Sujet moteur par KARTMAN et ACHRAM

[Kartman]

Tout d'abord, je créé ce sujet pour expliquer le fonctionnement d'un moteur de F1, mais comme tous les moteurs à pistons ont le même principe, je vais aussi m'attarder sur les différences qu'il comporte par rapport à nos voitures personnelles (pour ceux qui en on....)

1: Bas moteur

On appelle bloc moteur la masse dans laquelle les cylindres sont alésés. Il constitue l'élément principal du bas moteur avec l'équipage mobile (pistons, bielles, vilebrequin)

1.1: Configuration:

Pour commencer, un moteur de Formule 1 est un V8, 8 pour le nombre de cylindres et "V" pour la disposition de ces derniers. Mais ça tout le monde le savait...
Il existe (dans les moteurs à pistons) 6 types de configuration moteur:
- Les radiaux (ou en ligne) où les pistons sont alignés sur le même axe et le même angle: c'est la configuration la plus fréquente (par ex: Simca 1000, Alpine A110, BMW 325i)
- Les "V" où les pistons sont aligné sur le même axe mais avec un angle différent entre eux et ont donc deux culasses distinctes. L'angle peu varier selon les besoins, mais le plus courant reste le "V" à 90° (par ex: Clio V6, Ferrari F430)
- Les "Flat" (en français plat) qui sont similaires aux moteurs en V mais à la limite de l'angle possible soit 180° les pistons se retrouvent donc "cul à cul" (par ex: Subaru Impreza, Porsche GT3)
- Les "W" Idem que les moteurs en "V" mais cette fois-ci avec 2 angles différents entre les pistons, soit trois rangées de cylindre sur le même axe. (Par ex: Passat W12, Bugatti Veron)
- Les "VR" qui ont une configuration "batarde" chère à la marque Volkswagen entre un moteur en V et un Radial. Les pistons sont disposés comme un moteur en V mais sur un angle très reduit (15°) ce qui permet d'eviter l'encombrement d'un 6 en ligne (hein BMWGroup) en longueur
et d'un "V" en largeur. Cette configuration permet aussi de n'avoir qu'une seule et même culasse pour tous les cylindres vue la faible différence d'angle. (Par ex: Golf VR6 / R32, Audi TT 3.2l)
- Et enfin les plus rares, les moteurs à pistons face-à-face. Qui eux sont l'opposé du "flat". Ils n'ont par conséquent aucune culasse mais permettent de forts taux de compression qui permettent par exemple le fonctionnement d'un cycle à 2 temps diesel. C'est moteurs sont rares car ils
n'autorisent pas une fréquence de rotation élevée. Il sont utilisés pour faire fonctionner des pompes à eau à ma connaissance, mais surement autre chose également.


Nous allons donc nous interesser plus particulièrement au moteur en "V" incliné à 90° comportant 8 cylindres qui équipent nos bolides favoris.


1.2 les types de cylindres / pistons:

Tout le monde connait la forme d'un cylindre qui porte bien son nom (c'en est un...) ainsi que celle d'un piston.
Ce qui nous interesse ici, c'est le rapport entre le diamètre du cylindre que nous appellerons Alésage - car c'est un alésage dans un bloc de fonte ou d'aluminium- et la hauteur du cylindre que nous appellerons Course, car c'est la course qu'effectue théoriquement le piston dans le cylindre.

- Dans nos voitures de tous les jours nous avons de cylindres dits "longues course". Qui ont une course suppérieure à l'alesage. Vue en coupe latérale, ça nous donne un rectangle vertical. L>l
- Il existe aussi des blocs cylindres qui ont une course égale à l'alésage, on les appelle moteurs "carrés" car vus en coupe latérale, ça nous donne un carrée L=l
- Ceux qui nous interessent en F1, sont les moteurs avec un alésage suppérieur à la course qu'on appele moteurs "super-carrés". Appellation un peu barbare car vus en coupe latérale, on obtient un rectangle horizontal L<l.

On retrouve ces types de moteurs carrés et super-carrés sur les motos sportives à 4 cylindres.

Les moteurs de F1 poussent cette caractéristique à l'extrême et si on pouvait les appeler hyper-carré, on le ferait... Même si les données sont très secrètes, on peut dire qu'un piston de F1 a un diamètre d'environ 100mm, soit une grosse boite de conserve.
pour une course de seulement 60mm soit à peine une cigarette sans filtre (désolé pour les non-fumeurs ). Imaginez un débattement total de 6cm, c'est rien...

Avantages et inconvénients d'un moteur super-carré:

Les principaux avantages de ces moteurs équipant les F1 sont: le poids, l'encombrement, la fréquence de rotation.

- Le poids car avec une course très courte, on a besoin que de très peu de matière pour faire le bloc cylindre en hauteur, de plus, les alésages plutôt "grands" permettent aussi un gain à ce niveau là (un trou ne pèse rien, un gros trou pèse moins que rien...)
Le vilebrequin (manivelle) bénéficie du même traitement grâce à la faible course, son diamètre égal à la course est donc considérablement réduit (4cm de diamètre au centre de la tête de bielle). Soit un rouleau de PQ vide...

- On en vient donc à l'encombrement qui est donc très réduit en hauteur, un gros avantage pour l'abaissement du CDG (centre de gravité). On peut multiplier le nombre de cylindres sur la longueur qui est beaucoup moins gênante.
Par ex: le V10 3litres de 2005 n'est pas plus haut que le V8 2.4litres actuel. Il a juste deux cylindres de plus en longueur.
Autre gain d'encombrement et d'abaissement du CDG dû à la configuration en V à 90°: les culasses (particulièrement lourdes) sont plus basse qu'un moteur en ligne car elles sont inclinées sur les cotés.Mais une image vaut mieux qu'un long discours:

Moteur RS27 Renault F1:


Le bloc moteur est entouré en rouge, on se rend bien compte du très faible encombrement en hauteur (H) de ce dernier. Les culasses sont elles moins hautes que si le moteur avait été debout.
On notera l'absence de carter d'huile qui permet aussi un gain de hauteur mais on y reviendra plus tard.

- La fréquence de rotation très élevée enfin permet avec une démultiplication adéquate une très haute puissance par rapport à la cylindrée ridicule de 2400cm3. Par exemple: un tout petit démarreur pourra démarrer un très gros moteur si il tourne très vite
avec une grosse démultiplication.

Les inconvénients de ce type de moteur sont assez nombreux et ceux-ci ne peuvent être utilisés en grande série pour ces raisons simples: Longévité, consommation, coût.

- Pour la longévité, on sait tous qu'un moteur de F1 ne roule pas très longtemps. En effet, à cause de sa fréquence de rotation environ 3 fois superieure à un moteur essence classique, il s'use beaucoup plus vite car il encaisse des contraintes énormes. Par la même occasion, les pistons font un nombre incalculable d'aller/retour dans les cylindres, ce qui rôde ces derniers à l'excès et cause des pertes de performance.

-également liée aux régimes élevés des moteurs de F1, la consommation de carburant s'en voit énormément grandit. Si on prend un 4 cylindres en ligne (même très performant) en comparaison, on a 8 injecteurs au lieu de 4, qui injectent 3 fois plus souvent une dose de carburant bien plus élevée que la normale, on voit logiquement la consommation s'élever jusqu'à environ 70l/100km. A noter que la Xsara WRC de 2004 atteignait les 100l/100km mais à cause d'un turbo spécifique (bang bang) qui comporte un injecteur d'essence dans l'échappement en amont de la turbine, et ce, pour ne pas que le turbo perde son régime lors des changements de rapport. Bref, de l'essence jetée dehors. Petite parenthèse utile vu que les F1 ont utilisé ce genre de turbos pendant quelques temps.

- Et enfin le coût, vous vous doutez bien que pour obtenir une telle technologie, on doit avoir des matériaux qui encaissent parfaitement les charges induites sans trop s'user, donc (très) chers, sans compter le développement très couteux lui aussi (merci au gel des moteurs...) et bien sûr le carburantsans qui le moteur ne serait rien. Carburant très spécifique et donc très couteux qui est de surcroit consommé aussi vite que Chimo consomme une bière: c'est dire!!!


1.3 Fonctionnement du moteur:


Je laisse le clavier à Achram pour vous expliquer les bases de fonctionnement d'un moteur:

Thermodynamique fondamentale
Voilà, j’ai décidé de faire une petite suite sur le sujet des moteurs vu par Kartman. C’est une bonne introduction mais je suis sur que quelques personnes aimerai bien aller un petit peu plus loin dans l’explication et la compréhension des moteurs à combustion interne. Je sais que j’avais promis un sujet sur l’aérodynamique mais il s’avère que pour l’instant c’est plus du plagiat qu’autre chose alors j’ai un peu arrêté ce sujet. Je vous promets d’essayer de le reprendre bientôt.
Fonctionnement basique :
Les moteurs à combustion interne sont des systèmes volumétrique c.à.d. qu’ils fonctionnent avec une variation de volume. Des pompes à haute pression ou des vérins hydrauliques sont en autre des systèmes volumétriques. Pour un moteur à combustion classique, c’est un piston qui produit un mouvement de va et viens selon un axe dans un alésage. L’alésage sert de guide pour la translation et l’ensemble bielle-manivelle défini la longueur balayée par le piston. Les positions extrêmes du piston sont appelées point mort haut (PMH) et point mort bas (PMB). La variation de volume est appelée volume balayé et défini la cylindrée du moteur. Ce volume balayé par piston sera multiplié par le nombre de pistons du moteur pour atteindre la cylindrée. Le volume balayé d’un piston c’est la surface du piton multiplié par la distance balayée par ce dernier.
D’où :
Cylindrée = volume balayé par un piston x nombre de pistons = (?R² x L) x nombre de pistons

exemple pour un V8 de F1: diametre pistons D = 10cm (ou R = 5cm ) et course L = 6cm (on parle en cm pour obtenir des cm3.)

on a: (?5² x 6) x 8 = cylindrée unitaire X 8 pistons = 296 X 8 = 2368 cm3
Soit environ 2,4l mais on a pas les cotes exactes qui sont gardées bien secrètes...
Si on avait pris le V10 de 2005 on avait 296 X 10 = 2960 cm3 ( environ 3L )

Vous me demanderez surement pourquoi le piston bouge. Le piston ce déplace de manière cyclique suite à une suite de transformations physico-chimiques qui opèrent principalement en phase gazeuse et créant ainsi le travail du moteur.
La partie supérieure du moteur est constitué de la culasse, décrite précédemment. Dans celle-ci, une ou plusieurs soupapes d’injections introduisent dans la chambre de combustion un volume à haut pouvoir calorifique.
Ceci peut-être constitué d’un mélange gazeux d’air et de carburant qui se mélange avant l’introduction dans la chambre de combustion et que l’on allume au moment opportun par la création d’une étincelle. C’est la caractéristique d’un moteur Otto du nom du développeur du moteur à quatre temps. Le carburant pourra, selon convenance être un gaz ou un liquide volatile. Etienne Lenoir aura ainsi inventé le premier moteur à explosion en 1860 utilisant du gaz de ville alors que Carl Benz développa la première voiture en utilisant de l’essence tirée du pétrole raffiné.
L’on peu aussi utiliser un mélange d’air et d’essence « lourde » plus communément appelé Diesel. La différence entre le moteur Diesel et celui vu précédemment, c’est que ce dernier n’utilise pas d’allumage, mais que l’explosion produite est due à l’élévation de température des volumes dans la chambre de combustion résultant d’une compression à haute pression. De plus, c’est un injecteur qui introduit le diesel dans la chambre de combustion et le mélange ce fait dans la chambre de combustion. Ce type de moteur fût découvert et inventé par Rudolf Diesel en 1897.

[williamsf1]

Merci pour cette première partie Kartman

[Kartman]

Je continue, mais ça a pas l'air d'attirer grand monde...
Dites le si je vous fais chier

[Krys TOFF]

Je continue, mais ça a pas l'air d'attirer grand monde...
Dites le si je vous fais chier

Ce n'est pas parce qu'on ne poste pas de réponse qu'on ne lit pas avec intérêt.

J'avoue ne pas y connaître grand chose dans le fonctionnement des moteurs (je fais la vidange mais le reste c'est le garagiste qui s'en occupe), et je suis donc curieux d'apprendre. Continue.

[williamsf1]

Je continue, mais ça a pas l'air d'attirer grand monde...
Dites le si je vous fais chier

Continue J'attends la suite avec impatience, je connais déjà certaines choses mais c'est génial le boulot que tu fais

[Kartman]

Voilà une petite suite. (toute petite hein)

Edit: Bon anniversaire au passage à ma seule lectrice

[IceJedi]

Pas mal ton article, mais crois que tu as oublié quelques types de moteurs :

Le "H" : Un moteur dont les cylindres sont disposés en H se présente comme deux moteurs à cylindres opposés à plat, enfermés l'un au dessus de l'autre dans un seul carter.
Il a même été utilisé en F1 par BRM, voilà une image :


Le célèbre "Wankel":

Un moteur à piston rotatif (et non un moteur rotatif comme on le dit souvent).
Mazda a remporté les 24H du Mans avec ce moteur qui fût ensuite interdit à l'épreuve...


Le "moteur en étoile" (très utilisé en aviation avant les turboréacteurs) :

Les cylindres sont placés les uns à côté des autres autour de l'axe. Le moteur peut être fixe ou rotatif ; sous cette dernière forme, le vilebrequin est fixe par rapport au bâti et ce sont les cylindres et le carter qui tournent. Dans sa version classique, le vilebrequin, très court, ne comporte qu'un seul maneton auquel est connectée l'une des bielles dite "bielle maîtresse", sur laquelle viennent s'articuler les "bielles secondaires". En revanche, quand la puissance augmente, un effet gyroscopique problématique se produit.
Les cylindres peuvent être agencés en plusieurs rangées, de une à quatre. Cette organisation permettait de placer par exemple 28 cylindres en 4 rangées

Le "U" : en fait 2 radiaux associés dans le même carter.

Le "X" : 2 V opposés reliés par le vilebrequin.

Ou encore certains plus rares comme le "Delta" :

Plutôt utilisé en marine et pour les trains.

Ou à l'état d'étude comme le "Qurbine"

[Kartman]

Je parle de moteur à pistons utilisant le système Bielle/manivelle couramment utilisés en automobile.
Les moteurs que tu proposes sont des dérivés, mais ton post est intéressant.
Pour le Wankel, je comptait en parler plus tard.

[Dorius]

Un bruit unique, des performances plus qu'honorables, quasi aucunes vibrations... Par contre une consommation de fou.

La Mazda RX8 l'utilise (à ma connaissance la seule routière encore en vente l'utilisant). C'est une moyenne de 13L/100km, et environ 1.5L d'huile tout les 10000kms.

Par contre, quel pied à conduire en 220ch

[Achram]

Et aussi une durée de vie minime comparée aux autres moteurs a installations classiques. Le Wankel est très bon pour la compétition mais peu avantageux pour une voiture de grande diffusion. Mais le bruit... quel bruit.

[williamsf1]

Voilà une petite suite. (toute petite hein)

Edit: Bon anniversaire au passage à ma seule lectrice

Merci (un peu en beaucoup en retard mais j'ai eu des problèmes de pc et autres )

Et aussi une durée de vie minime comparée aux autres moteurs a installations classiques. Le Wankel est très bon pour la compétition mais peu avantageux pour une voiture de grande diffusion. Mais le bruit... quel bruit.

C'est vrai que le bruit, c'est une vrai berçeuse pour les oreilles ça!! J'adore le doux bruits des moteurs à pistons rotatifs
Si je la retrouve et si j'ai le temps, je mettrai une vidéo de la mazda qui à gagné le mans (rien que le doux bruits du moteur, un régale pour les oreilles =D)

[Kartman]

Je profite de la présence de notre ami Achram pour approcher le fonctionnement d'un moteur de maniere plus "scientifique"...

[BMW Group]

Génial ce sujet. J'adore.

Franchement bravo, c'est vachement intéressant et super bien expliqué.

J'en redemande !

[lulu]

clair, pour une fois qu'on s'instruire un pneu ...

[BMW Group]

clair, pour une fois qu'on s'instruire un pneu ...