On était partis chercher des champignons. On a trouvé une débroussailleuse. Derrière un châtaignier, la tête coincée dans l'herbe, elle avait l'air de s'être fâchée avec tous ses propriétaires. L'un de nous a parlé d'un dragon à manche. Un autre a demandé où on mettait la soupe. Notre service technique était au sommet de son art.
On l'a laissée éteinte et on a cherché la plaque et la notice. Une machine abandonnée mérite une vérification, pas un grand coup de lanceur pour voir. Elle avait déjà démarré autre chose : une question. Comment un liquide peut-il faire tourner un bout de ferraille, bordel ?
Le soir, nous voilà à table avec du pain, une gourde de vin et le dessin du moteur au milieu des miettes. La machine était restée à l'écart. Nous, les lutins, on avait cette assurance de fin de repas qui permet d'expliquer le cosmos sans retrouver ses lunettes. Sauf que cette fois, on voulait vraiment piger. Dire « combustion » avec une voix profonde allait pas suffire.
Comment un moteur à essence transforme-t-il le carburant en mouvement ?
Un moteur à essence transforme une partie de l'énergie chimique du carburant en mouvement. L'essence se mélange à l'air et une étincelle enflamme ce mélange dans un cylindre. La combustion augmente la température et la pression des gaz, qui poussent un piston. Une bielle transmet cette poussée à un vilebrequin et le fait tourner. Les gaz brûlés sortent ensuite, une charge fraîche entre et le cycle recommence.
Voilà le trajet complet : énergie chimique, gaz chauds, poussée, rotation. L'étincelle lance la réaction. L'essentiel de l'énergie vient du carburant qui réagit avec l'oxygène de l'air. La bougie peut porter le chapeau du chef d'orchestre. C'est l'essence qui paie les musiciens.
Il faut quand même remettre un mot à sa place. On dit souvent « moteur à explosion ». Pourtant, un moteur à essence classique recherche une combustion rapide et contrôlée, avec une flamme qui se propage dans le mélange. La détonation incontrôlée, c'est autre chose, et elle peut abîmer le moteur. Nous aussi, on distingue une bonne fête d'une cuisine qui saute.
Cinq pièces pour arrêter de regarder le moteur comme une poule un boulon
Le cylindre est l'espace dans lequel se déplace le piston. La culasse le ferme en haut. Le piston monte et descend à l'intérieur. Ses segments aident à retenir les gaz. Si la pression filait tranquillement sur les côtés, on perdrait une bonne partie de la poussée.
En dessous se trouvent la bielle, une pièce articulée, et le vilebrequin. Le point où la bielle s'y accroche est décalé par rapport à l'axe de rotation. C'est tout le secret. Pousser sur ce point décalé fait tourner l'ensemble, un peu comme appuyer sur une pédale de vélo. En poussant pile au centre de l'axe, on perdrait ce bras de levier.
On a reproduit le mouvement avec une cuillère et un bouchon. Le piston va et vient, tandis que son point d'attache inférieur décrit un cercle. Aucun petit moteur caché sous le premier. De la géométrie bien fichue. Puis on a perdu le bouchon pendant dix minutes, histoire de rester modestes.
L'essence doit aussi être préparée. Un carburateur dose le carburant et le disperse dans l'air entrant. D'autres moteurs utilisent des injecteurs. Ce qui brûle, c'est du carburant vaporisé mélangé à de l'oxygène. Un gros jet de liquide au hasard ferait pas l'affaire. Il faut remplir un espace, comprimer son contenu, l'enflammer au bon moment et sortir les restes. Sans que les pièces décident de vivre chacune leur vie.
Qui donne le premier coup et qui garde l'élan
Avant la première combustion, quelque chose doit faire bouger le mécanisme. Sur beaucoup de débroussailleuses, la corde du lanceur entraîne le vilebrequin. Dans une voiture, c'est généralement un démarreur électrique. Ensuite, les combustions fournissent l'énergie pour continuer.
Le volant d'inertie est une masse qui tourne. Il stocke une partie de l'énergie de chaque poussée et la restitue entre les combustions. Le moteur peut ainsi continuer à tourner pendant qu'il comprime la charge suivante. Le volant crée aucune énergie. Il la répartit dans le temps. On aimerait bien un système pareil pour notre motivation à faire la vaisselle.
L'étincelle a aussi son installation. L'allumage produit une haute tension à la bougie. Beaucoup de petites machines utilisent des aimants sur le volant et une bobine, sans batterie. Dans un moteur à carburateur courant, l'accélérateur ouvre un papillon qui laisse entrer davantage d'air et de mélange. Plus de carburant peut brûler et produire plus de force. Le régime dépend aussi de ce que le moteur doit entraîner.
Quatre temps pour faire le tour du boulot
Un temps, c'est un trajet du piston d'un bout à l'autre du cylindre. Ça désigne ni une seconde, ni un cylindre, ni une vitesse. Prenons un quatre-temps à essence simple, avec carburateur ou injection dans l'admission. Les soupapes servent de portes, et l'arbre à cames règle leurs ouvertures. On va suivre l'ordre pour arrêter de pédaler dans la semoule.
- Admission, le piston descend. La soupape d'entrée s'ouvre. L'espace disponible augmente et la différence de pression permet au mélange air-essence d'entrer. La soupape d'échappement reste fermée.
- Compression, le piston remonte. Les deux soupapes sont fermées. La charge occupe un volume plus petit, sa pression et sa température augmentent. L'étincelle arrive vers la fin, généralement un peu avant le point le plus haut, parce que la combustion prend du temps.
- Détente, le piston descend. Les gaz chauds le poussent. Les soupapes restent fermées pendant l'essentiel de cette course. C'est là que le piston transmet du travail au vilebrequin.
- Échappement, le piston remonte. La soupape de sortie s'ouvre et le piston chasse les gaz brûlés. Le cylindre se prépare à recevoir la charge suivante.
Quatre courses du piston demandent deux tours de vilebrequin. Chaque cylindre fournit une détente motrice tous les deux tours. Avec plusieurs cylindres, les poussées peuvent se répartir. Le dessin simplifie le calage : en réalité, les soupapes peuvent s'ouvrir en avance, se fermer plus tard et rester brièvement ouvertes ensemble.
L'un de nous a levé son verre. « Trois courses pour préparer et une pour pousser ? » Exactement. Même le travail mécanique a besoin qu'on lui mette la table. La présentation de Briggs & Stratton permet de suivre ces quatre temps.
Notre débroussailleuse prend le raccourci des deux temps
La notice nous l'a confirmé : notre trouvaille était un deux-temps classique. Beaucoup de débroussailleuses fonctionnent ainsi, mais il existe aussi des quatre-temps. Admission, compression, combustion et échappement restent nécessaires. Les opérations se chevauchent pour tenir dans un seul tour de vilebrequin, avec une montée et une descente. Une détente motrice par tour signifie pas automatiquement deux fois plus de puissance.
Le truc se passe des deux côtés du piston. En montant, il comprime la charge déjà emprisonnée au-dessus. En dessous, le volume du carter augmente, ce qui fait entrer du mélange frais. L'étincelle jaillit près du point le plus haut.
En descendant, le piston reçoit la poussée des gaz brûlés tout en comprimant la charge fraîche dans le carter. Plus bas, il découvre d'abord la lumière d'échappement, puis les conduits de transfert. Les gaz brûlés commencent à sortir. Le mélange du carter monte dans le cylindre et participe à leur balayage. Le piston ouvre et ferme lui-même ces passages. Notre dessin montre une version simple avec une admission au carter par clapet à lamelles.
Le carter joue donc le rôle d'une pompe. Le même piston travaille sur ses deux faces. Nous, il nous a fallu l'après-midi pour comprendre. Lui peut refaire la manœuvre des milliers de fois par minute. On a décidé de mettre la pédale douce sur les explications du lutin qui prétendait avoir tout compris dès le début.
L'huile, l'herbe et tout ce boucan
Dans ce deux-temps, une huile adaptée accompagne le carburant, lubrifie les pièces internes et finit par brûler. La proportion se trouve dans la notice. Un quatre-temps classique garde généralement son huile à part. Mais certains quatre-temps utilisent aussi un mélange carburant-huile, comme ce système STIHL. Compter les temps suffit pas à savoir quoi verser dans le réservoir.
La rotation atteint la tête de coupe par la transmission. Beaucoup de débroussailleuses ont un embrayage centrifuge qui relie le moteur à l'arbre d'entraînement quand le régime augmente. Cet arbre transmet le mouvement dans le tube puis, selon le modèle, des engrenages l'amènent à la tête. L'herbe reçoit le résultat de toute la chaîne.
Il faut aussi évacuer de la chaleur. Une partie de l'énergie part avec les gaz d'échappement, une autre se dissipe par le refroidissement et les frottements. Sur beaucoup de petits moteurs, des ailettes et de l'air en circulation aident au refroidissement. Tout le contenu du réservoir devient pas du travail utile. Le bruit est pas une unité de rendement, même si le voisin au pot percé insiste.
Quelle différence entre un moteur à essence et un diesel ?
La différence principale concerne le début de la combustion. Dans un moteur à essence classique, une bougie enflamme le mélange air-carburant. Un diesel comprime d'abord de l'air sans carburant jusqu'à le rendre très chaud. Il injecte ensuite du gazole, qui s'enflamme dans cet air chaud sans étincelle de bougie. Les deux peuvent fonctionner en quatre temps. Le carburant et le nombre de temps décrivent deux caractéristiques distinctes.
La compression chauffe l'air parce que le piston fournit un travail sur lui. Le diesel exploite cette chaleur pour enflammer le carburant injecté. Les bougies de préchauffage présentes sur beaucoup de diesels aident notamment au démarrage à froid et pendant la montée en température. Elles produisent pas une étincelle à chaque cycle. Voir les explications du département américain de l'Énergie et la documentation des systèmes de préchauffage Bosch.
| Ce qu'on compare | Essence classique | Diesel classique |
|---|---|---|
| Début de la combustion | Étincelle d'une bougie | Injection dans l'air fortement chauffé par compression |
| Préparation de la charge | Air et carburant se mélangent avant l'allumage | On comprime l'air, puis on injecte le carburant |
| Alimentation | Carburateur ou injection, y compris directe | Injection dans l'air comprimé |
| Cycle | Deux ou quatre temps | Il existe aussi des diesels deux-temps et quatre-temps |
Autre piège : un injecteur transforme pas un moteur en diesel. Les moteurs à essence à injection directe utilisent toujours des bougies d'allumage. Et essence et gazole sont pas interchangeables. Leurs propriétés diffèrent, tout comme les systèmes conçus pour les brûler.
L'indice d'octane de l'essence mesure sa résistance à une auto-inflammation indésirable, pas des chevaux enfermés dans une bouteille. Un indice plus élevé garantit pas plus de puissance dans n'importe quel moteur. L'EIA explique ce chiffre. Le diesel utilise souvent efficacement son carburant grâce à sa conception et à ses conditions de fonctionnement, mais comparer les consommations demande des moteurs et des usages précis.
À la santé de ceux qui ont enfin compris
On a regardé le dessin une dernière fois. Air et carburant. Compression. Étincelle, ou air assez chaud dans le diesel. Gaz qui poussent, bielle qui transmet, vilebrequin qui tourne. Deux tours pour le cycle quatre-temps. Un pour notre deux-temps. On pouvait suivre le trajet sans se cacher derrière un grand mot.
Le vin a refait un tour et quelqu'un a déclaré qu'un moteur, c'était du feu à qui on avait appris à tourner en rond. La phrase nous plaisait. Puis on a regardé les segments, les soupapes et les conduits. Ce feu avait toute une équipe pour lui organiser la journée.
Ça nous a rappelé les aurores boréales : comprendre le mécanisme ajoutait de l'émerveillement. Et on avait encore perdu la notion du temps en créant, parmi les dessins, les questions et les miettes. La débroussailleuse avait pas démarré. Nous, on avait trouvé l'étincelle.
