement (cas du moteur à essence) :

  • l’admission :  un mélange d’air et d’essence est envoyé dans le cylindre (le piston descend) ;
  • la compression : le piston remonte (inertie du mouvement) ce qui comprime l’air et l’essence pour optimiser la phase suivante ;
  • l’explosion : le mélange "explose" (réaction d'inflammation) sous l’étincelle d’une bougie (le piston est donc repoussé à nouveau) ;
  • l’échappement : le piston remonte (inertie du mouvement) ce qui permet l'évacuation des gaz brulés du cylindre.

Ainsi, si un moteur tourne à 3000 tours par minute : il fait donc 1500 fois cette action chaque minute (une "explosion" assure la rotation de deux tours de vilebrequin).

Fiches 4temps moteurs

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La réaction d'inflammation ou de combustion est une réaction chimique durant laquelle il y a une combinaison entre l’oxygène de l'air et le carburant (mélange d'hydrocarbures fossiles pour la majorité). La réaction produit des gaz, des particules et s'accompagne également d'un fort dégagement de chaleur. On parle alors de réaction exothermique.

Lors de la combustion d’un carburant (formule de type CxHy), on obtient cette réaction (12) :

CxHy + n O2  + m N2 = x CO2 + y/2 H20 + p N2O4  (réaction complète du carburant)

Les produits d’une combustion d’un combustible fossile dans l'air sont donc du CO2, des oxydes d'azote et de l’eau, ainsi que de nombreuxs autres produits présents dans le carburant en petite quantité.

 

Le moteur diesel (moteur à carburant gasoil) fonctionne sur le même principe. Toutefois, l'explosion ne nécessite pas d'étincelle. En effet, le gasoil a comme particularité d’exploser à haute température bien plus facilement que l’essence. A la fin de la compression, le mélange air-gasoil, comprimé, atteint une température d’environ 700 degrés celsius et conduit à la réaction du gasoil sans requérir une énergie d'activation complémentaire. La bougie, pour un moteur diesel est de ce fait uniquement nécessaire au démarrage pour chauffer suffisament le gasoil afin d'obtenir un mélange de vapeurs réactives (13).

Un des défauts principaux de ces moteurs, au delà de la consommation importante de matières fossiles non renouvelables, est qu'ils rejettent beaucoup de substances nocives, en particulier du CO2 qui contribue au réchauffement de la planète (gaz à effet de serre) et des particules fines toxiques pour la santé et l'environnement. 

Ce défaut est accentué par le fait que ces moteurs n’utilisent qu’une partie de l’énergie chimique des carburants : environ 35% pour le moteur essence et 42% pour le diesel (14). Une grande partie de cette énergie est donc dissipée ou non utilisée pour plusieurs raisons (15) :

  • le rendement de la réaction d'inflammation n'est pas total et des gaz imbrulés sont perdus 
  • une part importante de l'énergie est perdue en énergie thermique 
  • il y a de nombreux frottements

 

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