Je vais commencer par vous expliquer la photo ci-dessous;
En jaune, on a notre fameux piston. En dessous en violet, on a le vilebrequin. La partie orange qui connecte les deux, est la bielle. Au-dessus de tout ça, on retrouve les soupapes et leurs arbres à cames en rouge et en bleu. Entre les deux soupapes, l'espèce de bidule gris foncé et blanc est la bougie d'allumage.
Le piston, le vilebrequin et la bielle sont logés dans le bloc moteur, tandis que les soupapes, les arbres à cames et la bougie sont situé dans la culasse, aussi appelée tête de moteur en langage garage. Sur le dessin le bloc et la culasse sont en gris. Les taches vertes sont les chemins d'huile et d'eau ( le liquide de refroidissement ou Prestone ). Je vous décris en détails chacune de ces composantes en débutant par le bloc moteur.
Le bloc moteur.
Lorsqu'on ouvre le capot de sa voiture la chose qui nous saute au visage est le moteur. En fait, ce que l'on voit est surtout le bloc moteur, le gros cube de métal qui loge au centre du compartiment moteur. Le bloc moteur est en fait seulement une partie structurelle du moteur. Son rôle est de loger les cylindres où les pistons vont bouger. Évidemment, quand le moteur tourne à 6 000 tr/min. ces pistons vont voyager à plusieurs centaines de km/h. Il faut donc que le bloc moteur soit solide. De plus, le bloc loge aussi les chemins d'huile qui servent à acheminer l'huile moteur aux parties qui doivent être lubrifié en permanence. Même choses pour les chemins de liquide de refroidissement.
On a deux catégories de bloc moteur, ceux dit « open deck » et ceux dit « closed deck ». Ceci fait référence à la partie plate qui accueille la culasse. Les cavités où le liquide de refroidissement circule se connecte normalement avec la culasse à cet endroit. Dans un moteur « open deck », ces cavités entoure le cylindre et ce dernier est seulement constitué d'une chemise où le piston va se déplacer. On sauve du poids, et le refroidissement est meilleur, mais la force structurelle est moindre. Un bloc moteur « closed deck », est un bloc où le cylindre a carrément été percer dans le matériel du bloc. Les chemins d'eau on aussi été machinés de la même façon ou moulés lors de la fonte du bloc. La structure du bloc est alors beaucoup plus solide, mais le refroidissement moins bon. Je vous reparle de tout ça plus tard.
Traditionnellement, le bloc moteur est fabriqué en fonte. Dernièrement par contre, l'aluminium a commencé à faire son entrer. Tout dépend de l'utilisation qui sera faite du moteur. Pour un moteur de voiture normale, l'aluminium fait très bien l'affaire. Pour un moteur diesel, par exemple, la fonte est préféré puisqu'elle est plus solide et résiste beaucoup mieux à la chaleur.
Finalement, les cylindres sont souvent recouvert d'une couche d'alliage spécial qui permet aux pistons de bouger plus facilement. Les pertes en friction à cet endroit sont critique pour la puissance du moteur.
On peut parler du nickasil qui est un alliage à base de nickel, ou cela peut être tout simplement de l'acier à haute dureté. Évidemment, le cylindre doit être parfaitement lisse, droit et symétrique sinon des pertes d'étanchéité auront lieu. Dans la pratique, c'est presque impossible à faire, c'est pourquoi le piston est équipé d'anneaux d'étanchéités. Je vous en parle plus bas.
La culasse.
La culasse est l'endroit où repose les soupapes et dans la plupart des moteurs modernes, les arbres à cames. Dans un bon vieux garage québécois, on parlera plutôt de la tête de moteur, ce qui fait référence à « cylinder head » en anglais. C'est aussi à cet endroit que le mélange air-essence pénètre dans le moteur comme tel et que les gaz d'échappement le quitte. La culasse est situé sur le dessus du bloc moteur. Comme ce dernier, la culasse doit être très solide puisque c'est elle qui absorbera le choc de l'explosion du mélange air-essence et qui redirigera cette énergie sur le piston pour le faire descendre. Normalement, la culasse est fixé au bloc moteur à l'aide de gros boulon.
Évidemment, la jonction entre le bloc et la culasse doit être parfaitement étanche, sinon l'énergie de l'explosion pourrait s'échapper. Deux méthodes s'assurent de cette étanchéité. La première est la construction même du bloc et de la culasse. Les surfaces sont machinés en usine au millième de pouces près pour qu'elle soit parfaitement droites et lisses. De cette façon elle se marieront l'une l'autre plus facilement. De plus, on ajoute un joint d'étanchéité entre les deux pour éliminer toute fuite. Ce joint est ce que l'on appel le « gasket de tête » au Québec. Son rôle est très important, parce que non seulement il assure l'étanchéité entre la culasse et le bloc, mais il aide aussi à la bonne circulation du liquide de refroidissement et de l'huile de la culasse au bloc moteur.
La culasse est maintenant la plupart du temps fait en aluminium, mais des moteurs plus vieux peuvent utilisés la fonte. Finalement, la plupart des moteurs utilisent la culasse pour donner forme à la chambre de combustion. Cette dernière, est l'endroit où le mélange air-essence sera allumé. Sa forme est très importante, mais je vous reparlerai plus tard.
Le ou les pistons.
Le piston est la partie du moteur qui recevra l'énergie de l'explosion et la transformera en mouvement. Comme les autres composantes déjà décrites, il doit être très solides, mais à la fois léger. Quand le moteur tourne à 6 000 tr/min. le piston bouge à plus de 100 km/h. Il se déplacera de cette façon d'une dizaine de centimètre vers le bas et remontera très brusquement vers le haut à la fin de sa course. Due aux lois de la physique plus le piston sera léger moins il y aura de perte en énergie cinétique et donc plus on pourra développer de puissance pour une même cylindrée. C'est un dilemme auquel font face les ingénieurs constamment, un piston plus léger, mais moins solide ou un piston plus solide, mais plus lourds. Sa construction est donc très importante. On utilise des alliages d'aluminium la plupart du temps.
Évidemment, le piston doit être étanche avec le cylindre dans lequel il se déplace, sinon des pertes de puissance se manifesteront. Pour être sur que le tout est bien hermétique, des anneaux d'étanchéités sont placés dans des petites rainures qui les accueillent sur le pourtour du piston. Normalement, il y a aura trois de ces anneaux. Le premier du haut est ce que l'on appel un anneau de compression, puisqu'il sert à empêcher les gaz en expansion de s'échapper sous le piston. Le deuxième en-dessous empêche l'huile moteur de pénétrer dans la chambre à combustion et finalement le troisième du bas sert à répartir un fin film d'huile sur les parois du cylindre pour lubrifier la course du piston.
La forme du piston est aussi très importante. Lorsque celui-ci sera au point mort haut, il formera avec la culasse la chambre de combustion. Comme je le disais plus haut la forme de celle-ci est primordiale pour une bonne combustion. De plus, dépendant de la façon dont le moteur est construit le piston doit laisser de l'espace pour les soupapes qui peuvent être plus ou moins ouverte lorsque ce dernier est au point mort haut.
La ou les bielles.
La bielle est ce qui permet, avec l'aide du vilebrequin, de transformer le mouvement linéaire de haut en bas du piston, en mouvement rotatoire. Évidemment, cette pièce subit d'aussi grand stress que le piston, sinon plus. Elle doit être très solide et à la fois légère.
La bielle vient s'attacher au piston à l'aide d'une goupille qui est fixée à la serre dans le piston. L'autre partie de la bielle est elle fixé à l'aide d'une mâchoire boulonnée au vilebrequin. Cette mâchoire est en deux partie et des plaques de laiton sont insérées à l'intérieur. Ces dernières assurent une certaine lubrification pour que la mâchoire bouge librement sur le maneton du vilebrequin.
De plus, la mâchoire est souvent percé en certains endroits pour que l'huile puisse être projeté sur les parois du cylindre. Certaines bielles sont aussi équipés de petites cuillères qui ont la même utilité.
Le vilebrequin.
Le vilebrequin reçoit l'énergie du ou des pistons. Il est à l'horizontal tout en bas dans le bloc moteur. Il est fixé à une extrémité directement au bloc moteur à l'aide d'un roulement, le plus souvent à billes. À cette extrémité dans la plupart des cas, une poulie y est fixé à l'extérieur du bloc. Cette poulie servira à faire tourner les différentes courroies qui entraînent les accessoires du moteur ainsi que les arbres à cames. À l'autre extrémité il est fixé de la même façon, mais entraîne cette fois-ci le volant moteur. Ce dernier sert d'interface à la transmission et ultimement transmet le pouvoir du moteur.
Le vilebrequin est formé de tournillons et de manetons. Les tournillons sont dans l'axe du vilebrequin et forme la partie structurelle. Les manetons sont décentrés vers l'extérieur et accueillent les mâchoires des bielles. La différence de distance à l'axe des tournillons et des manetons est ce qui détermine la course du ou des pistons.
Le vilebrequin est très important et doit être équilibré parfaitement. Les manetons sont machinés au millième de pouces près et sont extrêmement lisse.
Les arbres à cames.
Les arbres à cames sont en fait des cylindre en métal, le plus souvent en acier à haute dureté, disposé à l'horizontal dans la culasse. Ils sont entraînés par le vilebrequin et contrôle l'ouverture et la fermeture des soupapes en synchronisme avec les pistons.
Je vous donnerai plus de détails sur ceux-ci dans une future capsule.
Les soupapes.
Elles sont elles aussi situés à l'intérieur de la culasse. Entraînés par l'arbre à came, les soupapes laissent entrés et sortir, soit le mélange air-essence ou les gaz d'échappement. Encore une fois, je vous en reparle dans de plus ample détails dans un article futur.
Voilà, c'est tout pour l'instant. Digéré tout ça et je vous revient sous peu avec les différentes configurations de tout ce bazar qui existent sur le marché en 2010.
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