Principe des moteurs 4 temps

Dans un moteur 4 temps, plusieurs courses du piston (mouvement du Point Mort Bas au Point Mort Haut ou l’inverse) sont nécessaires pour compléter un cycle moteur.

La phase d’admission (Du PMH au PMB) : le mélange air/carburant frais dans un moteur essence ou l’air frais dans un moteur diesel est aspiré dans le cylindre à travers les soupapes d’admission, qui peut s’ouvrir avec une légère avance avant le PMH et peut se fermer avec un certain retard après le PMB, afin de maximiser la masse d’air admise.

La phase de compression (du PMB au PMH) : le mélange frais dans le moteur essence ou l’air frais dans le moteur diesel est compressé car toutes les soupapes sont fermées. Vers la fin de la phase de compression, la combustion est initiée par l’intermédiaire d’une étincelle (moteurs à allumage commandé) ou d’une injection de carburant (diesel).

La phase de détente (du PMH au PMB) : les gaz brûlés se détendent, poussant vers le bas le piston et lui appliquant un travail qui est cinq fois plus grand (ou plus) que le travail appliqué par le piston pendant la phase de compression. Vers la fin de la phase d’expansion, les soupapes d’échappement commencent à s’ouvrir et une partie des gaz brûlés est expulsée des cylindres grâce à la différence de pression.

La phase d’échappement (du PMB au PMH) : le piston expulse les gaz brûlés restants. Vers la fin de la course d’échappement, les soupapes d’admission peuvent alors s’ouvrir et peu après le point mort haut, les soupapes d’échappement peuvent se fermer, c’est ce qu’on appelle le croisement (overlap). Après cela, un nouveau cycle peut commencer.

Bien que le cycle soit complété en 4 temps en 2 tours vilebrequin, il y a 6 phases de fonctionnement qui peuvent être mises en évidence car différentes phases peuvent se produire au cours d’un seul temps :

• Admission
• Compression
• Combustion
• Détente
• Echappement (ouverture de la soupape d’échappement et dépression)
• Echappement (déplacement)

Il convient de noter que 2 phases de fonctionnement sont nécessaires pour remplacer les gaz brûlés avec un mélange frais (échappement et admission).

Principe des moteurs 2 temps

Dans un moteur 2 temps, le cycle complet nécessite seulement deux courses du piston (c’est à dire une révolution vilebrequin).

Afin d’obtenir une plus grande puissance, les deux phases utilisées en 4 temps pour les échanges de gaz sont supprimées et remplacées par un processus de balayage. Le processus de balayage est défini par le déplacement des gaz brûlés lorsque le piston arrive en fin de phase de détente au moyen d’une masse d’air ou de mélange frais qui a été mis sous pression.

Dans les conceptions les plus simples, le mélange frais est sous pression grâce au carter lui-même, dont le volume varie en opposition avec le volume du cylindre, de sorte que le volume de carter minimum (et donc la pression maximale) est atteint lorsque le piston est au PMB dans le cylindre principal.

Un design plus compact par rapport au moteur 4 temps est possible parce que les soupapes d’admission et d’échappement peuvent être remplacés par des ports (lumières) dans la chemise du cylindre, l’ouverture et la fermeture peuvent être directement contrôlées par le mouvement du piston.

Les 2 phases du moteur 2 temps sont les suivantes :

Phase de compression : après la fermeture des orifices d’admission et d’échappement, le piston comprime la charge du cylindre (entre-temps, le volume augmente dans le carter, aspirant une nouvelle charge fraiche dans le carter moteur par dépression). Vers la fin de la phase de compression, la combustion est initiée par une étincelle (moteur à allumage commandé) ou par une injection de carburant (diesel).

Phase de détente : les gaz brûlés se détendent, poussant vers le bas le piston. Vers la fin de cette course, l’orifice d’échappement s’ouvre et une partie des gaz brûlés est évacuée du cylindre grâce à la différence de pression. Par la suite, les orifices de balayage sont ouverts, et la charge fraiche sous pression chasse les gaz brûlés hors du cylindre, de sorte qu’un nouveau cycle puisse recommencer après que le piston ait atteint le Point Mort Bas.

Comme pour le moteur 4 temps, 6 phases différentes prennent place durant les 2 temps moteurs :

• Balayage
• Admission
• Compression
• Combustion
• Expansion
• Purge/Dépression

Cependant, pour compléter un tel cycle, une soupape contrôlée en pression est nécessaire sur les orifices de balayage. Si de simples ports dans les parois des cylindres sont utilisés, l’orifice d’admission doit être dans une position plus basse que l’orifice d’échappement, pour permettre la phase de purge. Cela provoque alors un court-circuit d’une partie de la charge fraîche induite au début de la phase de compression, puisque l’orifice d’échappement reste ouvert pendant un certain temps après la fermeture de l’orifice d’admission.

Le processus de balayage représente le talon d’Achille du moteur 2 temps, car, dans le plus simple aménagement des ports dans les parois du cylindre, une partie de la charge fraîche passe directement par l’orifice d’échappement sans bruler, ce qui provoque une consommation de carburant excessive et des émissions de HC.

Pour ces raisons, l’utilisation de moteurs 2 temps essence a été limitée à de petits moteurs utilitaires (tels que les tondeuses à gazon, les tronçonneuses, moteurs hors-bord pour propulsion bateau …), où les inconvénients ont été considérés acceptables en raison de la grande simplicité, du faible coût et de la haute densité de puissance de ces moteurs.

Les moteurs 2 temps sont également utilisés sur les gros moteurs diesel pour les applications marines et stationnaires (environ 1 mètre de course), où ils sont généralement préférés aux 4 temps en raison des contraintes thermomécaniques trop élevés que les soupapes doivent supporter (les contraintes augmentent avec le diamètre de soupape, qui est proportionnel à l’alésage du cylindre).

Actuellement, il n’existe pas d’exemples d’application de moteur 2 temps dans le domaine de l’automobile.

L’avis de Romain Nicolas :

Les moteurs 2 temps et 4 temps ont presque des caractéristiques opposés pour leurs versions les plus simples. Cependant, certaines études sont en cours pour tirer profit d’un type et en l’appliquant à l’autre type de moteur, comme l’injection directe pour moteur 2 temps à titre d’exemple. Pensez-vous que le moteur 2 temps apparaîtra dans l’industrie automobile pour des utilisations non conventionnelles comme le prolongateur d’autonomie pour les véhicules hybrides série? Pensez-vous que les faiblesses des moteurs 2 temps seront surmontées pour prendre place dans le marché des moteurs à combustion interne?