À l’intérieur du cylindre

Le moteur d’une voiture a un seul objectif : transformer la chaleur de la combustion du carburant en rotation d’un arbre. Presque toutes les voitures à essence et diesel utilisent la même astuce, répétée dans plusieurs cylindres : un piston qui coulisse de haut en bas dans un tube, et un mécanisme qui transforme ce mouvement en ligne droite en rotation.

Les principales pièces d’un cylindre, de haut en bas :

• Cylindre et culasse. Le tube dans lequel coulisse le piston, fermé en haut par la culasse. L’espace entre le piston et la culasse est la chambre de combustion.
• Soupapes. Deux petites portes ou plus dans la culasse : les soupapes d’admission laissent entrer l’air frais (et, dans de nombreux moteurs, le carburant) ; les soupapes d’échappement laissent sortir les gaz brûlés. Un arbre à cames en rotation les pousse pour les ouvrir au bon moment.
• Bougie d’allumage (moteurs à essence). Elle produit une étincelle qui enflamme le carburant et l’air.
• Piston. Le plongeur. Des segments autour de lui assurent l’étanchéité avec la paroi du cylindre.
• Bielle. Une tige solide qui relie le piston au vilebrequin. Elle oscille pendant son mouvement.
• Vilebrequin. Un arbre avec une partie décalée, le maneton. Quand le piston pousse la bielle, la bielle fait tourner le maneton en cercle, comme un pied qui fait tourner une pédale de vélo.
• Volant moteur. Un disque lourd à l’extrémité du vilebrequin qui emmagasine de l’énergie de rotation.

Le course est la distance parcourue par le piston entre son point le plus haut, le point mort haut (TDC), et son point le plus bas, le point mort bas (BDC). Le rayon de manivelle est situé à une distance r du centre de l'arbre, donc le piston monte de r et descend de r pendant un demi-tour : course = 2r.

La hauteur du piston découle de la géométrie de la manivelle et de la bielle. Avec un angle de manivelle θ mesuré depuis le PMH et une bielle de longueur l, la distance entre le centre de l'arbre et l'axe du piston est x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Tu n'as pas besoin de faire le calcul, mais remarque ce que cela signifie : chaque position du piston est fixée par l'angle de la manivelle. Tourne la manivelle et tout le moteur bouge ; rien ne peut se décaler.

Le piston ne tourne pas. Il coulisse en ligne droite ; la bielle oscille d'un côté à l'autre ; seul le vilebrequin tourne. Et le piston s'arrête vraiment un instant en haut et en bas, lorsqu'il inverse sa direction, puis se déplace le plus vite autour du milieu de chaque course.

Deux dimensions décrivent un moteur. Le volume balayé (cylindrée) d'un cylindre est égal à l'aire du piston multipliée par la course : V = (π/4) × alésage² × course. Pour un alésage et une course de 86 mm chacun, V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 litre, donc quatre de ces cylindres forment un moteur de 2,0 litres.

Le taux de compression compare les volumes maximal et minimal du gaz : CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, où le volume résiduel est ce qui reste au-dessus du piston au PMH. Si un cylindre balaie 500 cm³ et qu'il reste 50 cm³ en haut, CR = 550 / 50 = 11 : 1.

À quelle vitesse le piston se déplace-t-il ? Sa vitesse moyenne est égale à 2 × course × (tours par seconde). À 6 000 rpm (100 tours/s), avec une course de 86 mm, cela donne 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, soit environ 62 km/h, en montant et descendant des centaines de fois par seconde. C'est l'une des raisons pour lesquelles il existe une limite à la vitesse à laquelle les moteurs peuvent tourner en toute sécurité.