moteur thermique

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 Fonctions.  Le bloc-cylindres est l’organe fixe du mécanisme moteur qui établit l’espace nécessaire a l’évolution du cycle a 4 temps. Il reçoit l’embiellage ou les organes mobiles.

 Le bloc-cylindres est aussi le support de la culasse, qui ferme la partie haute du moteur, et du carter inférieur, qui obture le bas du moteur. Il est soumis a toutes les forces engendrées durant le fonctionnement du moteur : couples, vibrations, etc

Fig. 1 Bloc-cylindres en fonte non chemisé

Structure. La partie supérieure du bloc-cylindres est usinée pour former les cylindres (bloc-cylindres non chemisé) ou les logements de chemises (bloc-cylindres a cylindres rapportés). Le liquide de refroidissement circule librement a l’intérieur de cette partie.

 Le plan supérieur est dressé  pour former plan de joint, la culasse vient y s’appuyer pour couvrir les cylindres. Des bossages avec des trous filetés assurent la fixation de la culasse.

 La partie inférieure du bloc-cylindres comporte les demi-paliers de la «ligne d’arbre »,munis des coussinets, destinés a supporter le vilebrequin. Les chapeaux des paliers sont fixés par le bas, au moyen de vis, pour faciliter la dépose du vilebrequin.

 Le bloc-cylindres possède a l’intérieur des alésages destinés a recevoir l’arbre a cames et la commande des soupapes, la commande et la fixation de la pompe a huile et des canalisations du système de graissage.

 L’intérieur du bloc-cylindres est relié au collecteur d’admission ou au filtre a air par un reniflard pour la récupération des gaz ou des vapeurs d’huile.

 

 

Fig. 2 Différents types de bloc-cylindres

Selon la disposition des cylindres (Fig.2) , le bloc-cylindres peut être : -          « en ligne », si les axes des cylindres sont verticaux et situés dans le même plan. -          « en ligne et incliné », si les axes des cylindres sont inclinés par rapport a la verticale (40°). -          « en V », les cylindres sont repartis en 2 sériés et dans chacune d’elles les axes sont parallèles et situés dans un même plan. -          « a plat », si les cylindres sont placés horizontalement et opposés 2 a 2 (en V dont l’angle vaut 180°).

 

Matériau. Le bloc-cylindres est en fonte grise ou en alliage d’aluminium. Les blocs en alliage léger ont un poids réduit et une bonne conductibilité thermique. Ils sont généralement chemisés.    

Fig. 3 Chemise sèche Fig. 4 Chemise humide a appui inférieur Fig. 5 Chemise humide a appui supérieur

1.1.            CYLINDRES  Fonction. Les cylindres sont des fûts, usinés dans le bloc-cylindres ou amovibles, qui servent de guide aux pistons. Leur paroi intérieure a un degré de finition supérieur et présent des stries fines pour retenir l’huile de graissage.  Structure. Trois montages de cylindres sont réalisés dans le bloc-cylindres. A.     CYLINDRES USINES DANS LE BLOC  Les cylindres sont alésés directement dans le bloc-cylindres conservant une rigidité parfaite de l’ensemble. Les chambres d’eau les enveloppent afin d’assurer leur refroidissement. Il n’y a pas des problèmes d’étanchéité B.  CYLINDRES RAPPORTES (CHEMISES) SECHES  Les cylindres rapportés sont des tubes d’épaisseur assez faible qui viennent s’emboîter a force dans le bloc-cylindres, lequel a été prévu avec fûts alésés directement dans la matière le constituant. Le chemisage permet d’obtenir une surface résistante a l’usure (très dure) et présentant un faible coefficient de frottement.  On les appelle «chemises sèches » (Fig.3) car la partie extérieure n’est en contact qu’avec le bloc-cylindres et non pas avec le liquide de refroidissement.  L’emmanchement se fait, soit a la presse, soit par contraction de la chemise trempée dans l’azote liquide (- 195° C).  Matériau. Les chemises sèches sont en acier. C. CYLINDRES RAPPORTES (CHEMISES) HUMIDES  Les chemises humides ont un excellent refroidissement car elles sont extérieurement en contact avec le liquide de refroidissement. Ces chemises sont épaisses, elles forment fûts amovibles et le bloc-cylindres ne comporte que des surfaces de centrage et d’appui.  Le montage des chemises humides est de type comprimé avec un joint servant uniquement a l’étanchéité.  La chemise humide a appui inférieur (Fig.4) est centrée dans un logement prévu a cet effet a la partie inférieure du bloc-cylindres. L’étanchéité est assurée par un joint plat d’embase, placé a l’épaulement de la partie inférieure de la chemise. Le dépassement du haut de la chemise assure, après serrage de la culasse, l’étanchéité parfaite au joint de culasse. Au moment du serrage, le joint plat d’embase est comprimé suffisamment pour assurer l’étanchéité du bas.  La chemise humide a appui supérieur (Fig.5) est en appui vers le haut par sa collerette. L’étanchéité du bas est assurée par des joints toriques en caoutchouc qui sont suffisamment comprimés au moment du serrage de la culasse.  Matériau. Les chemises humides sont en fonte de haute qualité et a grain fin.

 

 

Défectuosité	Causes	Méthode de réparation
1. Fissures des chambres d’eau. 2. Déformation du plan de joint de la culasse 3. Usure (ovalisation) de l’alésage des paliers du vilebrequin. 4. Usure de l’alésage des portées de centrage des cylindres. 5. Usure de l’alésage des paliers de l’arbre a cames. 6. Obturation des canalisations d’huile. 7. Trous filetés a filetage détérioré. 8. Usure (conicité et ovalisation) de l’alésage des cylindres.	Dilatation irrégulière due au refroidissement irrégulier. Température élevée ou serrage irrégulier. Température élevée ou serrage irrégulier. Changement incorrect des cylindres. Frottement des paliers de l’arbre a cames. Dépôt des impuretés véhiculées par l’huile Boulons ou goujons en mauvais état ou cassés Frottement des segments et, dans une moindre mesure, du piston. Lavage du film d’huile par l’essence durant le démarrage a froid. L’abrasion provoquée par les  poussières et les impuretés. L’application du piston contre la paroi lors de la détente. La corrosion par les produits de la combustion.	Soudure / Remplacement du bloc-cylindres Rectification plane sans dépasser la hauteur minimale. Alésage en ligne Remplacement du bloc-cylindres Changement des bagues en bronze Nettoyage Refaire le filetage Alésage de précision des cylindres usinés a la cote de réparation. Remplacement des cylindres sèches et alésage a la cote nominale. Remplacement des cylindres humides

 

EXPERTISE DE L‘EMBIELLAGE

 L’embiellage est l’ensemble des organes mobiles du mécanisme moteur qui transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement de rotation du vilebrequin. L’embiellage se compose de : piston, segments, axe de piston, bielle est vilebrequin.

 

 

Fig. 6 Structure d’un piston

Fonction. Le piston permet l’échange d’énergie entre les gaz et l’embiellage. Pendant la détente, les gaz fournissent de l’énergie au piston, mais au cours des autres temps du cycle, c’est la bielle qui commande le mouvement du piston.  Structure. Le piston (Fig.6) comporte deux parties distinctes : -          La tête de piston, la partie supérieure, reçoit l’action des gaz et assure l’étanchéité. Le fond de piston est en général plan, parfois bombé, convexe ou concave, selon la forme que l’on recherche pour la chambre de combustion.  Des gorges circulaires a section carrée portent des segments assurant l’étanchéité entre piston et parois du cylindre. -          La jupe, la partie inférieure, assure le guidage rectiligne. Elle porte, a l’intérieur, les bossages de l’alésage pour l’axe de piston et éventuellement une gorge, sur sa partie inférieure, pour un segment supplémentaire de retenue d’huile.

 

 Afin de mieux contrôler la dilatation on utilise différents types de piston.

Fig. 7 Piston a jupe intégrale

 

 Piston a jupe intégrale (Fig.7). Il se caractérise par la liaison continue entre la tête et la jupe, associée a un profil intérieur progressif. Le diamètre de la tête du piston est plus petit que celui de la jupe afin de mieux réagir aux dilatations importantes localisées a ce niveau par le contact direct de la combustion des gaz. La jupe a une forme ovale dont le plus petit diamètre est au niveau des bossages de l’alésage pour l’axe de piston. Lorsque le piston est chaud, cette partie ovale s’arrondit.

 

 

Fig. 8 Piston e fente

Fig. 9 Piston thermostatique

 

Piston a fente (Fig.8). Pour éviter un jeu excessif a froid, ce qui rend le moteur bruyant, ce piston comporte une fente horizontale, située sous le dernier segment. La fente, située aussi verticalement, serve de compensation aux dilatations thermiques.

 Piston «thermostatique » (Fig.9). Il est muni d’inserts en acier spécial « Invar » positionnés en haut de la jupe. L’«Invar » est un acier ayant un très faible coefficient de dilatation.

 Matériau. Les alliages a base d’aluminium ou de magnésium constituent les matériaux préférés, pour un piston qui doit être bon conducteur de chaleur et léger. Une couche de protection (étain, plomb, graphite, etc.) assure une lubrification de secours en cas de défaillance momentanée du graissage 

 

Fig. 10 Piston a trois segments

Fonction. Les segments (Fig.10) sont des anneaux circulaires ouverts et souples montés dans les gorges du piston en vue de : -          Assurer l’étanchéité entre le piston et le cylindre afin que les gaz de combustion ne passent pas de la chambre de combustion dans le carter en phase de compression et que l’huile ne remonte pas du carter dans la chambre de combustion en phase d’aspiration. -          Assurer le refroidissement du piston par le transfert de la chaleur du piston au cylindre.

 

 Structure. Les segments sont fendus pour permettre leur montage et leur donner une certaine élasticité. La forme de la coupe (Fig.11) est généralement droite. Les fuites qui pourraient se produire en cet endroit sont réduites en répartissant les coupes (tiercage de segments) sur toute la périphérie du piston. Par suite au fait que les segments assurent l’uniformité des pressions radiales sur les parois du cylindre, leur coupe ne doit pas être modifiée.

 

Fig. 11 Différentes coupes de segments

Fig. 12 Types de segments Fig. 13 Types d’axes de piston et leurs arrêts

Il existe deux types des segments (Fig12) d’après leur fonction principale.  Segments de compression. De forme rectangulaire, trapézoïdale ou conique, ils sont placés dans les gorges supérieures du piston. Travaillant en extension permanente contre les parois du cylindre ils garantissent une étanchéité aussi parfaite que possible. Le premier segment de compression a partir de la partie supérieure du piston, le segment de feu, est chromé parce qu’il est soumis aux hautes températures de l’explosion.  Segment racleur. Placé dans la gorge inférieure du piston, il arrête l’huile. Derrière lui, la gorge est percée pour permettre le retour de l’huile dans le carter inférieur. Matériau. Les segments sont en acier au chrome ou en fonte perlitique à graphite sphéroïdal. Un traitement thermique permet d’améliorer leurs caractéristiques mécaniques. Un traitement de surface, le chromage dur, augmente leur résistance a l’usure. 2.2.AXE DE PISTON  Fonction. L’axe de piston assure la liaison articulée entre le piston et la bielle. Il transmet a la bielle la force que reçoit le piston tout en permettant le mouvement oscillatoire bielle/piston.  Structure. L’axe de piston (Fig.13) est de forme cylindrique creux afin de diminuer au maximum sa masse tout en maintenant sa rigidité. L’axe de piston peut être décentré (déport) par rapport à l’axe géométrique du cylindre afin de réduire l’usure du cylindre.

 

On utilise trois types de montage de l’axe de piston avec la bielle (Fig.14).

 Axe de piston libre dans les bossages du piston et dans le pied de bielle (B, flottant). L’axe est retenu de se déplacer latéralement et de frotter sur les parois du cylindre par des arrêts élastiques en acier : circlips ou joncs. Le pied de bielle comporte une bague en bronze.

 Axe de piston libre dans les bossages du piston et serré dans le pied de bielle (C). Le montage de l’axe s’effectue après une chauffe dela bielle.

 Axe de piston serré dans les bossages du piston et libre dans le pied de bielle (A). Le montage de l’axe s’effectue après une chauffe du piston.

 

Fig. 14 Différents types de montage de l’axe de piston

Matériau. L’axe de piston est en acier ayant une couche superficielle dure : cémentée, nitrurée, etc.

2.2. BIELLE

 

Fig. 15 Organisation structurelle d’une bielle

Fonction. La bielle assure la liaison entre le piston et le vilebrequin et transmet l’énergie entre ces deux éléments animés de mouvements différents.  Structure. La bielle (Fig.15) se compose de trois parties : le pied, le corps et la tête. Le pied, relié a l’axe de piston, comporte généralement une bague en bronze emmanchée a force. Le corps est la partie comprise entre le pied et la tête. Il a une section en « I » pour résister aux divers efforts de compression et de traction et pour éviter ainsi le flambage. La tête, articulée sur le maneton du vilebrequin, est coupée dans un plan perpendiculaire (parfois oblique) a l’axe de la bielle en deux parties pour permettre la pose des coussinets et son montage. La partie supérieure est solidaire du corps, la partie inférieure, boulonnée sur la première et enserrant le maneton, est appelée chapeau.

 

 Matériau. La bielle est en acier très résistant au nickel-chrome, parfois en acier mi-dur au carbone.

 

2.5. VILEBREQUIN

 Fonction. Le vilebrequin transforme, par l’intermédiaire de la bielle, la force du piston en mouvement circulaire et de créer ainsi un couple de rotation. L’énergie recueillie sur cet arbre assure le mouvement des organes de transmission pour le déplacement du véhicule mais aussi l’entraînement de la distribution, de la pompe a huile, de la pompe a eau, des dispositifs d’alimentation en carburant et d’allumage, ainsi que de l’alternateur.

 Structure. Le vilebrequin (Fig.16) se compose de tourillons, qui se trouvent dans l’axe et qui permettent a l’arbre de reposer sur les paliers du bloc-cylindres, et des manetons sur lesquelles viennent s’articuler les bielles.

 

 

 

Fig. 16.Organisation structurelle d’un vilebrequin

 Les tourillons et les manetons sont reliés les uns aux autres par des bras et des flasques. Les flasques peuvent recevoir des masses d’équilibrage, statique et dynamique, jouant le role de contrepoids ajusté par meulage ou perçage. Des canalisations de graissage sont perforées à travers les bras, des tourillons aux manetons. Du coté sortie du vilebrequin, se trouvent la portée du joint d’étanchéité et la flasque de fixation du volant moteur. Sur le coté opposé, se trouvent la portée du joint d’étanchéité, le pignon d’entraînement de l’arbre a cames, la poulie et, selon le cas, l’amortisseur de vibrations.

 La disposition des éléments constituants est conditionnée par le nombre des cylindres du moteur et par l’obligation de repartir régulièrement les impulsions des pistons sur deux tours de rotation, tout en assurant le meilleur équilibrage possible.

 Matériau. Le vilebrequin est en acier mi-dur au nickel-chrome, en acier allié au manganèse et silicium ou en fonte au graphite sphéroïdal. La couche superficielle de ses portées est trempée ou durcie (nitruration, cémentation, induction) et rectifiée.

 Le vilebrequin doit occuper une position bien déterminée par rapport au bloc-cylindres. Des cales peuvent régler le jeu axial du vilebrequin par leur épaisseur (cales de jeu latéral).

 Le vilebrequin sort de moteur a ses deux extrémités, des joints d’étanchéité mobile y empêchent les fuites d’huile : joint a lèvre en caoutchouc synthétique, tresse  constituée par l’amiante tissée autour de caoutchouc, etc.

 

Fig. 17 Demi coussinet multicouches Fig. 18 Organisation structurelle du volant

Pour assurer une bonne rotation entre vilebrequin et paliers du bloc-cylindres et entre vilebrequin et têtes de bielle on utilise des coussinets minces. Les coussinets protègent les portées rectifiées du vilebrequin et peuvent être changés sans usinage a posteriori. Ceux-ci (Fig.17) sont des pièces d’usure qui se présentent sous forme d’une coquille en acier sur laquelle est plaquée une mince couche portante de métal antifriction. Comme métal antifriction on utilise les alliages a base d’aluminium, les alliages plomb-etain (métal blanc), plomb-etain-cuivre-antimoine (régule) et aluminium-cuivre-zinc (métal rose). La couche antifriction a la capacité d’absorption des éléments enlevés par friction. Parfois une couche ternaire de plomb-etain-cuivre  est ajoutée pour éviter les grippages.  Le volant moteur (Fig.18) est fixé sur la flasque du vilebrequin par des boulons dont le couple de serrage doit être respecté. Cette pièce, en acier ou en fonte, est une masse d’inertie qui régularise le couple moteur.  D’autres fonctions peuvent également être assurées  par le volant moteur tel que : -          Recevoir la couronne de démarrage sur laquelle s’engrène le pignon du démarreur. -          Supporter le mécanisme d’embrayage et servir de face de friction au disque d’embrayage. -          Comporter des encoches servant de repères de position des organes mobiles du moteur (PMH), de déclenchement de l’allumage et d’injection.

 

2.6. DEFECTUOSITES DE L’EMBIELLAGE

 

Défectuosités	Causes	Méthode de réparation
PISTON   1. Usure du diamètre de la jupe.   2. Usure de la largeur des gorges.   3. Usure de l’alésage de l’axe. SEGMENTS   4. Usure du diamètre extérieur (jeu a la coupe, fente).   5. Usure de l’épaisseur. AXE DE PISTON   6. Usure du diamètre extérieur. BIELLE   7. Usure de l’alésage de la tête de bielle (logement de coussinet)   8. Usure de l’alésage du pied de bielle (logement de bague)   9. Usure de l’alésage de la bague en bronze 10. Flexion ou torsion du corps. VILEBREQUIN 11. Usure (ovalisation et conicité) des portées des tourillons et des manetons. 12. Alignement des tourillons (flèche) 13. Torsion des manetons 14. Perpendicularité (voile) du plan d’appui du volant	Frottement au cylindre. Frottement aux segments. Frottement a l’axe de piston. Frottement au cylindre. Frottement a la gorge. Frottement au piston. Efforts d’extension et de compression Efforts d’extension et de compression Frottement a l’axe de piston Efforts d’extension, de compression et de flexion Frottement aux coussinets en cas de mauvais graissage Efforts de flexion créés par la poussée des gaz Efforts de torsion créés par l’opposition des couples Efforts de flexion et de torsion	Changement du piston Changement du piston Changement du piston Changement des segments Changement des segments Changement de l’axe de piston. Changement de la bielle Changement de la bielle/ Réalésage Changement de la bague en bronze Dégauchissage Rectification a la cote suivante de réparation Redressement / Changement du vilebrequin Changement du vilebrequin Changement du vilebrequin

Chapitre III

EXPERTISE DE LA CULASSE

3.1. CULASSE

 

Fig. 19 Organisation structurelle d’une culasse

 

Fig. 20 Différentes formes de la chambre de combustion

Fonction. La culasse ferme le haut des cylindres tout en formant une partie de la chambre de combustion.  Structure. La culasse (Fig.19) comprend des conduits d’admission et d’échappement des gaz. Elle porte les trous filetés pour recevoir les bougies d’allumage et, éventuellement, des injecteurs d’essence.  La culasse est fortement sollicitée de point de vue températures et pressions de combustion. Une double paroi permet la circulation du liquide de refroidissement autour des bougies et des chambres de combustion.  Le dessus de la culasse constitue le carter qui contient la commande des soupapes.  Les chambres de combustion sont en creux au dessous de la culasse.   La forme et le volume de la chambre de combustion influencent grandement le rendement  et le fonctionnement du moteur.  La forme de la chambre (Fig. 20) présente

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 21 Siège et guide de soupape

une importance primordiale, car elle exerce une influence sur la turbulence du mélangé. Par conséquent le mélange est plus homogène et la combustion plus rapide.  Le volume de la chambre conditionne le taux de compression dont dépend le rendement de la combustion.  Au fond de la chambre de combustion on trouve les sièges de soupapes (Fig. 21).  Les sièges constituent les surfaces coniques d’appui de têtes des soupapes : l’angle du cône (30° ou 45°) doit être presque le même pour la soupape et le siège, afin que l’étanchéité soit assurée. Les sièges sont usinés dans la masse de la culasse, ou bien formés par des bagues en acier emmanchées a la presse. Ils sont chanfreinés afin de réaliser la largeur de la surface conique.  Dans l’axe du chaque siège, introduit a la presse, il y a le guide de soupape qui assure le coulissement de la soupape.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Matériau. La culasse est en fonte grise aciérée ou en alliages a base d’aluminium, de cuivre de nickel et de silicium.

 Joint de culasse.  Le joint de culasse assure l’étanchéité de la chambre de combustion, il empêche les fuites d’eau et d’huile entre culasse et bloc-cylindres.

Le joint de culasse est en tissu métallique avec matériaux synthétique ou alliages a base de caoutchouc. Les bords des chambres de combustion sont pourvus d’un collet en acier plaqué d’aluminium.

 

3.2. SOUPAPES

 

 Fonction. Les soupapes permettent le passage des gaz dans un temps très court tout en assurant, sur leur siège, une  étanchéité parfaite du cylindre dans différentes phases du cycle.   

 Structure. La soupape (Fig.22) se compose d’une tête, d’une portée conique et d’une queue.

 La tête de soupape peut être convexe, concave ou bien plate. Le diamètre de la soupape d’admission est plus grand que le diamètre de la soupape d’échappement, afin de faciliter le remplissage du cylindre en gaz frais dont la vitesse est plus lente que ceux d’échappement.

 La portée conique est la partie circonférentielle de la tête, rectifiée avec une grande précision, qui assure l’étanchéité par le contact avec la partie interne du siège. La soupape d’admission est mince avec une portée étroite qui donne une meilleure étanchéité. La soupape d’échappement est plus épaisse avec une portée plus large qui refroidit mieux. L’angle au sommet peut être de 90° ou 120°.

 La tige ou queue de soupape, qui coulisse dans le guide, se raccorde a la tête par un congé de grand rayon en forme de tulipe de manière a faciliter l’écoulement de la chaleur. Dans l’extrémité de la tige se trouvent une ou plusieurs rainures destinées a loger les clavettes ou les demi-lune. La cuvette du ressort de soupape pousse les clavettes dans leur logement.

 Matériau. Les soupapes de grande série sont monométalliques en acier au nickel-chrome, la tige et la portée étant traitées afin de réduire l’usure. Eventuellement, on rapporte un cordon de stèllite (alliage a base de cobalt et de chrome) sur la portée pour augmenter la dureté.

 On réalise des soupapes d’échappement bimétalliques, inoxydables et indéformables, la tête et la tige, en matières différentes, étant soudées par rapprochement.

  On réalise aussi des soupapes d’échappement a tige creuse et partiellement (60 %) remplie de sodium qui se liquéfie a 97°C et présente une bonne conductibilité de la chaleur.

 Jeux aux soupapes Pour que les soupapes puissent se fermer correctement dans toutes les conditions de fonctionnement, on prévoit  a froid un jeu entre les soupapes et leurs organes de commande. (Fig. 21) Ce jeu doit compenser les dilatations lorsque la température de régime est atteinte. 

 La valeur du jeu est très importante :

-          Si le jeu est trop faible, la soupape s’ouvre plus vite et se ferme plus tard. Il y a perte de compression due au manque d’étanchéité, les soupapes restant ouvertes, et passage des gaz brûlés dans la tubulure d’admission.

-          Si le jeu est trop grand, la soupape s’ouvre trop tard et se ferme trop vite. Il y a manque de puissance due au mauvais remplissage.

 Ressort de soupape. Un ressort de rappel hélicoïdal est couramment utilisé pour que la soupape suive le déplacement déterminé par le profil de la came (Fig. 21). Afin d’éviter le phénomène d’entrée en résonance on utilise des ressorts a pas variable dont la distance entre deux spires est plus faible a une extrémité qu’a l’autre. Pour la même raison, on utilise un montage de deux ressorts antagonistes composé de deux ressorts concentriques a enroulements de sens hélicoïdal opposé.