Les moteurs à combustion interne sont omniprésents dans notre quotidien, notamment dans les voitures à essence. À la fin de cet article, leur fonctionnement n’aura plus de secrets pour toi.
En effet, cet article va se baser sur le programme de thermodynamique de tes cours de physique-chimie de terminale, notamment les chapitres « Décrire un système thermodynamique : exemple du modèle du gaz parfait » et « Effectuer des bilans d’énergie sur un système : le premier principe de la thermodynamique ». Il va te permettre de consolider tes connaissances sur ces chapitres, mais surtout de comprendre le vrai sens physique derrière ce que tu apprends et l’utilité de la discipline. C’est ainsi que tu auras le recul nécessaire pour aborder les exercices du bac avec sérénité.
Prémisses : le gaz et le piston
Comme nous avons pu le voir en étudiant la thermodynamique, les phénomènes microscopiques (agitation moléculaire) vont engendrer des phénomènes macroscopiques. Ainsi, dans un gaz parfait par exemple, la loi PV = nRT va relier la pression d’un gaz à sa température ou à son volume. Ainsi, si l’on augmente la température à pression constante, le gaz va prendre un volume plus important et pourra faire avancer la paroi d’un piston. À l’inverse, un refroidissement va diminuer le volume du gaz et permettre le retour du piston.
C’est ce principe assez basique qui va être la base des tous premiers moteurs thermiques : on va jouer sur la température d’un gaz pour lui donner le volume souhaité et créer un mouvement. On transforme ici de l’énergie thermique en énergie mécanique.
Création du moteur à 4 temps
Bien que ce fonctionnement soit à la base des moteurs thermiques, il est encore utilisé aujourd’hui dans toutes les voitures à essence, un tel moteur n’était pas satisfaisant du fait de son rendement très faible.
Pour rappel, “rendement” signifie ici le rapport de l’énergie mécanique produite sur l’énergie thermique consommée.
Ainsi, en utilisant ses connaissances en thermodynamique, le corps scientifique a pu faire évoluer le cycle du gaz pour atteindre un meilleur rendement. Cela a mené notamment à un cycle : celui du moteur à 4 temps.
Ce cycle porte bien son nom, car il est composé de 4 étapes : admission, compression, combustion/explosion et échappement.
L’admission consiste en l’ouverture de la soupape (d’admission) qui permet au mélange essence-air d’entrer dans le système. Pendant ce temps, le piston passe du point mort haut (voir schéma) au point mort bas. La soupape étant ouverte, on peut considérer la pression constante durant cette phase.
La compression se fait pendant le retour du piston qui passe du point mort bas au point mort haut et commence dès que la soupape se ferme. Le volume diminue alors. En assimilant grossièrement le mélange à un gaz parfait, la loi PV = nRT = constante (isotherme) nous donne qu’une diminution de volume est liée à une augmentation de pression d’où le terme « compression ».
La combustion se produit quand le piston est au point mort haut : la bougie vient allumer le mélange air-carburant. La température augmente grâce au gain d’énergie de la réaction, le volume augmente donc et le piston redescend au point mort bas.
L’échappement se produit lors du retour du piston vers le point mort haut. Les gaz s’échappent alors grâce à la soupape d’échappement, ce qui permet de renouveler le mélange.
Ce cycle permet la translation d’un piston qui va être transformé en rotation d’un arbre par un système bielle-manivelle et un arbre à cames (vocabulaire très technique, si ça t’intéresse, tu peux te renseigner sur ces pièces que l’on trouve dans un moteur, sinon tu n’as pas besoin de retenir ces termes pour comprendre ce qui suit).
Aspect environnemental : vers le remplacement des moteurs polluants ?
Pour fournir l’énergie thermique nécessaire, on injecte un liquide que l’on fait exploser à l’aide d’une bougie (d’où le terme moteur à explosion). Il se produit en fait une réaction de combustion qui est exothermique (produit de la chaleur/dissipe de l’énergie).
Cette réaction va produire du dioxyde de carbone qui est ensuite rejeté par le pot d’échappement et pollue l’air ambiant et la planète (c’est un gaz à effet de serre).
Comment l’éviter ? C’est une question qui prend beaucoup d’importance dans ce domaine.
Une première initiative serait de s’orienter vers l’utilisation de moteurs à hydrogène. En effet, l’utilisation de l’hydrogène comme comburant a l’avantage de produire une combustion ne rejetant pas de dioxyde de carbone.
Cependant, deux problèmes interviennent alors :
- Le stockage du dihydrogène au sein du véhicule pose problème, car l’énergie volumique qu’il peut fournir reste très faible. Ainsi, pour parcourir la même distance qu’avec un moteur à dioxygène, il faut embarquer un réservoir très encombrant ;
- Contrairement au dioxygène, il n’est pas naturellement à disposition et il faut donc le produire, ce qui est à la fois coûteux et polluant.
Une deuxième idée est la voiture électrique qui, comme son nom l’indique, remplace le moteur thermique par un moteur électrique. C’est ainsi que l’on évite de rejeter du dioxyde de carbone dans l’air. Cette solution permet d’éviter de polluer l’air des grandes villes, mais il n’est pas évident que le bilan carbone global soit meilleur que pour les moteurs thermiques.
En effet, l’énergie doit être produite par des centrales et stockée dans une batterie. La centrale va donc polluer pour fabriquer cette énergie et de même les matériaux constituant les batteries ne sont pas idéaux. C’est pour cela qu’il y a encore beaucoup de débats à ce propos.
Il n’y a pas encore de solution idéale à ce problème de pollution liée aux transports, toutes ont leurs avantages et inconvénients. Il est important d’en prendre conscience grâce à une compréhension des phénomènes les initiant.
