LES ÉQUIPEMENTS LES MOTEURS THERMIQUES

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1 LES ÉQUIPEMENTS LES MOTEURS THERMIQUES SUPPORT DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ060 Révision 0.1

2 LES ÉQUIPEMENTS LES MOTEURS THERMIQUES SOMMAIRE 1. OBJECTIFS LES FONCTIONS DES MOTEURS THERMIQUES LES DIFFÉRENTS TYPES DE MOTEURS LES MOTEURS A COMBUSTION EXTERNE LES MOTEURS À COMBUSTION INTERNE Le moteur essence Le moteur diesel LES APPLICATIONS DES MOTEURS THERMIQUES Les moteurs à combustion externe Moteur à combustion interne PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT RAPPELS DE THÉORIE Terminologie Formules Définitions MOTEUR ESSENCE 2 TEMPS MOTEUR ESSENCE 4 TEMPS MOTEUR DIESEL CONSTITUTION D UN MOTEUR THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE Les organes fixes Les organes mobiles Position des pistons EXERCICES AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES DIFFÉRENTS TYPES MOTEUR À COMBUSTION EXTERNE MOTEUR À COMBUSTION INTERNE COMPARATIF D UN MOTEUR ESSENCE ET DIESEL LES AUXILIAIRES ALIMENTATION CARBURANT Essence Diesel Fonctionnement du circuit gasoil Filtration du circuit gasoil Le réamorçage du circuit gasoil GRAISSAGE ET LUBRIFICATION Filtrations du circuit d huile LE REFROIDISSEMENT Refroidissement à air Refroidissement avec du liquide Avantages du refroidissement...40 Dernière Révision: 11/04/2007 Page 2 de 59

3 Avantages des températures élevées LA DISTRIBUTION TURBO COMPRESSEUR EXERCICES CONDUITE DES MOTEURS DÉMARRAGE D UN MOTEUR Generalites Cas particulier Le préchauffage Le prégraissage Les différents types de démarreur Démarreur électrique Démarreur pneumatique Démarreur hydraulique Autres contrôles LES SÉCURITÉS Groupe électrogène Moto pompe incendie EXERCICES TROUBLESHOOTING MAUVAIS FONCTIONNEMENT ENTRETIEN GLOSSAIRE SOMMAIRE DES FIGURES CORRIGÉ DES EXERCICES...59 Dernière Révision: 11/04/2007 Page 3 de 59

4 1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre une meilleure compréhension des MOTEURS THERMIQUES. Il permet aux stagiaires d'acquérir la connaissance théorique sur la technologie de construction et le fonctionnement des moteurs à combustion. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 4 de 59

5 2. LES FONCTIONS DES MOTEURS THERMIQUES Les moteurs servent à produire de la puissance sur un arbre,utilisée pour entrainer un véhicule,un générateur électrique,ou une machine tournante. Exemples : Un moteur de voiture sert à mettre en mouvement les roues de la voiture Un moteur de pompe sert à mettre en mouvement la pompe Un moteur de groupe électrogène sert à mettre en mouvement un alternateur Figure 1: Moteur de groupe électrogène Figure 2: Moteur de pompe Figure 3: Moteur de camion Dernière Révision: 11/04/2007 Page 5 de 59

6 3. LES DIFFÉRENTS TYPES DE MOTEURS 3.1. LES MOTEURS A COMBUSTION EXTERNE Les moteurs à combustion externe sont des moteurs où le système (air) est recyclé, sans renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur : Source chaude (chaudiére) Source froide (atmosphère ambiante, eau) La turbine à vapeur et la turbine à gaz sont des machines à combustion externe. Machine à vapeur La chaleur est produite dans une chambre de combustion (chaudière) séparée de la chambre de détente. Cette chaleur est utilisée pour vaporiser de l eau. Figure 4: Principe de fonctionnement de la machine à vapeur La vapeur d eau obtenue par cette vaporisation est alors envoyée dans la chambre de détente (cylindre) où elle actionne un piston. Un système bielle manivelle permet alors de récupérer l énergie mécanique ainsi produite en l adaptant aux besoins. Figure 5: Exemple de machine à vapeur Dernière Révision: 11/04/2007 Page 6 de 59

7 Moteur Stirling Le moteur Stirling, appelé parfois moteur à combustion externe ou moteur à air chaud est inventé en 1816 dont on reparle de plus en plus aujourd hui. Le moteur comprend deux pistons A et B et un régénérateur qui absorbe et restitue de la chaleur au cours du cycle. Il existe plusieurs types de moteur Stirling. Figure 6: Principe de fonctionnement du moteur Stirling Dernière Révision: 11/04/2007 Page 7 de 59

8 3.2. LES MOTEURS À COMBUSTION INTERNE La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d un qui remplit cette chambre. Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée sur un piston force qui transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation du vilebrequin Le moteur essence Le principe du moteur à explosion 4 temps ou 2 temps est relativement simple : le mélange air-essence est comprimé par le piston. Une étincelle fournie par une bougie permet de faire bruler le gaz qui repousse le piston. On appelle cela un moteur à allumage commandé. Figure 7: Exemple de moteur à essence Le moteur diesel Un moteur Diesel est un moteur à explosion dont l'allumage n'est pas commandé, mais spontané, par phénomène d'autoallumage et n'a donc pas besoin de bougies d'allumage. Cela est possible grâce à l'utilisation d'un très fort rapport volumétrique de compression d'environ 16 à 18, permettant d'obtenir une température de 800 C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour augmenter la température de la chambre de combustion, mais leur présence n'est pas systématique. Les moteurs Diesel fonctionnent, habituellement, au gazole, au fuel lourd ou aux huiles végétales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps qu'à quatre temps. Ce type de moteur au taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile à partir de Figure 8: Exemple de moteur diesel Dernière Révision: 11/04/2007 Page 8 de 59

9 3.3. LES APPLICATIONS DES MOTEURS THERMIQUES Les moteurs à combustion externe La machine à vapeur Les applications des machines à vapeur ont été reconnues dans le secteur ferroviaire ou dans quelques industrie il y plusieurs années.celles-ci permettaient la mise en œuvre de machine outils par l intermédiaire de courroies. On utilise aujourd hui le principe de la machine à vapeur pour la production d électricité dans les centrales thermiques. Les turbines à vapeur ou à gaz Les turbines sont utilisées sur les sites pétroliers soit offshore, soit onshore. Le moteur Stirling Très méconnu on trouve quelques applications dans le domaine maritime, car certains sous marin Suédois sont équipés de ce type de propulsion. D autres applications sont utilisées dans le domaine spatial pour certains satellites car les différences de températures sont importantes Moteur à combustion interne Moteur à essence 2 et 4 temps Principalement utilisé dans l automobile et la motoculture pour les tondeuses à gazon par exemple, les moteurs essence sont très peu utilisés dans le secteur pétrolier pour leur dangerosité d explosion. Moteur Diesel 2 et 4 temps On utilise le moteur Diesel lorsque l'on a un besoin d'un couple important ou d'un bon rendement. En revanche, il est rarement utilisé sur les motos et les avions, notamment pour une question de poids embarqué. Il est très souvent utilisé dans le secteur pétrolier pour entraîner des alternateurs ou des pompes incendie notamment. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 9 de 59

10 4. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Nous aborderons dans ce cours uniquement les principes de fonctionnement des moteurs à combustion interne RAPPELS DE THÉORIE Terminologie Alésage : Diamètre intérieur du cylindre en mm. Course : Distance comprise entre le PMH et le PMB en mm. Points Morts : Position extrême du piston en haut ou en bas, pour un moteur vertical Point mort haut (PMH) : Position de monté maximum du piston. Point mort bas (PMB) : Position de descente maximum du piton. Chambre de combustion : Espace compris au dessus du piston entre le PMH et la culasse en CC. Volume mort : C est le volume de la chambre de combustion quand le piston est au PMH Cylindrée unitaire : Volume compris entre le PMH et le PMB en CC. Rapport volumétrique : Rapport entre le volume total (V) et le volume de la chambre de Vu + v combustion (v) : v Moteur super carré : Moteur où l'alésage est supérieur à la course. Moteur carré : Moteur où l'alésage est égal à la course. Moteur longue course : Moteur où l'alésage est inférieur à la course Formules La cylindrée unitaire : ((pie x alésage ²) / 4) x la course La cylindrée total : cylindrée unitaire x le nombre de cylindre Dernière Révision: 11/04/2007 Page 10 de 59

11 La course : (cylindrée unitaire x 4) / (pie x l'alésage ²) L'alésage : racine carré de (cylindrée unitaire x 4) / (pie x la course) Le rapport volumétrique : (grand volume + petit volume) / petit volume Le grand volume : chambre de combustion x (rapport volumétrique - 1) La puissance maximale (en watt) : couple (N.m) x((2x pie x régime moteur (tour minute)) / 60) La puissance spécifique (chevaux par litre) : puissance maximum en chevaux / cylindrée total en litre Plage d'utilisation : régime de puissance maxi - régime de couple maxi Figure 9: Quelques notions des moteurs Dernière Révision: 11/04/2007 Page 11 de 59

12 Définitions Puissance C est le travail fourni par une machine divisé par le temps mis pour le réaliser : P= W / T Pour un moteur on calcul la puissance développé en tour par minute. L unité de puissance est le WATT ou le KILOWATT. La puissance peut s exprimer en CHEVAUX (ch) 1 ch = 736 watts Couple Par définition le couple est un ensemble de deux forces nommé F elles peuvent être parallélle ou opposées de même intensité. Le couple d un moteur est le travail fourni par la combustion qui applique une pression P sur la surface du piston S Dernière Révision: 11/04/2007 Page 12 de 59

13 4.2. MOTEUR ESSENCE 2 TEMPS La source d'énergie est identique, mais le fonctionnement diffère, le moteur 2 temps n'a pas de soupapes, il n'a pas non plus de carter d'huile, le graissage se fait par adjonction d'huile spéciale moteur 2T à l'essence. Exemple les moteur 2 temps des deux roues La grande majorité des moteurs actuels fonctionnent sur une base de 3% voir moins, certains moteurs anciens sont réglés pour du 4 à 5%. Nous avons toujours un temps compression explosion, mais les gaz sont éjectés à la descente du piston par la lumière d'échappement et le mélange air, essence, huile, est poussé vers le haut du piston par la lumière de transfert. Le piston en remontant crée une dépression dans le carter, qui permet d'aspirer le mélange, air, essence, huile, et ainsi de lubrifier les pièces du moteur, le cycle, compression, explosion, recommence. On constate que à chaque position haute du piston correspond une explosion, source d'énergie. Figure 10: Principe de fonctionnement moteur essence 2 temps Les moteurs "deux temps" utilisent les deux côtés du piston : la partie supérieure pour les phases de compression et de combustion et la partie inférieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de conséquence, d'échappement). Ils épargnent ainsi les mouvements (donc latences, frottements, etc.) de deux cycles non producteurs d'énergie et produisent davantage de couple et de puissance. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 13 de 59

14 Il existe quelques exceptions sur des moteurs dits «cathédrales» munis de soupapes et de lumière Essence avec ou sans plomb: actuellement ces moteurs tournent au sans plomb, pour les modèles anciens, mais cela ne pose pas de problème si vous faites un mélange correct. Un mélange trop riche pourcentage d'huile supérieur aux indications) aura pour effet d'entraîner l'encrassement du moteur et de la bougie, mais aussi de diminuer le rendement du moteur, qui ne pourra alors donner toute sa puissance. Un mélange trop pauvre (pourcentage d'huile inférieure aux indications) aura pour effet un mauvais graissage des pièces en mouvement et pourra entraîner le blocage du moteur. Utilisation : Vélomoteur, moto, tondeuse à gazon, matériel de motoculture 4.3. MOTEUR ESSENCE 4 TEMPS Contrairement au gasoil, l'essence est un carburant qui s'enflamme au contact d'une étincelle. La difficulté dans un moteur est de synchroniser correctement l'étincelle. L'ordre d'allumage le plus répandu dans un moteur essence est Figure 11: Principe de fonctionnement moteur essence 4 temps ADMISSION : comme sur le moteur diesel, la phase d'admission permet à l'air d'entrer, toutefois, l'essence est injectée en même temps. Le cylindre se remplit du mélange. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 14 de 59

15 COMPRESSION : le piston remonte et comprime l'air car les deux soupapes sont fermées. La compression n'est pas trop forte car sinon le mélange pourrait exploser avant, ce qui pourrait abîmer le moteur. En fait, l'essence contient un produit retardant le point d'ignition. COMBUSTION DETENTE : les soupapes sont fermées. Une étincelle est alors produite, le mélange brule créant une surpression qui pousse le piston vers le bas (et fait tourner le vilebrequin). La température instantanée des gaz peut atteindre 2000 à 3000 C. ECHAPPEMENT : le piston remonte et la soupape d'échappement s'ouvre (enfoncée par la came correspondante). L'air brûlé précédemment est éjecté vers le pot d'échappement 4.4. MOTEUR DIESEL Le diesel (ou gasoil) est un carburant particulier : il ne s'enflamme pas à l'aide d'une étincelle mais mélangé à l'air, sous haute pression (et une température minimum). Ici dessous exemple d un moteur 4 temps. Il faut donc 4 ensembles (piston cylindre) pour permettre au moteur de tourner rond. Ces ensembles sont décalés de 180 (2x360 divisé par 4). Ci-dessous, les 4 étapes effectuées par un seul ensemble. Grâce au décalage, chaque piston fournit un effort lors de la combustion d'un demi-tour, ce qui entraîne le vilebrequin. Il faut deux tours à un ensemble pour que le vilebrequin fasse un tour. Figure 12: Principe de fonctionnement moteur diesel ADMISSION : Le piston descend et la soupape d'admission s'ouvre. L'air frais s'engouffre dans le cylindre. Pour le moment il n'y a pas de carburant. Le vilebrequin fait un demi-tour. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 15 de 59

16 COMPRESSION : La soupape d'admission se ferme et le piston remonte. L'air est comprimé et s'échauffe fortement. Lorsque le piston atteint la 9/10ème de sa course environ, on injecte sous pression une quantité définie de carburant. COMBUSTION DETENTE : Les soupapes sont fermées. L'air et le carburant contenus dans le cylindre sont sous pression. La température (400 à 600 C) est suffisamment élevée pour que ce mélange s enflamme créant une surpression qui pousse le piston vers le bas (et fait tourner le vilebrequin d'un demi-tour). ECHAPPEMENT : Enfin, la soupape d'échappement s'ouvre et le piston remonte chassant l'air brûlé qui est éjecté vers le pot d'échappement. On distingue 3 classes de moteur diesel Les moteurs lents moins de 200 tr/mm Les moteurs semi rapide entre 400 et 1000 tr/mm Les moteurs rapides plus de 1000 tr/mm Figure 13: Exemple de moteur diesel Dernière Révision: 11/04/2007 Page 16 de 59

17 4.5. CONSTITUTION D UN MOTEUR THERMIQUE A COMBUSTION INTERNE (Ce moteur est un ancien type à carburation, plus utilisé de nos jours) Figure 14: Constitution moteur thermique à combustion interne Dernière Révision: 11/04/2007 Page 17 de 59

18 Constitution d un moteur diesel Figure 15: Coupe transversale d'un moteur diesel avec injection directe Dernière Révision: 11/04/2007 Page 18 de 59

19 Les organes fixes Caches culbuteurs C est un simple capot recouvrant les culbuteurs permettent d une part d évité au graissage de se vaporiser sur le moteurs et risquer un incendie et d autres part de protéger les culbuteurs. Culasse Assure l'étanchéité des chambres de combustion (gaz) Assure l'étanchéité du circuit de refroidissement (liquide de refroidissement) Assure l'étanchéité de la circulation de l'huile alimentant la distribution, culbuteurs, arbre à cames, etc. Permet la fixation de l ensemble de la culbuterie Figure 16: La culasse et les soupapes Le joint de culasse Il réalise l étanchéité entre la culasse et le bloc moteur Figure 17: Joint de culasse Le bloc moteur Il reçoit l ensemble des pièces en mouvement et assure le refroidissement et le graissage de l ensemble des pièces. Figure 18: Bloc moteur Dernière Révision: 11/04/2007 Page 19 de 59

20 Le carter d huile Il reçoit la quantité d huile nécessaire à la lubrification,la pompe à huile aspire dans le carter et mes sous pression le circuit d huile,pour entre autres lubrifier les partie mécaniques (voir chapitre lubrification) Figure 19: Carter d'huile Bougie Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au mélange air/essence, créant une explosion. Figure 20: Bougie Les organes mobiles Arbre a came Monté sur un arbre, cette pièce non circulaire sert à transformer un mouvement rotatif en mouvement de poussée. C est elle qui permet l ouverture des soupapes d admission et d échappement. L arbre à came tourne à ½ fois la vitesse du vilbrequin Figure 21: Arbre à came Dernière Révision: 11/04/2007 Page 20 de 59

21 Soupape Obstruateur mobile maintenu en position fermée par un ressort. Elle s'ouvre momentanément sous la pression de la came. Figure 22: Soupapes Piston Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après l'explosion transforme une énergie thermique en énergie mécanique Figure 23: Piston Bielle Tige rigide, articulée à ses deux extrémités. Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif. Elle relie le piston au vilebrequin Figure 24: Bielles Dernière Révision: 11/04/2007 Page 21 de 59

22 Vilebrequin Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement l'énergie mécanique à la boîte. Il tourne dans le bloc moteur par les tourillons et reçoit les têtes de bielles fixées sur les manetons Distribution Mécanisme de régulation d entrer et de sortie des gaz à travers la chambre de combustion. Créant une parfaite coordination entre les arbres à came et le vilebrequin. La distribution est réalisée soit par chaîne, par courroie, ou par pignons. Figure 25: Vilebrequin Figure 26: La distribution Dernière Révision: 11/04/2007 Page 22 de 59

23 La distribution à beaucoup évolué,les arbres à cames se trouvent maintenant en tête de culasse,ce qui a eu pour avantage de supprimer les tiges de culbuteurs et d avoir directement l ouverture des soupapes par les cames avec simplement des poussoirs d appuis. Figure 27: Arbre à cames en tête de culasse Dernière Révision: 11/04/2007 Page 23 de 59

24 Position des pistons En ligne Deux,Trois, quatre, cinq ou six cylindres peuvent être disposés en ligne Figure 28: Pistons en ligne Figure 29: Pistons en V En V La disposition en V peut être adoptée pour des moteurs à quatre, six, huit ou douze cylindres A plat ou Boxer La disposition à plat, ou Boxer, convient pour des moteurs à deux, quatre, six, huit ou douze cylindres Figure 30: Pistons à plat Dernière Révision: 11/04/2007 Page 24 de 59

25 4.6. EXERCICES 1. La machine à vapeur fait-elle partie des? Moteur à combustion externe? Moteur à combustion interne? 2. Citez un avantage des moteurs à combustion externe? 3. Citez un inconvénient des moteurs à combustion externe? 4. Dans un moteur à combustion externe combien de sources de chaleur sont nécessaire? Donnez les 3 phases du cycle d un moteur à combustion interne 2 temps 6. Le graissage d un moteur 2 temps se fait avec un carter d huile ou avec un mélange d huile dans l essence? Carter d huile Mélange huile essence Dernière Révision: 11/04/2007 Page 25 de 59

26 7. Citez les 4 phases d un moteur 4 temps 8. Expliquez la phase de compression 9. Les 4 phases d un moteur essence et d un moteur diesel sont-elles identiques Oui Non 10. Citez les 5 éléments constituant les parties fixe d un moteur 11. L ensemble piston bielle fait il partie des organes fixes ou mobile Fixe Mobile Dernière Révision: 11/04/2007 Page 26 de 59

27 12. Citez l ensemble des organes mobiles Dernière Révision: 11/04/2007 Page 27 de 59

28 5. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES DIFFÉRENTS TYPES 5.1. MOTEUR À COMBUSTION EXTERNE Avantages : Le silence de fonctionnement : il n y a pas de détente à l atmosphère comme dans le cas d un moteur à combustion interne, la combustion est continue à l extérieur du ou des cylindres. De plus, sa conception est telle que le moteur est facile à l équilibrer et engendre peu de vibrations. Le rendement élevé : fonction, il est vrai, des températures des sources chaudes et froides. Comme il est possible de le faire fonctionner en cogénération (puissance mécanique et calorique), le rendement global peut être très élevé. La multitude de «sources chaudes» possibles : combustible des gaz divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire ou géothermique... L aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences environnementales en matière de pollution atmosphérique. Il est plus facile de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants. La fiabilité et la maintenance aisée la relative simplicité technologique permet d avoir des moteurs d une très grande fiabilité et nécessitant peu de maintenance. La durée de vie importante du fait de sa «rusticité». Les utilisations très diverses du fait de son autonomie et son adaptabilité au besoin et à la nature de la source chaude (du mw au MW). Inconvénients : Le prix : le frein à son développement est aujourd hui probablement son coût, non encore compétitif par rapport aux autres moyens bien implantés. Une généralisation de son emploi devrait pallier ce problème inhérent à toute nouveauté. La méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. Seuls quelques passionnés en connaissent l existence. La variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent une baisse de prix. Les problèmes technologiques à résoudre : les problèmes d étanchéité sont difficiles à résoudre dès qu on souhaite avoir des pressions de fonctionnement élevées. Le choix du gaz idéal, à savoir l hydrogène pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, se heurte à sa faculté de diffuser au travers des Dernière Révision: 11/04/2007 Page 28 de 59

29 matériaux. Les échanges de chaleur avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils volumineux MOTEUR À COMBUSTION INTERNE Avantages : Meilleur rendement : grâce à l'augmentation du rapport volumétrique la combustion est plus complète et la consommation spécifique est réduite (en moyenne de 200 g/kw/h pour les moteurs diesels contre 330 g/kw/h pour le moteur à essence). Le couple moteur est plus important et il reste sensiblement constant pour les faibles vitesses. Les risques d'incendie sont moindres car le point d'inflammation du gazole est plus élevé que celui de l'essence. Inconvénients : Les organes mécaniques doivent être surdimensionnés. Le bruit de fonctionnement est élevé La température dans les chambres de combustion est élevée ce qui implique un refroidissement plus efficace. L'aptitude au démarrage à froid est moins bonne qu'un moteur à allumage commandé. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 29 de 59

30 5.3. COMPARATIF D UN MOTEUR ESSENCE ET DIESEL CYCLE DIESEL ESSENCE ADMISSION Temps 1 Air seul Mélange air +essence COMPRESSION Temps 2 Taux de compression 30 à 40. Température 500 à 600 C Taux de compression 10à12 Température 320 à 380 C TEMPS MOTEUR Temps 3 Combustion détente injection gazoil pulvérisé Auto inflammation des gaz Température des gaz 1800 à 2000 C Explosion commandée par une étincelle électrique (bougie) Explosion détente des gaz Température des gaz 2000 à 2200 C ECHAPPEMENT Temps 4 Gaz peu toxique Gaz plus toxique CONSOMMATION 180 à 250 gr/kw /heure 280 à 350 gr/ KW/ heure Dernière Révision: 11/04/2007 Page 30 de 59

31 6. LES AUXILIAIRES 6.1. ALIMENTATION CARBURANT Essence Dans un moteur à combustion interne, le système d'alimentation en carburant est constitué d'un réservoir, d'une pompe et d'un appareil à vaporiser ou à atomiser le carburant liquide. Dans les moteurs à allumage commandé, cet appareil est un carburateur. (Plus employé actuellement) Dans la plupart des moteurs multicylindres, le carburant vaporisé est amené jusqu'aux cylindres par un tuyau ramifié, le conduit d'admission. Dans de nombreux moteurs, un tuyau similaire évacue les gaz produits par la combustion, vers l'extérieur. Le carburant est admis dans chaque cylindre et les gaz d'échappement sont évacués par des soupapes à clapet ou des lumières actionnées mécaniquement. Les soupapes sont maintenues fermées par des ressorts. Elles sont ouvertes au moment approprié du cycle moteur par les cames d'un arbre entraîné en rotation par le vilebrequin. À partir des années 1980, des systèmes à injection plus perfectionnés, également utilisés dans les moteurs Diesel, ont largement supplanté les dispositifs traditionnels d'alimentation en mélange d'air et de carburant ; ces systèmes contrôlés électroniquement réduisent la consommation en carburant et la pollution Figure 31: Alimentation carburant moteur à essence Dernière Révision: 11/04/2007 Page 31 de 59

32 Nous ne développerons pas plus le moteur essence celui-ci étant très peu utilisé dans le secteur pétrolier Diesel Le système d'injection de carburant est un composant vital du moteur diesel. Il met le carburant sous pression et l'injecte. Le carburant est ainsi éjecté à l'air qui a été comprimé à forte pression dans la chambre de combustion. Le système d'injection de diesel comprend une pompe d'injection de carburant, un injecteur, une pompe d'alimentation, un filtre à carburant et une pompe à haute pression. Figure 32: Alimentation carburant diesel (1) La pompe d'injection de carburant pressurise le carburant à haute pression puis le refoule dans la pompe à haute pression vers l'injecteur qui injecte le carburant dans le cylindre. La pompe d'alimentation aspire le carburant du réservoir tandis que le filtre filtre le carburant. Certains réservoirs de carburant sont équipés d'un sédimenteur au fond du filtre pour séparer l'eau du carburant. Figure 33: Alimentation carburant diesel (2) Dernière Révision: 11/04/2007 Page 32 de 59

33 Fonctionnement du circuit gasoil CIRCUIT BASSE PRESSION Le combustible contenu dans le réservoir est aspiré par la pompe d alimentation,passe dans le préfiltre avant d y arriver et est ensuite refoulé vers le filtre principal avant d arriver dans la pompe d injection. CIRCUIT HAUTE PRESSION La montée en pression et le débit de gasoil à l intérieure de la pompe est obtenu par un mouvement alternatif d un petit piston entraîné par une came. Celle-ci étant reliée à la distribution du moteur. INJECTEUR L injecteur qui reçoit le gasoil de la pompe est taré pour libérer le combustible à une pression définie (180 à 240 bars). Figure 34: Injection de gasoil Il injecte le combustible : soit directement dans le cylindre : INJECTION DIRECTE, soit dans une chambre de précombustion : INJECTION INDIRECTE Figure 35: Injecteur Dernière Révision: 11/04/2007 Page 33 de 59

34 Filtration du circuit gasoil La filtration du circuit gasoil est très importante, c est pour cette raison que l on a des préfiltres et des filtres principaux Elle évite l encrassement des pistons et cylindres de la pompe d injection qui sont ajustés au microns. Le remplacement des préfiltres et filtres doit être réalisé de manière préventive selon les règles du constructeur. Figure 36: Filtre à gasoil Le réamorçage du circuit gasoil Il est impossible de démarrer un moteur diesel si il reste de l air dans le circuit combustible, le réamorçage du circuit est alors nécessaire. Il faut purgé l ensemble du circuit en commençant au niveau de la pompe d alimentation et ouvrir les purgeurs prévus à chaque étapes après les filtres principaux, après la pompe d injection, et avant les injecteurs. Figure 37: Réamorçage circuit gasoil Dernière Révision: 11/04/2007 Page 34 de 59

35 6.2. GRAISSAGE ET LUBRIFICATION Le système de lubrification a plusieurs rôles ( les analyses d huile seront développé dans le cours sur les huiles ) Diminuer les frottements sur les pièces en mouvement; Dissiper une partie de la chaleur de combustion; Assurer l'étanchéité des cylindres; Évacuer, lors des vidanges, les particules dues à l'usure et aux résidus de combustion. Figure 38: Lubrification moteur Les principales parties du moteur lubrifiées sont : Les paliers de vilebrequin Les coussinets de bielle Les cylindres, pistons et segments Dernière Révision: 11/04/2007 Page 35 de 59

36 Les paliers d'arbre à cames Les cames et les poussoirs Les engrenages de distribution La culbuterie et les soupapes Autres points selon le type de moteurs : Turbo-soufflante Roulements Amortisseurs de pulsations Compresseur d air Poids lourds Pour plus d information voir le cours sur les lubrifiants Filtrations du circuit d huile La filtration de l'huile est un moyen de protection du moteur Elle sert à éliminer de l'huile : On distingue : les particules de carbone, résidus de la combustion, les poussières, sables et autres qui ont été amenés par l'air comburant, les particules métalliques provenant de l'usure des pièces en mouvement. les filtres en série ou "full flow" dans lesquels passe la totalité de l'huile en circulation, les filtres en dérivation dans lesquels passe seulement une partie de l'huile en circulation, les filtres magnétiques qui arrêteront les particules d'acier ou de fer, Dernière Révision: 11/04/2007 Page 36 de 59

37 les filtres auto-nettoyant ou "autoclean" qui peuvent se nettoyer en marche Les centrifugeuses pour les grandes capacité d huile. Figure 39: Lubrification moteur Dernière Révision: 11/04/2007 Page 37 de 59

38 6.3. LE REFROIDISSEMENT Il a pour rôle d éliminer le trop de calories emmagasiner par les frottements des pièces mécaniques. Il permet aussi de répartir l ensemble de la chaleur sur tous les organes du moteur. Le refroidissement régule la température d huile afin de garder ses propriétés et permettre un bon graissage. Les différents types de refroidissement sont : Refroidissement à l air Refroidissement avec du liquide Refroidissement à air L air passe de force sur le cylindre et autour du moteur qui est muni d ailettes de refroidissement. On utilise se type de refroidissement sur des moteurs dont la puissance est inférieure à 400 CV. C est généralement le cas des moteurs de vélomoteur, de tondeuse, d avions ou de locomotives. Figure 40: Refroidissement à air Dernière Révision: 11/04/2007 Page 38 de 59

39 Refroidissement avec du liquide L'eau est le liquide utilisé pour assurer l évacuation des calories dégagées par la combustion vers les culasses et les cylindres. Figure 41: Refroidissement avec du liquide Le circuit de réfrigération doit donc permettre, non seulement d'évacuer les calories excédentaires, mais également permettre une température constante du moteur, pour optimiser le rendement et éviter les contraintes thermiques. La circulation est assurée par des pompes centrifuges avec un réservoir placé en charge (c'est-à-dire en hauteur),afin d'assurer le parfait remplissage du circuit tout en permettant au fluide réfrigérant d'augmenter de volume sous l'effet de l'élévation de température, On appel cela le VASE D EXPANSION. Sur les petites unités, c'est la boîte à eau supérieure du radiateur qui sert de vase d'expansion. La valeur moyenne des températures est environ de 65 C pour l'entrée et de 85 C pour la sortie. Figure 42: Circuit de refroidissement avec du liquide Dernière Révision: 11/04/2007 Page 39 de 59

40 Avantages du refroidissement Maintien de la température des éléments de la chambre de combustion en dessous de certaines limites pour assurer leur résistance mécanique. Diminution de la température de l'huile afin d'assurer une bonne lubrification du contact segment/cylindre et aussi de diminuer les risques de grippage des pistons ou de gommage des segments. Maintien d'un taux de remplissage correct (échauffement des gaz frais plus réduit) Avantages des températures élevées Obtention de rendements plus élevés (diminution des pertes aux parois). Amélioration de la préparation du mélange air/carburant. Limitation de la production d'hydrocarbures imbrûlés et d'acides sulfureux au contact des parois. En conclusion, il est donc rationnel de refroidir les parois du moteur à la condition de ne pas le faire trop énergiquement. L'expérience montre qu'il est intéressant de maintenir la température des parois : autour de 120 ºC pour les chemises. autour de 180 à 240 ºC pour la culasse. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 40 de 59

41 6.4. LA DISTRIBUTION On appelle "distribution" l'ensemble des organes qui réalisent l'ouverture et la fermeture des conduits d'admission et d'échappement, et des éléments qui effectuent leur commande. Le rôle de la distribution est de commander l'ouverture et la fermeture des soupapes, imposer leur instant de l'ouverture, l'amplitude et la durée du mouvement. Figure 43: La distribution Figure 44: Distribution avec arbre à cames en tête Le principe de fonctionnement de la distribution est suivant : L'ouverture et la fermeture des cylindres sont réalisées par les soupapes. L'ouverture est possible grâce à des cames, la fermeture est assurée par des ressorts. La transmission du mouvement de l'arbre à cames aux soupapes est assurée par des poussoirs. Elle peut comprendre également des tiges de culbuteurs et des culbuteurs. La synchronisation avec le vilebrequin est réalisée par des pignons reliés entre eux par un système indéréglable (ex. chaîne, courroie...). Dernière Révision: 11/04/2007 Page 41 de 59

42 Figure 45: Distribution avec arbre à cames latéral Dernière Révision: 11/04/2007 Page 42 de 59

43 6.5. TURBO COMPRESSEUR Son rôle Augmenter le rendement du moteur par une meilleure admission d air dans les cylindres et permettre une combustion plus importante de carburant. Principe de fonctionnement Quand le moteur fonctionne il émet une certaine quantité de gaz sous pression (gaz d échappement).la pression de ces gaz varie en fonction du nombre de tours minute du moteur. Figure 46: Turbocompresseur On utilise ces gaz pour faire tourner une première roue ou turbine qui entraîne par l intermédiaire d un arbre une autre roue ou turbine qui comprimera de l air frais dans les cylindres. Il y aura donc un meilleur remplissage d air dans chaque cylindre. Figure 47: Principe du turbocompresseur Dernière Révision: 11/04/2007 Page 43 de 59

44 Constitution d'un turbocompresseur : une turbine est actionnée par les gaz d'échappement. un compresseur qui aspire et comprime l'air d'admission grâce à sa vitesse de rotation de tours/minute.(selon le diamétres de la roue) Figure 48: Le turbocompresseur En plus d'être moins polluant, le turbocompresseur permet de gagner jusqu'à 80 % de puissance. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 44 de 59

45 Figure 49: Turbocompresseur sur moteur diesel avec suralimentation à pression constante Dernière Révision: 11/04/2007 Page 45 de 59

46 6.6. EXERCICES 13. Citez les principaux organes du système d injection d un moteur diesel 14. Qu est-ce qu une injection direct? 15. Expliquez ce que veut dire «SAE» pour une huile SAE 15 W 40? 16. Expliquez ce que veut dire «15» pour une huile SAE 15 W 40? 17. Expliquez ce que veut dire «W» pour une huile SAE 15 W 40? Dernière Révision: 11/04/2007 Page 46 de 59

47 18. Expliquez ce que veut dire «40» pour une huile SAE 15 W 40? 19. Hors mis la lubrification, à quoi sert l huile dans un moteur? 20. Citez les deux principes de refroidissement? 21. Quels sont les avantages de garder des températures relativement élevées dans un moteur 22. Quel est le rôle d un turbo compresseur 23. A quoi servent les gaz d échappement dans un turbo compresseur 24. Donnez la vitesse approximative d un turbo Dernière Révision: 11/04/2007 Page 47 de 59

48 7. CONDUITE DES MOTEURS 7.1. DÉMARRAGE D UN MOTEUR Generalites Avant le lancement d'un moteur, certaines opérations élémentaires doivent être effectuées. Ces opérations doivent permettre une mise en route correcte d'un groupe moteur, dans les conditions maximum de sécurité pour le personnel et le matériel. Lire attentivement les notices de mise en fonction des appareils fournis par le constructeur des machines. Lire attentivement les procédures établies par l équipe maintenance et reporter immédiatement si quelques choses de vous parait pas normale. Contrôle général : Vérifier les niveaux (huile, eau, combustible, turbos). Vérifier la disposition des circuits. Vérifier la pression air de lancement (bouteilles). Vérifier le fonctionnement des voyants d'alarme (si possible test). Vérifier que les abords du moteur soient dégagés et que rien ne pourra gêner la rotation des arbres de liaison Cas particulier Certains moteurs sont équipés de système de préchauffage et de prégraissage Le préchauffage Il permet à l ensemble du moteur d être déjà en température moyenne (55 à 60 degré) et d avoir un démarrage rapide sans risque d endommager des parties mécaniques et de donner le maximum de puissance en un minimum de temps. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 48 de 59

49 Ce sont des moteurs principalement dédiés à la sécurité (groupe électrogène, motopompe incendie) On trouve aussi se type d installation dans des pays ou la température est basse Le prégraissage C est un système qui permet de lubrifier l ensemble du moteur avec en parallèle une pompe auxiliaire connecté aux circuit de lubrification de moteur De même que le préchauffage, cela est indispensable pour des moteurs dédiés à la sécurité. Dans ce type d installation, les contrôles de température d eau et la pression d huile doivent être vérifié régulièrement Les différents types de démarreur Sur les sites pétrolier ou plus généralement sur les installations industrielles, les moteurs sont équipés d aux moins deux types de démarreur Démarreur électrique. Il est alimenté par des batteries, qui doivent être capable d assurer plusieurs essais de démarrage en cas de problème Démarreur pneumatique. Utilisé soit en secours du démarreur électrique, soit en démarreur principal, il sont alimentés par une capacité d air sous pression généralement 200 bars détendue à 7 bars au démarreur. Figure 50: Exemple de démarreur pneumatique De même que les démarreurs électriques, ils doivent être capable d assurer plusieurs essais de démarrage. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 49 de 59

50 Démarreur hydraulique Ils sont aussi utilisés en démarreur principal ou en démarreur de secours, selon les installations. Un circuit spécifique est prévu avec Bâche hydraulique Filtres Pompe A chaque système il est impératif de contrôler avant les démarrages ou pendant les rondes de surveillance, les pressions et températures de ces auxiliaires Autres contrôles Ventilateur : Contrôle de tension des courroies Vérification si le radiateur et le ventilateur sont libres sans aucuns débris ou autre pièce pouvant être aspiré Après le démarrage Il est indispensable d effectuer une ronde, afin de vérifier toute fuite éventuelle gasoil, huile, eau, Vérifier si bruit suspecte Dernière Révision: 11/04/2007 Page 50 de 59

51 7.2. LES SÉCURITÉS Les différents circuits (huile, eau, carburant, réfrigérant) d un moteur sont soumis à des pressions et températures qui doivent être contrôlées pendant son fonctionnement. Deux catégories de sécurités sont utilisées : Les alarmes moteurs : Elles permettent d informer le personnels qu un problème se pose sur la machine (Température eau de réfrigération trop élevé) Les arrêts moteurs : Elles arrêtent le moteur car il y a risque de destruction de la machine (Baisse de pression d huile u température eau 2ème seuil) Il est important de connaître la différence de ces sécurités. Dans le secteurs pétrolier les moteurs diesel sont employés soit pour entraîner un alternateur se sont alors des groupes électrogènes, soit pour entraîner des pompes généralement incendie,se sont des moto pompes Dans les deux cas le fonctionnement des sécurités est différent Groupe électrogène Il est soit de secours,soit en station d énergie dans les deux cas les sécurités protèges le moteurs et l alternateurs en cas de problèmes techniques (fuites d huile, montée en température, ou autre), les sécurités d arrêt moteurs sont prévues pour stopper la machine avant détérioration de celle-ci. Il existe un mode de fonctionnement pour les essais hebdomadaire, qui shunte une partie des procédures de mise en route automatique. Uniquement pendant les essais. IL EST IMPÉRATIF DE REMETTRE LE SÉLECTEUR EN MODE AUTOMATIQUE APRÈS LES ESSAIS Figure 51: Groupe électrogène Dernière Révision: 11/04/2007 Page 51 de 59

52 Moto pompe incendie Le fonctionnement des sécurités est un peu différent car se sont des équipements de sécurités qui ne peuvent s arrêter lorsqu ils sont en marche, même si un problème technique apparaît. Se sont des équipement dit "marche ou crève". Ils devront continuer à tourner même si un gros problème technique survient. Comme pour les groupes électrogènes, il existe un mode essai, qui permet de faire les essais hebdomadaires pendant ces essais les sécurités sont actionnés et le moteur peut être arrêté par l une d elles. IL EST IMPÉRATIF DE REMETTRE LE SÉLECTEUR EN MODE AUTOMATIQUE APRÈS LES ESSAIS Figure 52: Motopompe incendie Dernière Révision: 11/04/2007 Page 52 de 59

53 7.3. EXERCICES 25. Donnez les 5 éléments à vérifier avant le démarrage d un moteur 26. Quels sont les 2 types de sécurités que l on rencontre sur les moteurs. 27. Si la couleur de l échappement est noire, quel est le premier diagnostique. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 53 de 59

54 8. TROUBLESHOOTING 8.1. MAUVAIS FONCTIONNEMENT (Après mise en température de fonctionnement) Le moteur fume noir (Problème de gasoil) Problème injection de gasoil Mauvaise arrivée d air frais (filtres colmaté) Soupapes déréglées : vérifier le calage. Le moteur fume bleu (problème d huile ou de gasoil mal brûlé) Mauvaise combustion Colmatage des segments (moteur à l arrêt depuis plusieurs mois ) Mauvais calage de la pompe d injection Le moteur fume blanc (Problème de vaporisation d eau) Cela peut être normal due à la condensation dans les échappements Si le fumé est dense cela peut provenir d un problème de joint de culasse ENTRETIEN L entretien est à réaliser par du personnel technique et connaissant le manuel de maintenance du moteur. Il est de plusieurs niveaux : L entretien préventif comprenant : Le remplacement des filtres (gasoil, air, huile) à des périodes bien déterminées par le constructeur. Dernière Révision: 11/04/2007 Page 54 de 59

55 Le remplacement de huile (vidange à réaliser après un certain nombres d heure de marche ou bien une fois par an si le moteur ne tourne pas régulièrement, l huile de remplacement doit correspondre aux spécificités du constructeur). Le nettoyage du moteur et de son environnement, afin de détecter à la première inspection visuelle une fuite éventuelle. Pour les moteur ayant plusieurs centaines d heures, un certains nombre de contrôles ou de remplacements de pièces mécaniques doivent être prévues (Voir le manuel constructeur). L entretien curatif Il dépend de l état du moteur après une panne, le dépannage doit être réalisé par le service maintenance, ou bien par le constructeur. L entretien prédictif C est un entretien qui ne tient pas compte du nombre d heures de marche du moteur, mais des relevés réalisés. Cela permet de constater la déviation des paramètres, telle que : Montée régulière en température à la sortie des réfrigérants Accroissement de la P des filtres Baisse régulière de la pression d'huile Dernière Révision: 11/04/2007 Page 55 de 59

56 9. GLOSSAIRE Dernière Révision: 11/04/2007 Page 56 de 59

57 10. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: Moteur de groupe électrogène...5 Figure 2: Moteur de pompe...5 Figure 3: Moteur de camion...5 Figure 4: Principe de fonctionnement de la machine à vapeur...6 Figure 5: Exemple de machine à vapeur...6 Figure 6: Principe de fonctionnement du moteur Stirling...7 Figure 7: Exemple de moteur à essence...8 Figure 8: Exemple de moteur diesel...8 Figure 9: Quelques notions des moteurs...11 Figure 10: Principe de fonctionnement moteur essence 2 temps...13 Figure 11: Principe de fonctionnement moteur essence 4 temps...14 Figure 12: Principe de fonctionnement moteur diesel...15 Figure 13: Exemple de moteur diesel...16 Figure 14: Constitution moteur thermique à combustion interne...17 Figure 15: Coupe transversale d'un moteur diesel avec injection directe...18 Figure 16: La culasse et les soupapes...19 Figure 17: Joint de culasse...19 Figure 18: Bloc moteur...19 Figure 19: Carter d'huile...20 Figure 20: Bougie...20 Figure 21: Arbre à came...20 Figure 22: Soupapes...21 Figure 23: Piston...21 Figure 24: Bielles...21 Figure 25: Vilebrequin...22 Figure 26: La distribution...22 Figure 27: Arbre à cames en tête de culasse...23 Figure 28: Pistons en ligne...24 Figure 29: Pistons en V...24 Figure 30: Pistons à plat...24 Figure 31: Alimentation carburant moteur à essence...31 Figure 32: Alimentation carburant diesel (1)...32 Figure 33: Alimentation carburant diesel (2)...32 Figure 34: Injection de gasoil...33 Figure 35: Injecteur...33 Figure 36: Filtre à gasoil...34 Figure 37: Réamorçage circuit gasoil...34 Figure 38: Lubrification moteur...35 Figure 39: Lubrification moteur...37 Figure 40: Refroidissement à air...38 Figure 41: Refroidissement avec du liquide...39 Figure 42: Circuit de refroidissement avec du liquide...39 Figure 43: La distribution...41 Figure 44: Distribution avec arbre à cames en tête...41 Figure 45: Distribution avec arbre à cames latéral...42 Dernière Révision: 11/04/2007 Page 57 de 59

58 Figure 46: Turbocompresseur...43 Figure 47: Principe du turbocompresseur...43 Figure 48: Le turbocompresseur...44 Figure 49: Turbocompresseur sur moteur diesel avec suralimentation à pression constante...45 Figure 50: Exemple de démarreur pneumatique...49 Figure 51: Groupe électrogène...51 Figure 52: Motopompe incendie...52 Dernière Révision: 11/04/2007 Page 58 de 59

59 11. CORRIGÉ DES EXERCICES Dernière Révision: 11/04/2007 Page 59 de 59

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